[发明专利]相位调制型的光学模/数转换器

说明书

技术领域

属于电子信息学科，微波光子学领域，高频模拟信号处理范畴。

技术背景

模/数转换器(Analog-to-digital converter，ADC)，是对模拟信号进行采样和量化编码；以实现将模拟信号转换为数字信号作后续的传输或者数字处理。由于数字信号在传输性、抗干扰、保密性和处理速度等性能上比模拟信号，具有明显优势。因此数字系统，以及数字信号处理技术得到高速发展。而作为将自然界中或人为的各种模拟信号转变为数字信号的关键器件，模/数转化器的研究和发展异常重要。

随着技术发展，待数字化的模拟信号带宽逐渐增加，覆盖范围已从吉赫兹增至太赫兹波段，并且数字信号处理的速度同时也飞速发展。但电子模/数转换技术因电脉冲采样速率、脉冲间隔时间精度、响应带宽和有效量化比特位等方面受电路物理特性的限制，无法满足在实际中高速宽带模拟信号的模/数转换需求。如民用方面，超宽带技术(Ultra-wide BandwidthOperation)通信、软件无线电技术(Software Radio)，医疗成像和电子测量仪器等的需求；军事领域的相控阵雷达中对反射回信号电磁波的接受处理，太赫兹技术中太赫兹波的接收、卫星监控中的通讯等需求。此外电子设备又易受电磁干扰，系统发展越复杂，信号串扰恶化也随之加重，系统稳定性下降。相比之下，光学模/数转换技术依托成熟的光子技术和光纤光学技术可以突破电子模/数转换器在其采样速率和工作带宽上的瓶颈，提高抵御电磁干扰能力，可满足实际应用需求。

光学模/数转换技术最早由H.Taylor在上世纪七十年代提出(参考文献H.Taylor，“Anoptical analog-to-digital converter-Design and analysis，”IEEE J.Quantum Electron.vol.15，no.4，pp.210-216，Apr.1979)，后经约三十年的基础技术发展现在已经成为国际研究的热点，其中较为成熟可行的方案大致有如下几种：

(1)解复用型ADC。解复用型又分时域解复用和频域解复用。前者用单色锁模激光脉冲串通过电光调制器来采样加载其上的模拟信号。得到的采样脉冲以一定数目，N个脉冲串为周期，分到N路光电探测器和电模/数转换器阵列上。每一周期的第n个脉冲，进入到第n路上；后者则以N个不同频率脉冲光为一周期进行采样，得到的脉冲经过阵列波导光栅(ArrayWaveguide Grating，AWG)后再分为N路作为N路光电探测器和电模/数转换器阵列的输入。而原始脉冲里第i个频率的脉冲就进入第i路。这种方法，实际中每个电模/数转换器工作在整个系统有效采样率的N分之一，却保证了高速稳定的采样率，又可以获得高量化比特位，并且理论上有效的工作带宽是每个电模/数转换器的N倍。但最大的缺陷是解复用后的N路的时间，信号损耗等方面的均衡管理比较复杂。

(2)时域展宽型ADC。利用电光调制器将模拟信号强度调制到一串中心频率线性增或减的光脉冲串上，则脉冲串包络与模拟信号强度一致。再用线性色散材料将该包络展宽L倍，用工作速率是有效采样率L分之一的电模/数转换器进行量化。该方案最大优点是可以获得极高的有效采样率，观测记录极短时间内的瞬态信号，但对连续信号的捕获和实时工作尚在研究和发展中。