CN1862355A - 光谱编码模数转换器 - Google Patents

Abstract

该发明适用于信息光电子领域实现高速模数转换。在上述领域内，现已提出的方案较多，但器件尺寸的小型化与器件性能不可兼得，且对欲进行转换的模拟电压信号水平要求较高。本发明提出的光谱编码模数转换器首先将模拟电压信号线性地转换为波长信号，再对波长进行编码，从而使光采样与光编码分离开，分别优化，同时达到较小的器件尺寸和较高的转换能力，通过修改器件参数可以在较小的模拟电压水平上进行转换。利用电光法布里－珀罗干涉仪调制器峰值透射波长与调制电压的线性关系实现电压－波长转换，再利用不同长度的法布里－珀罗干涉仪透射功率与入射波长的不同的周期关系实现光谱编码。该发明可广泛应用于使用数字信号处理技术进行信息处理时的模拟信号－数字信号高速转换。

Description

光谱编码模数转换器

技术领域

光谱编码模数转换器，属于信息光电子技术领域。

背景技术

在现有电子模数转换器中，采样保持电路的充放电过程、编码电路各个逻辑门的时间延迟失配以及高速情况下的比较器不确定性限制了转换性能的进一步提高，在过去十多年里，转换速率每提高十倍，转换位数降低一位。在现有模数转换的光学方法中，主要有：基于马赫-曾德尔干涉仪、通道波道法布里-珀罗干涉仪的相位编码光采样模数转换器；基于分插复用思想对电子模数转换器性能的扩展，包括光波分复用、光时分复用、采样光脉冲时域展宽；采用光电效应的采样保持部件，包括利用光伏效应、光导效应进行采样保持和利用光电子发射效应产生电子脉冲序列，经模拟电压电极对偏转轰击空间编码的探测器阵列完成采样和编码的方法；还有利用非线性光学原理进行采样、量化的方案。在以上这些方案中，相位编码光采样模数转换器和采用光伏效应、光导效应的采样方案便于小型化和集成，功耗较小，性能可靠。其它的方案则功耗较大、低可靠且不便于小型化和集成。

在相位编码光采样模数转换器中，一方面由于转换所需的信号电压较高，对前续的信号处理电路的要求较为苛刻；另一方面，在多位数转换情况下，高位数与高速率不可兼得，位数每增加一位，器件长度增加一倍，不便于集成光学方法制作，且转换速率近似地降低一倍。因而实用化的器件还没有出现，不能满足现代数字信号处理对模数转换器的要求。

发明内容

本发明利用在不同电压下，法布里-珀罗干涉滤波器峰值透射波长的变化，和对不同的腔长，法布里-珀罗干涉滤波器透射功率随入射波长变化的周期不同两个物理原理，实现光学模数转换器。

下面分4个部分说明本发明。第1部分阐述本发明的物理原理，第2部分说明本发明的器件结构和工作原理，第3部分讨论本发明的器件性能和制作，第4部分讨论本发明的特点。

1.物理原理。

设通道波导法布里-珀罗干涉仪腔长为L_c，波导仅支持基模，腔内波导有效折射率为N_eff，电极加在波导两侧，间距为d，腔镜反射系数为r＝|r|exp(-iφ_r)，其中φ_r为反射相移，功率反射率R＝r×r^*，入射光电场为E_i＝|E_i|exp(-iψ_i)，设ψ_i＝0。不计波导散射损耗时，法布里-珀罗干涉仪的振幅透射函数为

$t_{\mathrm{FP}}=\frac{(1-{\left|r\right|}^2)}{1-{\left|r\right|}^2{e}^{\mathrm{i\δ}}}---\left(1\right)$

                 δ＝4πN_effL_c/λ₀+2φ_r                   (2)

其中，对于透射极大值，δ＝2mπ，m＝1，2，3，....为F-P腔多光束干涉级次，λ₀为真空波长。法布里-珀罗干涉仪的光谱范围(Δλ₀)_SR为Δδ＝2π对应的波长变化，

                 (Δλ₀)_SR≈λ₀ ²/(2N_effL_c)≈FΔλ₀，      (3)

其中精细度 $F=\mathrm{\π}\sqrt{R}/(1-R),$ Δλ₀为F-P腔分辨本领λ₀/Δλ₀决定的最小可分辨波长差。F-P腔的功率透射函数由(1)式得

$T=\frac{1}{1+{A\sin }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}}---\left(4\right)$

$A=\frac{4R}{{(1-R)}^2}=\frac{{4F}^2}{{\mathrm{\π}}^2}---\left(5\right)$

在(2)式右侧中，通常第一项腔内往返一周传输距离相移远大于第二项腔镜反射相移。当φ_r对波长的色散可以忽略不计时，对于δ＝2mπ，同一级次峰值透射波长与腔内波导有效折射率为线性关系，从而对于λ₀附近不同的波长，功率透射函数与折射率的关系如附图1，同一级次峰值透射波长是折射率的线性函数，如附图2。由图可见，改变法布里-珀罗干涉仪有效折射率，透射特性在波长轴上线性地平移。依据线性电光效应，利用上述特性可以构造电压-波长线性转换器，当电压变化时，法布里-珀罗干涉仪同一级次峰值透射波长是电压的线性函数。在输入光谱范围较宽的情况下，不同级次透射峰交叠，同一电压下将有多个间隔光谱范围(Δλ₀)_SR的波长透过。为了实现在较宽阔的电压范围内电压-波长线性变换，应使透射光谱线宽尽量窄，输入光谱宽度小于法布里-珀罗干涉仪光谱范围(Δλ₀)_SR，以防不同级次光谱的交叠。由(3)式，应尽可能地减小L_c，并选择较大的工作波长λ₀。

同时，对于确定的折射率，透射功率为波长的周期函数，周期为法布里-珀罗干涉仪的光谱范围。依据(3)式，若腔长L_c按(6)式变化形成阵列

                 L_c(i)＝2^N-iL_c-MSB，i＝1，2，…，N      (6)

其中，N为法布里-珀罗干涉仪阵列元数，L_c-MSB为最高有效位腔长。则各阵列元光谱范围按(7)式变化

                    SR(i)＝2^i-NSR_MSB                (7)

SR_MSB＝λ₀ ²/(2N_effL_c-MSB)为最高有效位光谱范围。附图3给出了不同A值时各个阵列元的透射光谱和格雷码的变化波形。由附图3可见，当入射波长逐渐增加，各阵列元将按格雷码规律变化，只是各个位变化的峰和谷持续波长宽度不符合格雷码要求。

格雷码的波形特点是：1、高一位比特变化周期是低一位比特变化周期的两倍；2、高一位比特的变化边沿总是与低位比特的高或低值的中央对齐；3、各个比特在一个周期内占空比为0.5。按(6)式构造的法布里-珀罗干涉仪阵列在周期上满足格雷码要求，但各位变化的峰和谷持续波长宽度，即占空比不符合。考虑附图3中在不同A值时的透射功率-波长变化曲线。由于低一位的δ＝2mπ，2mπ±π与高一位的δ＝2mπ±π/2，2mπ，2mπ±π对齐，这与格雷码波形特点2一致。欲使各个位的波形在量化后占空比为0.5，那么应当选择在各个位的δ＝2mπ±π/2处比较量化，经量化后的波形将与格雷码波形重合。对各个位，δ＝2mπ±π/2处对应的透射功率为

$T_{\mathrm{ref}}\left(i\right)=\frac{1}{1+\frac{1}{2}A\left(i\right)}---\left(8\right)$

其中，A(i)由各个位的精细度F(i)，从而由腔镜反射率，经(5)式决定。若各个位的腔镜反射率相同，(8)式中各个位实现格雷码的量化参考透射功率相等。

为使δ＝2mπ±π/2处，各个位透射功率随δ，从而随波长，变化最快，以最小化比较器不确定性影响，应确定最佳的A值，使在这些位置处T/δ取得最大值。令

$\frac{\∂}{\∂A}{\left[\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\δ}}\right]}_{\mathrm{\δ}=2\mathrm{m\π}\±\mathrm{\π}/2}=0---\left(9\right)$

解(9)式可得，A_max＝2。

2.器件结构和工作原理。

依据第1部分的讨论，本文构造的5位光谱编码模数转换器技术方案如下，结构如附图4，其中，为使图形清晰，将各个位的F-P腔画为同样大小。半导体激光器LD发出的高重复频率、低时间抖动的锁模激光脉冲射入色散平坦光纤DFF产生在一定范围内平坦的光谱，经带通滤波器BPF获得不大于电光法布里-珀罗调制器EOFPI光谱范围的平坦光谱。电光法布里-珀罗调制器EOFPI依据模拟调制电压，其同级次峰值透射波长线性变化，同时完成对加于调制器电极上的模拟信号电压采样。采样后的光脉冲信号的波长成为承载模拟信息的载体，通过分束镜或集成功率分配器，如Y分支波导或定向耦合分配器，分为两路。一路为信号支路，由光功率分配器DEMUX送到法布里-珀罗干涉仪编码阵列FPI，由于各阵列元腔长、腔镜反射率使(6)式和(9)式成立，阵列输出为近似格雷码光信号，由各个位的探测器DET转换成为电压信号送比较器CMP。另一路为参考支路，经可变衰减器ATT衰减，使送到与各个法布里-珀罗干涉仪阵列元FPI输出探测器性能完全相同的探测器上的光功率满足(8)式，转换为电信号，作为参考电压送入各个位的比较器。实际上，由于参考支路的光信号和信号支路的光信号由同一光束取得，在可变衰减器ATT上作的调整只是补偿信号支路分配、损耗等造成的光信号的衰减，因而一旦调整好，即成为固定的衰减。分束前所有因素，包括带通滤波器输出光谱的不平坦性、器件老化、耦合的偏移、光源功率的波动等，均反映在分束后的两个支路中，因而对误差的影响在比较时可得到较好的抵消。

附图4左下角给出了使用可调谐窄线宽锁模激光器直接代替锁模激光器LD、色散平坦光纤DFF、带通滤波器BPF及电光法布里-珀罗调制器EOFPI实现电压-波长线性转换的示意。在这种电压-波长线性转换中，波长转换元件直接置于激光器谐振腔内，而不是置于腔外作为电压调谐滤波器使用。这样，对波长的控制更为有效，因为不需转换的波长将在激光器中受到抑制，从而提高激光器增益介质中反转粒子的利用效率。图中的棱镜支路用于使在一定的波长范围内，谐振腔均满足谐振相位条件。

表1、主要参量数据

质子交换铌酸锂LiNbO3波导	宽度(μm)	4	有效折射率	2.2015	微波有效介电常数	17.85
							深度(μm)	2	线性电光系数×10-12m/V	30.8	损耗系数(dB/cm)	≤1
	电光法布里-珀罗调制器	腔长(μm)	114.96	功率反射率	0.9844	反射相移(rad)							1.57
法布里-珀罗干涉仪阵列							腔长(μm)	0位：2298.401位：1149.202位：574.603位：287.304位：143.65	功率反射率	0.2679	反射相移(rad)	1.57

附图5和附图6给出了铌酸锂LiNbO₃通道波导电光法布里-珀罗调制器电压-波长转换特性。本文所有计算均在质子交换铌酸锂LiNbO₃波导上完成，使用的波导参量数据列于表1。附图5为在一个自由光谱范围内，不同电压条件下的透射光谱。随电压增加，透射峰在波长轴上平移，谱线形状和极大值不变。附图6为峰值透射波长与调制电压的关系，随电压增加，峰值透射波长线性增长。

附图7给出了在不同信号电压下，入射到各位探测器上的功率谱，和经调整可变衰减器ATT满足(8)式时入射到参考支路探测器上的功率谱。为计算简便，这里假定带通滤波器BPF为理想的带通滤波器，其输出功率谱平坦。同图可见，参考支路探测器上的功率为一定值，其波长与各个位光信号波长一同变化。

附图8为不同信号电压时各个位探测器上所有波长光功率总和及参考支路探测器上所有波长光功率总和。经相同的6只探测器探测和比较量化得到图中5位数字信号。按照格雷码的变化规律，比较量化后信号实际上成为了格雷码。

3.器件性能和制作。

本发明提出的光谱编码模数转换器，影响模数转换速度的因素主要有两个，一是电极的调制带宽BW_e，二是法布里-珀罗干涉仪腔内光子寿命τ_ph。电极的调制带宽可由(10)式给出

${\mathrm{BW}}_e=\frac{1}{\mathrm{\π\ξ}{C}_0{L}_c}---\left(10\right)$

这里，ξ为调制电极所在电路回路的等效电阻，包括电极漏电阻，C₀L_c为调制电极所在电路回路的等效电容，包括分布寄生电容，忽略了电路等效电感。单位长度电极电容按(11)式计算

$C_0=2^{m-q}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ϵ}}_0{\left[\frac{K^{\′}\left(u\right)}{K\left(u\right)}\right]}^q---\left(11\right)$

其中，u＝[1+(2/m)(W/D)^q]^-1/m，K(u)为第一类完全椭圆积分， $K^{\′}\left(u\right)=K\left(\sqrt{1-u^2}\right).$ 对铌酸锂LiNbO₃衬底上对称双电极，m＝1，q＝1，微波有效介电常数ε_eff＝(1+ε_s)/2，ε_s＝(ε_‖ε_⊥)^1/2为衬底射频介电常数，ε_‖＝28，ε_⊥＝43，ε₀为真空介电常数。当共平面电极宽度W＝4μm，电极间隔D与波导宽度相同，D＝4μm，则u＝1/3，算得C₀＝2.78pF/cm。设调制电路等效电阻为ξ＝50Ω，电光法布里-珀罗调制器电极长度L_c＝114.96μm。则BW_e≈199.2GHz。

法布里-珀罗干涉仪腔内光子寿命由(12)式给出

$\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ph}}}=\frac{c}{N_{\mathrm{eff}}}(a_m+a_r)---\left(12\right)$

其中，c为真空光速，a_m为腔内总的模式损耗，a_r＝(1/L_c)ln(1/R)为腔镜输出损耗。对于质子交换铌酸锂LiNbO₃波导，N_eff＝2.2015，a_m≤1dB/cm，对R＝0.9844，L_c＝114.96μm，a_r＝1.37cm^-1，1/τ_ph≈21.78GHz。

由于实现电压-波长转换时，适当缩短电极长度使同样的波长增量所需电压增量增加，只要电压不超过铌酸锂LiNbO₃波导的击穿电压强度(≈10V/μm)，并且在模拟信号的最大电压范围(决定于前续电路输出电压摆幅)内，那么，可以通过缩短电极和法布里-珀罗干涉仪长度的方法增加电极带宽和减小腔内光子寿命，从而增加调制速度。或者以降低模拟信号电压水平为目的，适当增加调制电极和法布里-珀罗调制器长度，则损失一定的采样速率。另一方面，由(12)式可以算得编码法布里-珀罗干涉仪阵列最长的0位腔内的光子寿命决定的采样速率为1/τ_ph≈81.23GHz。当电光法布里-珀罗调制器电极较短时，制约模数转换速度的因素是各个法布里-珀罗干涉仪腔内的光子寿命。因而在(10)式、(12)式及模拟信号电压水平之间，应当找到一个折衷点，以达到更高的转换能力。

在器件的制作方面，通过波导退火和在富锂溶液中进行质子交换，可以对波导截面形状和波导表面折射率分别进行控制，得到单模的通道波导。为了形成法布里-珀罗腔，可以考虑用三种方法制作反射腔镜。一是用端面抛光的方法。由于腔长成倍变化，腔与腔之间的间距非常小，抛光后的器件呈阶梯状，采用微加工技术难于保证质量。二是采用解理端面镜的方法。这实际是在波导的截面开挖一定宽度的空气槽，其深度和长度大于波导的有效截面，通过在端面制作金属或介质反射镜的办法实现反射率的调整。这种方法往往有较大的散射损耗。三是利用折射率调制光栅形成对一定波长范围光信号平坦的反射函数。这与多层介质膜反射镜相似。通过求解波导中一阶折射率调调制光栅引起的模耦合方程，可求得满足相位匹配条件的波长附近较为平坦的光谱反射特性。

4.本发明的特点。

1)在进行量化之前直接在模拟信号领域进行并行的编码；2)将光学采样和光学编码分离开来，分别优化，可得到较小的器件尺寸，较多的转换位数和较高的转换速率。若以牺牲转换速率为代价，模拟信号电压可以降低到10V甚至5V以下，可以方便地用常见的集成电路驱动；3)将模拟信号电压线性地转换为不同的波长，信号支路和参考支路从同一光束分束取得，可以对光源功率波动、光谱不平坦性、器件老化等进行补偿。事实上，比较发生在分束以后信号支路和参考支路的传输特性之间，主要决定于各支路的散射损耗、光功率分配、衰减元件特性、探测、放大等因素，对分束前的绝对光功率波动的影响不敏感；4)器件可以方便地实现小型化和集成化。通过优化设计，在铌酸锂材料衬底上，超过5-bit，20GS/s以上的光谱编码模数转换器是可行的。

附图说明

图1：对不同的波长，透射光功率随有效折射率变化关系。实线：λ₁，点划线：λ₂，虚线：λ₃。随有效折射率的变化，透射光功率曲线在波长轴上平移，峰值和形状不变。

图2：峰值透射波长随有效折射率变化关系。

图3：在不同的A值时各个位的透射光功率谱。每一图形中，实线为从上到下分别A＝2，4，10，100，200时的情形，虚线为格雷码。

图4：5位光谱编码模数转换器的结构。为使图形清晰，将各个F-P腔画为同样大小。LD为锁模激光二极管，DFF为色散平坦光纤，BPF为带通滤波器，EOFPI为电光法布里-珀罗干涉仪调制器，DEMUX为光功率分配器，FPI为法布里-珀罗干涉仪阵列，DET为探测器阵列，CMP为比较器阵列，ATT为可变衰减器。

图5：质子交换铌酸锂通道波导法布里-珀罗干涉仪不同腔电压下透射光功率与入射波长的关系。不同电压下，透射曲线在波长轴上平移。

图6：质子交换铌酸锂通道波导法布里-珀罗干涉仪峰值透射波长随腔电压的变化关系。

图7：在不同信号电压下，入射到各位探测器上的功率谱，和经调整可变衰减器ATT满足(8)式时入射到参考支路探测器上的功率谱。(a)-(e)分别为0位至4位共五个比特探测器上的光功率，带点的实线为编码输出，带正号的虚线为参考光功率。为计算简便，这里假定带通滤波器BPF为理想的带通滤波器，其输出功率谱平坦。参考支路探测器上的功率为一定值，其波长与各个位光信号波长一同变化。

图8：不同信号电压时各个位探测器上所有波长光功率总和及参考支路探测器上所有波长光功率总和。经相同的6只探测器探测和比较量化得到图中5位数字信号。按照格雷码的变化规律，比较量化后信号实际上成为了格雷码。

Claims (6)

1.光谱编码模数转换器。其特征是：锁模激光器发出的高重复频率、低时间抖动的锁模激光脉冲射入色散平坦光纤利带通滤波器，获得在一定范围内光谱平坦的锁模采样光脉冲，经电光法布里-珀罗干涉仪调制器实现线性的模拟电压信号调谐波长滤波，然后分为两路，一路送入参考光路，经可变衰减器、探测器光电转换成为比较器参考信号；另一路送入功率分配器，分配到阵列元腔长按一定规律变化的法布里-珀罗干涉仪阵列，实现光谱编码输出，再经探测器光电转换成为待比较信号。比较器输出即为编码的数字信号，完成模数转换。

2.根据权利要求1所述的光谱编码模数转换器，其特征是：锁模激光器、色散平坦光纤、带通滤波器和电光法布里-珀罗干涉仪调制器可由线性电压调谐的窄线宽锁模激光器代替，其本质是将模拟电压信号-波长转换元件置于激光器谐振腔内，实现高效率的模拟电压信号-波长线性转换。

3.根据权利要求1所述的光谱编码模数转换器，其特征是：在进行量化之前直接在模拟信号领域进行并行的光学编码。

4.根据权利要求1所述的光谱编码模数转换器，其特征是：将光学采样和光学编码分离开来，分别优化，可得到较小的器件尺寸，较多的转换位数和较高的转换速率。若以牺牲转换速率为代价，模拟信号电压可以降低到10V甚至5V以下，可以方便地用常见的集成电路驱动。

5.根据权利要求1所述的光谱编码模数转换器，其特征是：将模拟电压信号线性地转换为不同的波长，待比较信号和参考信号从同一光束分束取得，可以对光源功率波动、光谱不平坦性、器件老化等进行补偿。事实上，比较发生在分束以后信号支路和参考支路的传输特性之间，主要决定于各支路的散射损耗、光功率分配、衰减元件特性、探测、放大等因素，对分束前的绝对光功率波动的影响不敏感。

6.根据权利要求1所述的光谱编码模数转换器，其特征是：器件可以方便地实现小型化和集成化。通过优化设计，在铌酸锂材料衬底上，超过5-bit，20GS/s以上的光谱编码模数转换器是可行的。

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