CN110231746A - 基于全光比较的光子模数转换系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于全光比较的光子模数转换系统和方法，光子模数转换系统包括光采样时钟源、被采样信号源、光子采样门、n位全光比较器、光电探测器阵列、数据整合与处理模块等。所述的n位全光比较器即量化位数为n位的全光比较器,n＝1,2,…,N，包括光2ⁿ等分模块、参考光源和单位比较器阵列。本发明能完成全光模数转换，减少了链路的损耗，保证光信号的质量，突破了原有光模数转换系统电量化后端的固有电子瓶颈对模数转换速率的限制，大大提升光模数转换系统的性能，有望成为下一代更高速率、更高精度全光模数转换系统的解决方案。

Description

基于全光比较的光子模数转换系统和方法

技术领域

本发明涉及光子信息处理，具体是一种基于全光比较的光子模数转换系统和方法。

背景技术

在当今信息时代，数据的传输、处理、分析，无处不在渗透在生活、军事、科研等方方面面。然而自然界的信号都是以模拟连续的形式存在的，因此模数转换器就成了连接模拟世界与数字世界的桥梁。为了满足信息爆炸时代人们对海量数据的需求以及各个领域对于获取信息质量的要求，模数转换器向更高速率、更高精度发展成为必然趋势。然而，目前基于电子技术的模数转换器在输入带宽、采样速率和量化精度三个关键指标均已接近其物理极限，难以在原有架构上实现进一步提升。

近年来，利用光子学大带宽、低抖动优势的光模数转换技术得到了快速的发展。这其中采用光子采样前端与传统电子模数转换器后端结合的方案，因光电子器件性能的不断提升以及集成技术逐渐成熟，得到了长足的发展并已经向实用化迈进。在这种方案中，锁模激光器产生的光脉冲作为光采样时钟，电光调制器作为光子采样门，采样后的模拟信号序列经过光电探测转换为电信号并由后端的电子模数转换器完成数字量化与编码。尽管锁模激光器能够产生高重复频率的采样脉冲，但由于电子模数转换器的转换速率有限，该方案往往需要采用多个通道来降低输入电子模数转换器的信号速率。这在很大程度上增加了系统的复杂度，限制了系统进一步实用化与集成化。

随着微波光子学的发展，推动了光模数转换技术向高性能、实用化的方向发展。研究者对于利用光子学技术实现光采样、光量化开展了相应的研究。研究者利用光纤中的非线性效应，可以在光域上实现对光功率的多级量化[C.Xu,et al.,"Photonic analog-to-digital converter using soliton self-frequency shift and interleavingspectral filters."Optics letters,vol.28,no.12,pp.986-988,2003.]，还有研究者构建了多个电光调制器的阵列来实现对光功率的多级量化[M.Currie,“Opticalquantization of microwave signals via distributed phase modulation,”Journalof Lightwave Technology,vol.23,no.2,pp.827-833,Feb.2005.]。然而，目前基于微波光子技术的光采样光量化的全光模数转换系统研究尚处于初步阶段，系统的复杂度较高，有效位数过低。并且仍需要在电域上对量化后的信号进行比较和编码，从而限制了光模数转换系统在精度和速率上的提升。也难以实现满足未来应用需求的集成化与实用化的光模数转换系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于全光比较的光子模数转换系统和方法。该方法基于光子学技术，通过对电光采样后的信号光功率与参考光功率的相对大小进行比较，在光域上同时实现对采样后的光信号的比较、量化，从而实现全光模数转换的过程。极大的简化了原有基于光采样电量化架构的光模数转换系统。该系统有望成为下一代更高速率、更高精度全光模数转换系统的解决方案。

本发明的技术方案如下：

一种基于全光比较的光子模数转换系统，其特点在于，该系统包括光采样时钟源、被采样信号源、光子采样门、n位全光比较器、光电探测器阵列和数据整合与处理模块，所述的n位全光比较器由光2ⁿ等分模块、参考光源、单位比较器阵列组成，所述的单位比较器阵列由2ⁿ个单位全光比较器并列构成，所述的光电探测器阵列由2ⁿ个PD单元并列构成，所述的光采样时钟源的输出端与所述的光子采样门的第一输入端相连，所述的被采样信号源的输出端与所述的光子采样门的第二输入端相连，所述的光子采样门的输出端与所述的n位全光比较器的输入端相连，所述的光2ⁿ等分模块的2ⁿ个输出端分别与所述的2ⁿ个单位全光比较器的第一输入端相连，所述的参考光源的输出端分别与所述的2ⁿ个单位全光比较器的第二输入端相连，所述的2ⁿ个单位全光比较器的输出端分别与所述的光电探测器阵列的2ⁿ个PD单元的输入端相连，所述的2ⁿ个PD单元的输出端分别与所述的数据整合与处理模块的2ⁿ个输入端相连，其中n＝1,2,…,N，N为2以上的正整数。

所述的全光比较器直接在光域上对电光采样后的信号光功率与参考光功率的相对大小进行比较，并将比较结果转化为二进制光信号“0”或“1”。

所述的光采样时钟源作为光子模数转换系统的光采样时钟，可采用但不限于被动锁模激光器、主动锁模激光器或调制频率梳等方法实现。

所述的被采样信号源为压控振荡器、频综源、模拟信号发生器或任意波形产生器等方法产生的模拟信号。

所述的光子采样门利用大带宽调制器实现对高速电信号的采样，光子采样门的输出为携带被采样信号信息的光脉冲序列，所述的光子采样门可采用铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、声光调制器或空间光调制器。

所述的n位全光比较器即量化位数为n位的全光比较器,其中n＝1,2,…,N，由光2ⁿ等分模块、参考光源、单位比较器阵列组成。

所述的光2ⁿ等分模块用于将光子采样门输出的信号等分为2ⁿ份，可采用光耦合器或阵列波导光栅。

所述的参考光源用于产生作为全光比较器阈值功率的参考光，可采用连续激光源、被动锁模激光器或主动锁模激光器

所述的单位比较器阵列由2ⁿ个单位全光比较器并列构成，其中单位比较器的参考阈值功率分别有2ⁿ个值，各个参考阈值根据全光比较器的满量程均匀划分或非均匀划分。

所述的单位全光比较器可采用掺饵光纤放大器、拉曼放大器、半导体放大器或可饱和吸收体。

所述的PD单元采用PIN管或APD管。

所述的数据整合与处理模块为信息处理板卡，用于将二进制电信号整合处理为数字信号。

利用上述基于全光比较的光子模数转换系统的光子模数转换方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

1)所述的光采样时钟源产生光采样时钟信号输入光子采样门，所述的被采样信号源产生的待采样的电模拟信号输入所述的光子采样门加载至所述的光采样时钟信号上，得到携带被采样电模拟信号信息的光脉冲序列；

2)所述的携带被采样电模拟信号信息的光脉冲序列经过所述的光2ⁿ等分模块等分成2ⁿ份光信号，该等分后的光信号分别输入到n位全光比较器中的2ⁿ个单位全光比较器的第一输入端，每个单位全光比较器都具有不同的参考阈值功率，共2ⁿ个值，所述的参考光源产生功率为参考阈值的参考光，并输入至所述的单位全光比较器的第二输入端，所述的单位全光比较器通过判断输入光信号与参考光功率的相对大小输出二进制的比较结果“0”或“1”；

3)二进制光信号的比较结果由所述的光电探测器阵列的2ⁿ个PD单元的进行光电转换得到二进制电信号后，输入所述的数据整合与处理模块，该数据整合与处理模块将接收到的二进制电信号转换为数字信号输出，方便进行后续的数字处理。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用基于光子技术的全光比较方法，实现在光域上对电光采样后的信号光功率与参考光功率的相对大小进行比较并将比较结果转化为二进制光信号“0”或“1”，避免将光信号经过光电转换后变为电信号再由传统的电子比较器对幅度进行比较和量化，从而减少链路的损耗，保证光信号的质量。

2、基于全光比较的光子模数转换方法能够突破原有光模数转换系统中电量化后端的固有电子瓶颈对模数转换速率的限制，大大提升光模数转换系统的性能。

3、基于全光比较的光子模数转换系统，未来有望成为实现光模数转换系统功能化集成的可行性方案，提高系统的可重构性和实用性，具有十分重要的研究意义。

附图说明

图1(a)为本发明基于全光比较的光子模数转换系统实施例的整体架构图；

图1(b)为n位全光比较器的架构图；

图2为携带被采样信号信息的光脉冲序列被等分后输入到单位全光比较器13-1中的示意图；

图3为本发明n位全光比较器中单位全光比较器输出二进制比较结果的示意图，其中，(a)-(d)分别为阈值为“阈值1”、“阈值2”、“阈值3”、“阈值4”的单位全光比较器的输出二进制比较结果的示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参见图1，图1(a)为本发明基于全光比较的光子模数转换系统实施例的整体架构图，图1(b)为n位全光比较器的架构图，由图可见，本发明基于全光比较的光子模数转换系统，包括光采样时钟源1、被采样信号源4、光子采样门5、n位全光比较器7、光电探测器阵列8、数据整合与处理模块9，所述的n位全光比较器7由光2ⁿ等分模块11、参考光源12、单位比较器阵列13组成，所述的单位比较器阵列13由2ⁿ个单位全光比较器13-1并列构成，所述的光电探测器阵列8由2ⁿ个PD单元8-1并列构成，所述的光采样时钟源1的输出端与所述的光子采样门5的第一输入端相连，所述的被采样信号源4的输出端与所述的光子采样门5的第二输入端相连，所述的光子采样门5的输出端与所述的n位全光比较器7的输入端相连，所述的光2ⁿ等分模块11的2ⁿ个输出端分别与所述的2ⁿ个单位全光比较器13-1的第一输入端相连，所述的参考光源12的输出端分别与所述的2ⁿ个单位全光比较器13-1的第二输入端相连，所述的2ⁿ个单位全光比较器13-1的输出端分别与所述的光电探测器阵列8的2ⁿ个PD单元8-1的输入端相连，所述的2ⁿ个PD单元8-1的输出端分别与所述的数据整合与处理模块9的2ⁿ个输入端相连，其中n＝1,2,…,N，N为2以上的正整数。

所述的光采样时钟源1用于产生光采样时钟信号2，光子采样门5将被采样信号源4产生的待采样的电模拟信号3加载至光采样时钟信号，得到携带被采样电模拟信号信息的光脉冲序列6经过光2ⁿ等分模块11等分成2ⁿ份光信号，等分后的光信号分别输入到n位全光比较器7中的2ⁿ个单位全光比较器13-1的第一输入端，图2为等分后输入到单位全光比较器13-1中的光信号示意图，每个单位全光比较器13-1都具有不同的参考阈值功率，共2ⁿ个值，参考光源12产生功率为参考阈值的参考光，并输入至单位全光比较器13-1的第二输入端，单位全光比较器13-1通过判断输入光信号与参考光功率的相对大小输出二进制的比较结果“0”或“1”，图3(a)-(d)分别为阈值为“阈值1”、“阈值2”、“阈值3”、“阈值4”的单位全光比较器对输入光信号与参考光进行比较后输出的二进制比较结果的示意图，二进制光信号的比较结果由光电探测器阵列8进行光电转换得到二进制电信号，数据整合与处理模块9将接收到的二进制电信号转换为数字信号10，方便进行后续的数字处理。

上述过程中利用n位全光比较器7可以实现在光域上对电光采样后的信号光功率与参考光功率的相对大小进行比较并将比较结果转化为二进制光信号“0”或“1”。上述过程中避免将光信号转换为电信号再由电子比较器进行幅度比较，从而降低了因光电转换带来的链路损耗和噪声，大大提高了光模数转换系统的能量利用率。此外，上述过程中进一步突破了模数转换系统中电后端瓶颈对光模数转换系统转换速率的限制，能够有力提高现有光模数转换系统的处理速率。这对于提升微波光子雷达和光通信系统等需要高精度、高速率的光模数转换系统的性能，具有十分关键的作用。

Claims (12)

1.一种基于全光比较的光子模数转换系统，其特征在于，包括:光采样时钟源(1)、被采样信号源(4)、光子采样门(5)、n位全光比较器(7)、光电探测器阵列(8)、数据整合与处理模块(9)，所述的n位全光比较器(7)由光2ⁿ等分模块(11)、参考光源(12)、单位比较器阵列(13)组成，所述的单位比较器阵列(13)由2ⁿ个单位全光比较器(13-1)并列构成，所述的光电探测器阵列(8)由2ⁿ个PD单元(8-1)并列构成，所述的光采样时钟源(1)的输出端与所述的光子采样门(5)的第一输入端相连，所述的被采样信号源(4)的输出端与所述的光子采样门(5)的第二输入端相连，所述的光子采样门(5)的输出端与所述的n位全光比较器(7)的输入端相连，所述的光2ⁿ等分模块(11)的2ⁿ个输出端分别与所述的2ⁿ个单位全光比较器(13-1)的第一输入端相连，所述的参考光源(12)的输出端分别与所述的2ⁿ个单位全光比较器(13-1)的第二输入端相连，所述的2ⁿ个单位全光比较器(13-1)的输出端分别与所述的光电探测器阵列(8)的2ⁿ个PD单元(8-1)的输入端相连，所述的2ⁿ个PD单元(8-1)的输出端分别与所述的数据整合与处理模块(9)的2ⁿ个输入端相连，其中n＝1,2,…,N，N为2以上的正整数。

2.根据权利要求1所述的基于全光比较的光子模数转换系统，其特征在于基于所述的全光比较器(13-1)直接在光域上对电光采样后的信号光功率与参考光功率的相对大小进行比较，并将比较结果转化为二进制光信号“0”或“1”。

3.根据权利要求1所述的基于全光比较的光子模数转换系统，其特征在于，所述的光采样时钟源(1)采用但不限于被动锁模激光器、主动锁模激光器或调制频率梳等方法实现。

4.根据权利要求1所述的基于全光比较的光子模数转换系统，其特征在于，所述的被采样信号源(4)为压控振荡器、频综源、模拟信号发生器或任意波形产生器。

5.根据权利要求1所述的基于全光比较的光子模数转换系统，其特征在于，所述的光子采样门(5)采用铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、声光调制器或空间光调制器。

6.根据权利要求1所述的基于全光比较的光子模数转换系统，其特征在于，所述的光2ⁿ等分模块(11)采用光耦合器或阵列波导光栅。

7.根据权利要求1所述的基于全光比较的光子模数转换系统，其特征在于，所述的参考光源(12)采用连续激光源、被动锁模激光器或主动锁模激光器。

8.根据权利要求1所述的基于全光比较的光子模数转换系统，其特征在于，所述的单位比较器阵列(13)由2ⁿ个单位全光比较器(13-1)并列构成，其中单位比较器的参考阈值功率分别有2ⁿ个值，各个参考阈值根据全光比较器的满量程均匀划分或非均匀划分。

9.根据权利要求1所述的基于全光比较的光子模数转换系统，其特征在于，所述的单位全光比较器(13-1)可采用掺饵光纤放大器、拉曼放大器、半导体放大器或可饱和吸收体。

10.根据权利要求1所述的基于全光比较的光子模数转换系统，其特征在于，所述的PD单元(8-1)可采用PIN管或APD管。

11.根据权利要求1所述的基于全光比较的光子模数转换系统，其特征在于，所述的数据整合与处理模块(9)为信息处理板卡，用于将二进制电信号整合处理为数字信号。

12.利用权利要求1所述的基于全光比较的光子模数转换系统的光子模数转换方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)所述的光采样时钟源(1)产生光采样时钟信号(2)输入光子采样门(5)，所述的被采样信号源(4)产生的待采样的电模拟信号(3)输入所述的光子采样门(5)加载至所述的光采样时钟信号(2)上，得到携带被采样电模拟信号信息的光脉冲序列(6)；

2)所述的携带被采样电模拟信号信息的光脉冲序列(6)经过所述的光2ⁿ等分模块(11)等分成2ⁿ份光信号，该等分后的光信号分别输入到n位全光比较器(7)中的2ⁿ个单位全光比较器(13-1)的第一输入端，每个单位全光比较器(13-1)都具有不同的参考阈值功率，共2ⁿ个值，所述的参考光源(12)产生功率为参考阈值的参考光，并输入至所述的单位全光比较器(13-1)的第二输入端，所述的单位全光比较器(13-1)通过判断输入光信号与参考光功率的相对大小输出二进制的比较结果“0”或“1”；

3)二进制光信号的比较结果由所述的光电探测器阵列(8)的2ⁿ个PD单元(8-1)的进行光电转换得到二进制电信号后，输入所述的数据整合与处理模块(9)，该数据整合与处理模块(9)将接收到的二进制电信号转换为数字信号(10)输出，方便进行后续的数字处理。