CN111431531A - 一种基于锁模激光器的高速模数转换系统及方法 - Google Patents

一种基于锁模激光器的高速模数转换系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于锁模激光器的高速模数转换系统及方法，系统包括可输入射频信号的电光调制器，所述电光调制器分别连接有波分复用器和波长分路器，所述波分复用器分别连接有至少两个锁模激光器，所述波长分路器连接有数量与所述锁模激光器数量相同的光电探测器，所述光电探测器连接有电模数转换器，所有的所述电模数转换器均连接数据处理模块。本发明的有益效果：采用高速异步光采样，提高了被采样射频信号的频率，理论上可实现频率几十GHz甚至数百GHz射频信号的模数转换，模块化清晰，性能更优良，可取代传统的纯电子模数转换器。

Description

一种基于锁模激光器的高速模数转换系统及方法
技术领域
本发明涉及高速模数转换系统的技术领域，具体来说，涉及一种基于锁模激光器的高速模数转换系统及方法。
背景技术
模数转换技术是信号处理中最常用的技术，即将射频模拟信号转换为数字信号。传统的模数转换系统为纯电子的模数转换系统。电子模数转换器的缺点是由于电信号具有一定的定时抖动和噪声，使得基于电的高速模数转换系统非常难以实现。近年来，随着光子技术的长足发展和激光技术与光学器件的推广，人们尝试采用光学手段突破电子模数转换的瓶颈，发展出利用光学手段将输入的射频模拟电信号数字化并输出数字电信号的方法，称为光学模数转换器。
锁模激光器能够产生光梳，其重复频率能够达到100GHz以上，高频的光脉冲频率为模数转换器的高速率采样提供了可能性。光梳作为采样脉冲，其定时抖动可以做到远远低于电子脉冲的定时抖动。利用锁模激光器产生的光梳，其时间抖动可以控制到亚飞秒量级甚至阿秒量级，比电子脉冲的时间抖动小三个量级以上。同时锁模光梳的脉宽也很短，能达到亚皮秒和几十飞秒的量级，能满足100GS/s以上超高采样率对采样脉冲脉宽的要求。因此，利用高精度的光梳对模拟信号采样可以实现高速率和高精度的采样。基于光学频率梳的光学模数转换方法已经吸引了世界上很多科研小组的关注，对其研究和技术改进也在广泛展开，是一个很有前景的实现高速信号模数转换的方向。一旦提出成熟的可产品化的模数转换方案，基于光梳的模数转换方案很有可能在高速模数转换领域取代纯电子模数转换器，成为一门通信领域的新技术。
目前基于光梳的模数转换方案采用单纯的光采样，其主要问题在于，仅具有一个锁模激光器，从而只能产生一个光梳，这就使得到多波长采样脉冲序列的难度较大，并且色散的方法会带来光脉冲强度波动和额外的脉冲间定时抖动。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于锁模激光器的高速模数转换系统，采用高速异步光采样，其将两路单独产生的较低重复频率的光脉冲对较高频率的模拟信号进行采样，在经过数字处理后恢复高频率的模拟信号，从而可实现高速率、高带宽的采样，可应用在5G系统中，实现高速模数转换的功能。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于锁模激光器的高速模数转换系统，包括可输入射频信号的电光调制器，所述电光调制器分别连接有波分复用器和波长分路器，所述波分复用器分别连接有至少两个锁模激光器，所述波长分路器连接有数量与所述锁模激光器数量相同的光电探测器，所述光电探测器连接有电模数转换器，所有的所述电模数转换器均连接数据处理模块。
进一步地，所述锁模激光器连接有锁定电路，所有的所述锁定电路均连接铷原子钟。
进一步地，其中一个所述锁模激光器产生重复频率为f的锁模激光，另一个所述锁模激光器产生重复频率为f+Δf的锁模激光。
本发明还提供了一种基于锁模激光器的高速模数转换方法，包括以下步骤：
S1两个锁模激光器各产生一路锁模激光，两路所述锁模激光的波长和重复频率均不相同；
S2波分复用器将两路所述锁模激光合成一路激光信号；
S3电光调制器将待采样的射频信号调制到所述激光信号上；
S4所述波长分路器将带有所述射频信号的所述激光信号分成两路光信号，并保证每路光信号的波长与对应的所述锁模激光的波长相同；
S5光电探测器将每路所述光信号转换成一路电信号；
S6电模数转换器将每路所述电信号转换成一路数字信号；
S7数据处理模块将接收到的两路所述数字信号合成最终数字信号。
进一步地，在S1中，锁定电路根据铷原子钟提供的基准信号锁定所述锁模激光器发出的锁模激光的重复频率。
进一步地，其中一路所述锁模激光的重复频率锁定为f，另一路所述锁模激光的重复频率锁定为f+Δf。
本发明的有益效果：采用高速异步光采样，提高了被采样射频信号的频率，理论上可实现频率几十GHz甚至数百GHz射频信号的模数转换，模块化清晰，性能更优良，可取代传统的纯电子模数转换器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的基于锁模激光器的高速模数转换系统的示意图；
图2是根据本发明实施例所述的锁定电路的示意图。
图中：
1、铷原子钟；2、锁定电路；3、锁模激光器；4、波分复用器；5、电光调制器；6、射频信号；7、波长分路器；8、光电探测器；9、电模数转换器；10、数据处理模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，根据本发明实施例所述的一种基于锁模激光器的高速模数转换系统，包括可输入射频信号6的电光调制器5，所述电光调制器5分别连接有波分复用器4和波长分路器7，所述波分复用器4分别连接有至少两个锁模激光器3，所述波长分路器7连接有数量与所述锁模激光器3数量相同的光电探测器8，所述光电探测器8连接有电模数转换器9，所有的所述电模数转换器9均连接数据处理模块10。
在本发明的一个具体实施例中，所述锁模激光器3连接有锁定电路2，所有的所述锁定电路2均连接铷原子钟1。
在本发明的一个具体实施例中，其中一个所述锁模激光器3产生重复频率为f的锁模激光，另一个所述锁模激光器3产生重复频率为f+Δf的锁模激光。
本发明还提供了一种基于锁模激光器的高速模数转换方法，包括以下步骤：
S1两个锁模激光器3各产生一路锁模激光，两路所述锁模激光的波长和重复频率均不相同；
S2波分复用器4将两路所述锁模激光合成一路激光信号；
S3电光调制器5将待采样的射频信号6调制到所述激光信号上；
S4所述波长分路器7将带有所述射频信号6的所述激光信号分成两路光信号，并保证每路光信号的波长与对应的所述锁模激光的波长相同；
S5光电探测器8将每路所述光信号转换成一路电信号；
S6电模数转换器9将每路所述电信号转换成一路数字信号；
S7数据处理模块10将接收到的两路所述数字信号合成最终数字信号。
在本发明的一个具体实施例中，在S1中，锁定电路2根据铷原子钟1提供的基准信号锁定所述锁模激光器3发出的锁模激光的重复频率。
在本发明的一个具体实施例中，其中一路所述锁模激光的重复频率锁定为f，另一路所述锁模激光的重复频率锁定为f+Δf。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
本发明所述的基于锁模激光器的高速模数转换系统（以下简称为系统）可对高达100G赫兹的射频信号进行模数转换，可应用于5G通信领域，实现高速率、高带宽的采样。具体包括锁模激光器3、铷原子钟1、锁定电路2、波分复用器4、电光调制器5、波长分路器7、光电探测器8、电模数转换器9和数据处理模块10。其中，铷原子钟1的型号为XHTF1012LN（天奥电子），锁模激光器3的型号为MCSFLP-1550（铭创光电），电模数转换器9的型号为ADS8168EVM-PDK，波分复用器4、波长分路器7和光电探测器8均采用Thorlabs生产的成熟产品，电光调制器5采用法国photline公司生产的MPX-LX系列产品。
锁模激光器3与锁定电路2连接，锁定电路2与铷原子钟1连接，锁模激光器3与波分复用器4相连接，波分复用器4与电光调制器5相连，待采样的射频信号6与电光调制器5的射频输入端相连，电光调制器5的输出端与波长分路器7相连，波长分路器7分出两路不同波长的光信号后与光电探测器8相连，光电探测器8与电模数转换器9相连，两路电模数转换器9进行数字输出同时输入到数据处理模块10进行后处理。
锁模激光器3用于产生锁模激光，锁模激光为脉冲激光，两路锁模激光的波长不同并且重复频率不同；铷原子钟1用于为锁模激光器3重复频率的锁定提供基准信号；锁定电路2来根据基准信号对锁模激光器3的重复频率进行锁定；波分复用器4将两路锁模激光合成一路激光信号；电光调制器5将待采样的射频信号6调制到激光信号上；波长分路器7将带有调制信息的激光信号分成两路光信号，每一路光信号的波长与对应的锁模激光的波长相同；光电探测器8将带有调制信息的光信号转换成电信号；电模数转换器9对电信号进行模数转换，从而获得两路携带有待采样信号信息的数字信号；数据处理模块10将输入的两路数字信号合成为最终数字信号。
系统采用基于锁模激光器3产生的光梳进行光学采样、电子量化的模数转换方案。工作原理为，将光梳作为采样光脉冲，通过待采样的射频信号6对其进行电光调制完成对该射频信号6的采样，经光电转换，将采样后的光脉冲转换为电信号，再用电子模数转换器完成量化过程。由于电器件的工作速度比光脉冲重复频率慢，因此，电子量化过程通常利用多路复用技术构成复用模数转换器的结构来完成。
系统采用将两路光梳合并成一路的采样方式，调制完成后，再分路分别进行数据收集，具体的，当系统工作时，锁模激光器3产生锁模激光，锁定电路2将其中一个锁模激光器3的重复频率锁定在f，将另一个锁模激光器3的重复频率锁定在f+Δf；通过波分复用器4将两路锁模激光合成一路激光信号；通过电光调制器5将待采样的射频信号6调制到该路锁模激光上，电光调制器5输出一路携带有射频信号6（即调制信息）的激光信号，该激光信号由两路不同波长的锁模激光组成；通过波长分路器7将激光信号中的两路锁模激光分开，每路分别进入光电探测器8，将光信号转换为电信号；此电信号通过电模数转换器9进行模数转换，转换成数字信号，两路数字信号输入到数据处理模块10，解析后的数据即是将待采样的射频信号6转换成的数字信号。采样带宽在很大的范围内有唯一解，具体带宽由两台锁模激光器3的重复频率决定。
系统采用将高速异步光采样和光波分复用模数转换结合的方式。高速异步光采样则能用两束单独产生的较低重复频率的光脉冲对较高频率的模拟信号进行采样，经过数字处理，恢复高频率的模拟信号。因此，高速异步光采样能够弥补单纯光采样的问题，其可将原光梳色散后产生多波长脉冲的方法简化为用两个锁模激光器3产生两束中心频率不同的光梳作为采样光脉冲。
在本发明中，将两个波长不同的锁模激光器3的重复频率分别锁定在铷原子钟1上，产生两路重复频率分别为f和f+Δf的锁模激光，两路由锁模激光器3产生的光脉冲经波分复用器4后合成一路进入电光调制器5，对高频模拟信号（即射频信号6）进行采样。通过波长分路器7将采样后的不同波长的两路光脉冲分开，分别经过光电探测器8转换为电信号，再分别进行电子模数转换，将数字信号进行计算处理得到模拟信号的信息。由于是两个低重复频率的光脉冲对高频模拟信号采样，属于欠采样，常规数字信号处理方法不能还原模拟信号，需要对两组采样后的光脉冲信号进行分组抽取计算处理，得到模拟信号的频率信息。
采样测量带宽取决于两台锁模激光器3的重复频率和电光调制器5的带宽。光采样瞬时测频技术是使用较低速率光脉冲对高速模拟信号进行采样，通过对采样信息的处理与运算，获得模拟信号频谱所处范围的技术。瞬时测频技术能够用两束具有微小频差的脉冲光对高频模拟信号采样量化，同时经运算处理，还原高频模拟信号的频率。当fs1=150MHz，fs1-fs2=Δf=75KHz时，理论上f在Bn=L(L+1)Δf≈300GHz有唯一解。但由于目前电光调制器5的带宽限制，目前的频率带宽能达到几十GHz。将来随着电光调制器5的带宽限制的改进，可调整锁模激光器3的重复频率，以获得THz的采样。
具体使用时，首先两个锁模激光器3产生两路不同波长的锁模激光，锁模激光器3的重复频率通过锁定电路2锁定在铷原子钟1上，两台锁模激光器3的重复频率分别为f和f+Δf；通过波分复用器4将两路锁模激光合成一路激光信号；通过电光调制器5，将待采样的模拟射频信号6调制到该路激光信号上，电光调制器5输出一路携带有射频信号6的激光信号，该激光信号由两路不同波长的锁模激光组成；通过波长分路器7，将两路锁模激光分开，每路分别进入光电探测器8，将光信号转换为电信号，此电信号通过电模数转换器9进行模数转换，转换成数字信号；两路数字信号输入到数据处理模块10，解析后的数据即是将待采样模拟射频信号6转换成的数字信号。通过上述方式，本系统可对几十GHz甚至几百GHz的射频信号6进行模数转换，从而为5G通信打好基础。
综上，借助于本发明的上述技术方案，采用高速异步光采样，提高了被采样射频信号的频率，理论上可实现频率几十GHz甚至数百GHz射频信号的模数转换，模块化清晰，性能更优良，可取代传统的纯电子模数转换器。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于锁模激光器的高速模数转换系统，包括可输入射频信号（6）的电光调制器（5），其特征在于，所述电光调制器（5）分别连接有波分复用器（4）和波长分路器（7），所述波分复用器（4）分别连接有至少两个锁模激光器（3），所述波长分路器（7）连接有数量与所述锁模激光器（3）数量相同的光电探测器（8），所述光电探测器（8）连接有电模数转换器（9），所有的所述电模数转换器（9）均连接数据处理模块（10）。
2.根据权利要求1所述的基于锁模激光器的高速模数转换系统，其特征在于，所述锁模激光器（3）连接有锁定电路（2），所有的所述锁定电路（2）均连接铷原子钟（1）。
3.根据权利要求2所述的基于锁模激光器的高速模数转换系统，其特征在于，其中一个所述锁模激光器（3）产生重复频率为f的锁模激光，另一个所述锁模激光器（3）产生重复频率为f+Δf的锁模激光。
4.一种基于锁模激光器的高速模数转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1两个锁模激光器（3）各产生一路锁模激光，两路所述锁模激光的波长和重复频率均不相同；
S2波分复用器（4）将两路所述锁模激光合成一路激光信号；
S3电光调制器（5）将待采样的射频信号（6）调制到所述激光信号上；
S4所述波长分路器（7）将带有所述射频信号（6）的所述激光信号分成两路光信号，并保证每路光信号的波长与对应的所述锁模激光的波长相同；
S5光电探测器（8）将每路所述光信号转换成一路电信号；
S6电模数转换器（9）将每路所述电信号转换成一路数字信号；
S7数据处理模块（10）将接收到的两路所述数字信号合成最终数字信号。
5.根据权利要求4所述的基于锁模激光器的高速模数转换方法，其特征在于，在S1中，锁定电路（2）根据铷原子钟（1）提供的基准信号锁定所述锁模激光器（3）发出的锁模激光的重复频率。
6.根据权利要求5所述的基于锁模激光器的高速模数转换方法，其特征在于，其中一路所述锁模激光的重复频率锁定为f，另一路所述锁模激光的重复频率锁定为f+Δf。
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