TWI669914B - 高速類比對數位轉換器 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種高速類比對數位轉換器，其可產生表示一類比輸入電氣信號之一數位信號。一光學振幅調變器可使用該類比輸入電氣信號調變一輸入光學脈衝列。一光學分光器可將該調變光學脈衝列分裂成多個調變光學脈衝列。光學路徑延遲可使該等調變光學脈衝列在時間上錯開，以形成多個時間錯開的調變光學脈衝列。解調器可偵測且濾波該等時間錯開的調變光學脈衝列，以形成各別多個時間平均電壓。類比對數位轉換器可輸出表示該等各別時間平均電壓之各別多個數位時間序列。一交錯器可聚集該多個數位時間序列，以形成該數位信號，該數位信號具有大於該輸入光學脈衝列之一重複率的一取樣率。

Description

高速類比對數位轉換器

發明領域

本發明係關於一種高速類比對數位轉換器。

發明背景

隨著通訊系統隨時間演進，數位資料速率趨於增大。因此，存在進行中之努力以改良類比對數位轉換器之速度及準確性。

依據本發明之一實施例，係特地提出一種高速類比對數位轉換器，其包含：一光學振幅調變器，其經組配以使用一類比輸入電氣信號調變一輸入光學脈衝列，以產生一第一調變光學脈衝列；一光學分光器，其經組配以將該第一調變光學脈衝列分裂成多個調變光學脈衝列；多個光學路徑延遲，其經組配以使該等調變光學脈衝列在時間上錯開，以形成多個時間錯開的調變光學脈衝列；多個解調器，其經組配以偵測且濾波該等時間錯開的調變光學脈衝列，以形成各別多個時間平均電壓；多個類比對數 位轉換器，其經組配以輸出表示該各別多個時間平均電壓的各別多個數位時間序列；以及一交錯器，其經組配以聚集該等數位時間序列，以形成表示該類比輸入電氣信號之一數位信號，該數位信號具有大於該輸入光學脈衝列之一重複率的一取樣率。

100‧‧‧高速類比對數位轉換器

102‧‧‧數位信號

104‧‧‧類比輸入電氣信號

106‧‧‧輸入光學脈衝列

108‧‧‧光束分光器

110‧‧‧光學振幅調變器

112‧‧‧第一調變光學脈衝列

114‧‧‧光學放大器

116‧‧‧光學分光器

118‧‧‧調變光學脈衝列

120‧‧‧光學路徑延遲

122‧‧‧時間錯開的調變光學脈衝列

124‧‧‧偵測器

126‧‧‧時間錯開的調變電壓脈衝列

128‧‧‧低通濾波器

130‧‧‧時間平均電壓

132‧‧‧解調器

134‧‧‧類比對數位轉換器

136‧‧‧數位時間序列

138‧‧‧交錯器

140‧‧‧時脈光學脈衝列

142‧‧‧光學帶通濾波器

144‧‧‧光偵測器

146‧‧‧時脈電脈衝

148‧‧‧電濾波器

150‧‧‧時序基準

200‧‧‧方法

202、204、206、208、210‧‧‧操作

圖1展示根據一些實例的高速類比對數位轉換器之實例的方塊圖。

圖2展示根據一些實例的用於產生表示類比輸入電氣信號之數位信號之方法的流程圖。

貫穿若干視圖，對應的元件符號指示對應的部件。圖式中之元件未必按比例繪製。展示於圖式中之組態僅為實例，且不應被解釋為以任何方式限制本發明之範疇。

較佳實施例之詳細說明

光學頻率梳為可包括在時間上相等地間隔開的一系列週期性脈衝之光學信號，其可被稱為光學脈衝列。光學頻率梳之頻譜可包括在頻率上相等地間隔開的多個尖峰(例如，相對尖的波峰或德耳塔函數)。一般而言，頻率之數目愈高，脈衝愈短。另外，頻率之間的間距愈寬，脈衝重複率愈高。

來自光學頻率梳之光學脈衝列可在需要相對精確時序之光學應用(諸如類比對數位轉換器)中使用。 在下文所更詳細地描述的類比對數位轉換器之一些實例中，光學脈衝列可提供可起兩種功能作用的脈衝。第一，脈衝可提供時序信號，其可觸發光學或電元件執行特定任務。舉例而言，光學脈衝可形成為時脈信號，其前邊緣(或後邊緣)可用以觸發比較器。第二，脈衝可有效地取樣類比波形，意圖產生可表示類比波形之數位信號。舉例而言，對於每一樣本，類比對數位轉換器可在匹配光學脈衝列中之一脈衝之持續時間的持續時間內取樣類比波形。

美國專利第8,787,767號提供適合用於下文所詳細描述的類比對數位轉換器中之光學頻率梳的實例。美國專利第8,787,767號之標的特此以全文引用之方式併入本文中。美國專利第8,787,767號中所描述之光學頻率梳僅為光學頻率梳之一個實例；亦可使用其他合適的光學頻率梳。在一些實例中，光學頻率梳可為克爾梳(Kerr comb)。

圖1展示根據一些實例的用於產生表示類比輸入電氣信號104之數位信號102的高速類比對數位轉換器100之實例的方塊圖。圖1展示高速類比對數位轉換器100之僅一個組態；亦可使用其他合適組態。

輸入光學脈衝列106可由如上所述之光學頻率梳或由另一合適機制提供。在輸入光學脈衝列106中，脈衝之形狀及大小在脈衝間可一致，且在時間上以恆定重複率均勻間隔開。在一些實例中，類比對數位轉換器100可被視為高速的，此係因為類比對數位轉換器100之取樣 率可高於輸入光學脈衝列106之重複率，倍數為兩倍、三倍或更高。

在一些實例中，光束分光器108可自輸入光學脈衝列106分裂時脈光學脈衝列140。在一些實例中，時脈光學脈衝列140與輸入光學脈衝列106具有相同的脈衝重複率。在下文詳細地論述時脈光學脈衝列140及其在形成時序基準150中之使用。

光學振幅調變器110可使用類比輸入電氣信號104調變輸入光學脈衝列106，以產生第一調變光學脈衝列112。在一些實例中，光學振幅調變器110為馬赫-陳德干涉計，其經組配以使得類比輸入電氣信號104可操作地調變馬赫-陳德干涉計的一個臂。亦可使用其他合適調變器。

在第一調變光學脈衝列112中，脈衝振幅或量值在脈衝間可改變，其方式匹配類比輸入電氣信號104之時間演進振幅或量值。第一調變光學脈衝列112之重複率可匹配輸入光學脈衝列106之重複率。

在一些實例中，光學放大器114可放大第一調變光學脈衝列112。在一些實例中，光學放大器114可為半導體光學放大器，其可使電流通過半導體增益介質以放大通過光學放大器114之光。光學放大器114可具有大於可比較完全電放大器之頻寬，此可為有利的。亦可使用其他合適放大器。

光學分光器116可將第一調變光學脈衝列 112分裂成多個調變光學脈衝列118。在一些實例中，光學分光器116可將第一調變光學脈衝列112分裂成n個調變光學脈衝列118，其中n為大於或等於二之整數。n個調變光學脈衝列118可在下游交錯，此可使類比對數位轉換器100之取樣率升高，達到輸入光學脈衝列106之重複率的n倍。在一些實例中，在光學分光器116之典型製造公差內，調變光學脈衝列118彼此相同。調變光學脈衝列118在脈衝間全部具有彼此相同的脈衝振幅之變化，且在脈衝間彼此同相(例如，彼此同步)。

多個光學路徑延遲120可使多個調變光學脈衝列118在時間上錯開，以形成多個時間錯開的調變光學脈衝列122。在一些實例中，多個光學路徑延遲120可將各別時間延遲施加至多個調變光學脈衝列118。在一些實例中，該等時間延遲可彼此不同。在一些實例中，該等時間延遲可相等地隔開。在一些實例中，該等時間延遲之間的間距可等於輸入光學脈衝列106之連續脈衝之間的一時間間隔除以n。舉例而言，若360度表示輸入光學脈衝列106之連續脈衝之間的時間間隔，且多個時間錯開的調變光學脈衝列122中有十六個時間錯開的調變光學脈衝列，則時間延遲可藉由對應於360度除以十六或22.5度的時間間隔隔開。此僅為一個數值實例；亦可使用其他值。

多個偵測器124可將時間錯開的調變光學脈衝列122轉換成各別時間錯開的調變電壓脈衝列126。在一些實例中，偵測器124可將時間錯開的調變光學脈衝列 122轉換成各別時間錯開的調變電流脈衝列。在一些實例中，偵測器124可為光電二極體，其可將光轉換成電流。亦可使用其他合適偵測器124。在一些實例中，多個偵測器124彼此完全相同(或與使用典型製造公差實踐的一樣接近)。在一些實例中，多個偵測器124可包括n個，，其中n為大於或等於二之整數，其表示多個調變光學脈衝列118中之調變光學脈衝列118的數目。

多個低通濾波器128可對各別多個時間錯開的調變電壓脈衝列122或時間錯開的調變電流脈衝列進行時間平均，以形成各別多個時間平均電壓130或時間平均電流。在一些實例中，每一低通濾波器128可使其截止頻率與來自輸入光學脈衝列106之脈衝重複率相當，使得低通濾波器可對輸入光學脈衝列106之單一脈衝執行其平均(例如，一脈衝的上升邊緣與下一脈衝的上升邊緣之間的時間間隔)，而不會顯著影響脈衝間的輸出。

每一偵測器124及對應低通濾波器128在一起可被視為解調器132。類比對數位轉換器100可因此包括多個解調器132，該多個解調器可偵測且濾波器多個時間錯開的調變光學脈衝列122，以形成各別多個時間平均電壓130。

多個類比對數位轉換器134可輸出表示各別多個時間平均電壓130的各別多個數位時間序列136。在一些實例中，一個、多於一個或全部多個類比對數位轉換器134可為快閃轉換器，其可為數位時間序列136輸出提 供相對高的取樣速率。在一些實例中，類比對數位轉換器134可以無延遲鎖定迴路之開環方式操作，此取決於用於同步之光學頻率梳的精確度。

在一些實例中，多個類比對數位轉換器134可使用自輸入光學脈衝列106導出之單一時序基準150同時觸發。

在一些實例中，時序基準150可為週期性電氣信號，諸如對應於輸入光學脈衝列106之脈衝信號，包括對應於輸入光學脈衝列106之重複率之基本頻率及一或多個額外諧波的週期性信號，或具有對應於輸入光學脈衝列106之脈衝重複率之頻率的單頻信號。在一些實例中，類比對數位轉換器134可利用時序基準150的前緣或後緣中之一者的零交叉同步地觸發。

關於時序基準150，光束分光器108可自輸入光學脈衝列106分裂時脈光學脈衝列140。一系列光學及電組件可調節時脈光學脈衝列140，以形成時序基準150。在一些實例中，光學帶通濾波器142可自時脈光學脈衝列140移除至少一個頻率。在一些實例中，光偵測器144可將時脈光學脈衝列140轉換為時脈電氣脈衝列146。在一些實例中，電濾波器148可將時脈電氣脈衝列146轉換為時序基準150。在一些實例中，電濾波器148可為一帶通濾波器或一低通濾波器中之一者。時序基準150可具有對應於脈衝重複率之至少一個頻率。

交錯器138可聚集多個數位時間序列136， 以形成表示類比輸入電氣信號104之數位信號102。數位信號102可具有大於輸入光學脈衝列106之重複率之取樣速率。以此方式交錯n個多個數位時間序列136可使數位信號102之取樣率經由每一個別類比對數位轉換器134增大至n倍。對於需要極高取樣速率之應用，其中類比對數位轉換器134可如實際上一樣快，圖1之組態可另外使取樣速率增大至n倍。

圖2展示根據一些實例的用於產生表示類比輸入電氣信號104之數位信號102之方法200的流程圖。該方法可藉由諸如100(圖1)之高速類比對數位轉換器執行。圖2之方法200僅為用於產生表示類比輸入電氣信號104之數位信號102之方法的一個實例；亦可使用其他合適方法。

在操作202處，高速類比對數位轉換器可使用該類比輸入電氣信號調變一輸入光學脈衝列，以產生一第一調變光學脈衝列。

在操作204處，高速類比對數位轉換器可將該第一調變光學脈衝列分裂成多個調變光學脈衝列。

在操作206處，高速類比對數位轉換器可使該多個調變光學脈衝列在時間上錯開。

在操作208處，高速類比對數位轉換器可偵測且濾波時間錯開的該多個調變光學脈衝列，以形成各別多個時間平均電壓。

在操作210處，高速類比對數位轉換器可數 位化該多個時間平均電壓，以形成各別多個數位時間序列。在一些實例中，數位化該多個時間平均電壓可包括使用自該輸入光學脈衝列導出之一單一時序基準同時觸發多個類比對數位轉換器。

在操作212處，高速類比對數位轉換器可聚集該多個數位時間序列，以形成表示該類比輸入電氣信號之該數位信號。

儘管已將本發明描述為具有實例設計，但可在本發明之精神及範疇內進一步修改本發明。因此，本申請案意欲涵蓋使用本發明之一般原理對其所進行的任何變化、使用或調適。此外，本申請案意欲涵蓋如在本發明涉及之領域的已知或習用實踐內及在所附申請專利範圍之限制內針對本發明的此等偏離。

Claims (20)

1. 一種高速類比對數位轉換器，其包含：一光學振幅調變器，其經組配以使用一類比輸入電氣信號來調變一輸入光學脈衝列，以產生一第一調變光學脈衝列；一光學分光器，其經組配以將該第一調變光學脈衝列分裂成多個調變光學脈衝列；多個光學路徑延遲，其經組配以使該等調變光學脈衝列在時間上錯開，以形成多個時間錯開的調變光學脈衝列；多個解調器，其經組配以偵測且濾波該等時間錯開的調變光學脈衝列，以形成各別多個時間平均電壓；多個類比對數位轉換器，其經組配以輸出表示該各別多個時間平均電壓的各別多個數位時間序列；以及一交錯器，其經組配以聚集該等數位時間序列，以形成表示該類比輸入電氣信號之一數位信號，該數位信號具有大於該輸入光學脈衝列之一重複率的一取樣率。
2. 如請求項1之高速類比對數位轉換器，其中該等類比對數位轉換器經組配以使用自該輸入光學脈衝列所導出之一單一時序基準來同時地觸發。
3. 如請求項2之高速類比對數位轉換器，其進一步包含一光束分光器，該光束分光器經組配以自該輸入光學脈衝列分裂一時脈光學脈衝列，其中該輸入光學脈衝列具有一脈衝重複率且該時脈光學脈衝列具有該脈衝重 複率。
4. 如請求項3之高速類比對數位轉換器，其進一步包含一光偵測器，該光偵測器經組配以將該時脈光學脈衝列轉換為一時脈電氣脈衝列。
5. 如請求項4之高速類比對數位轉換器，其進一步包含一電濾波器，該電濾波器經組配以將該時脈電氣脈衝列轉換為該時序基準，該時序基準具有對應於該脈衝重複率之至少一個頻率。
6. 如請求項5之高速類比對數位轉換器，其中該電濾波器為一帶通濾波器或一低通濾波器中之一者。
7. 如請求項6之高速類比對數位轉換器，其中該時序基準具有對應於該脈衝重複率之一單一頻率。
8. 如請求項7之高速類比對數位轉換器，其中該等類比對數位轉換器經組配以利用該時序基準來同時地觸發。
9. 如請求項3之高速類比對數位轉換器，其進一步包含一光學帶通濾波器，該光學帶通濾波器經組配以自該時脈光學脈衝列移除至少一個頻率。
10. 如請求項1之高速類比對數位轉換器，其中該等光學路徑延遲經組配以將各別時間延遲施加至該等調變光學脈衝列，該等時間延遲彼此不同。
11. 如請求項10之高速類比對數位轉換器，其中該等時間延遲相等地隔開。
12. 如請求項11之高速類比對數位轉換器， 其中該等時間延遲以一間距隔開，該間距等於該輸入光學脈衝列之連續脈衝之間的一時間間隔除以該等多個時間錯開的調變光學脈衝列中之時間錯開的調變光學脈衝列之一數目。
13. 如請求項1之高速類比對數位轉換器，其中該等多個解調器中之每一解調器包括：一偵測器，其經組配以將該各別時間錯開的調變光學脈衝列轉換成一各別時間錯開的調變電壓脈衝列；以及一低通濾波器，其經組配以對該各別時間錯開的調變電壓脈衝列進行時間平均，以形成各別時間平均電壓。
14. 如請求項1之高速類比對數位轉換器，其進一步包含一光學放大器，該光學放大器經組配以放大該第一調變光學脈衝列。
15. 如請求項1之高速類比對數位轉換器，其中該等多個類比對數位轉換器中之每一者為一快閃轉換器。
16. 如請求項1之高速類比對數位轉換器，其中該光學振幅調變器包括一馬赫-陳德干涉儀，該馬赫-陳德干涉儀經組配使得該類比輸入電氣信號可操作地調變該馬赫-陳德干涉儀的一個臂。
17. 一種用於產生表示一類比輸入電氣信號之一數位信號的方法，該方法包含：使用該類比輸入電氣信號來調變一輸入光學脈衝列，以產生一第一調變光學脈衝列； 將該第一調變光學脈衝列分裂成多個調變光學脈衝列；使該等多個調變光學脈衝列在時間上錯開；偵測且濾波時間錯開的該等多個調變光學脈衝列，以形成各別多個時間平均電壓；數位化該等多個時間平均電壓，以形成各別多個數位時間序列；以及聚集該等多個數位時間序列，以形成表示該類比輸入電氣信號之該數位信號，該數位信號具有大於該輸入光學脈衝列之一重複率的一取樣率。
18. 如請求項17之方法，其中數位化該等多個時間平均電壓包含使用自該輸入光學脈衝列所導出之一單一時序基準來同時地觸發多個類比對數位轉換器。
19. 一種高速類比對數位轉換器，其包含：一光學振幅調變器，其經組配以使用一類比輸入電氣信號來調變一輸入光學脈衝列，以產生一第一調變光學脈衝列，該光學振幅調變器包括一馬赫-陳德干涉儀，該馬赫-陳德干涉儀經組配使得該類比輸入電氣信號可操作地調變該馬赫-陳德干涉儀的一個臂；一光學分光器，其經組配以將該第一調變光學脈衝列分裂成多個調變光學脈衝列；多個光學路徑延遲，其經組配以使該等多個調變光學脈衝列在時間上錯開，以形成多個時間錯開的調變光學脈衝列，該等多個光學路徑延遲經進一步組配以將各別時間 延遲施加至該等多個調變光學脈衝列，該等時間延遲以一間距隔開，該間距等於該輸入光學脈衝列之連續脈衝之間的一時間間隔除以該等多個時間錯開的調變光學脈衝列中之時間錯開的調變光學脈衝列之一數目；多個解調器，其經組配以偵測且濾波該等多個時間錯開的調變光學脈衝列，以形成各別多個時間平均電壓；多個類比對數位轉換器，其經組配以輸出表示該各別多個時間平均電壓的各別多個數位時間序列，該等多個類比對數位轉換器經進一步組配以使用自該輸入光學脈衝列所導出之一單一時序基準來同時地觸發；以及一交錯器，其經組配以聚集該等多個數位時間序列，以形成表示該類比輸入電氣信號之一數位信號，該數位信號具有大於該輸入光學脈衝列之一重複率的一取樣率。
20. 如請求項19之高速類比對數位轉換器，其進一步包含：一光束分光器，其經組配以自該輸入光學脈衝列分裂一時脈光學脈衝列，其中該輸入光學脈衝列具有一脈衝重複率且該時脈光學脈衝列具有該脈衝重複率；一光偵測器，其經組配以將該時脈光學脈衝列轉換為一時脈電氣脈衝列；以及一電濾波器，其經組配以將該時脈電氣脈衝列轉換為該時序基準，該時序基準具有對應於該脈衝重複率之至少一個頻率。