[发明专利]一种基于偏振调制的光学模数转换器

说明书

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及光电信号处理技术，具体涉及基于磁光效应对光波偏振态进行调制，实现信号模数转换的光学模数转换器。

背景技术

从计算机、通信、传感到信息存储与显示，从电、磁到声、光乃至生命科学，几乎所有技术领域都与数字化技术息息相关，其发展水平的高低、应用范围的大小对人们的生活、生产以及科学研究有着十分密切影响，它已成为国家综合国力强弱的主要标志之一。通常，自然界的信号是以连续形式存在的(即模拟信号)，为便于信号的存储、处理和传输，须将模拟信号转换成数字信号，其核心器件是以二进制技术为基础的模数转换器(ADC，Analog-to-digital convertor)，它是将模拟世界同数字世界联系起来的不可替代的桥梁和纽带。

ADC的采样速率与有效位数是衡量ADC性能的关键技术指标。随着科学技术的发展，数字系统对ADC的性能提出了越来越高的要求，既高(精度)又快(采样)成为人们对ADC发展的期望。目前，实现ADC的方法主要有基于电子技术和光学技术两种。对于电子ADC，其设计、制作和封装是建立在以硅材料为基础的微电子工艺技术上的，目前已相当成熟，但是高采样速率和高转换精度不可同时兼得，当采样速率增加一倍，其有效位数就减少一位(R.H.Walden，Analog-to-digital converter survey and analysis，IEEE.J.Select.Areas Commun.，Vol.17，1999：539-549)，例如，目前有效位数为4位的电子ADC的最高采样速率8Gs/s，而12位的电子ADC采样速率仅为100Ms/s。若进一步提高电子ADC性能指标，则将会遇到很大障碍，这是由于其内部载流子迁移速率与导线尺度限制而存在物理极限，以及比较器的固有不确定性，因而电子ADC的发展空间十分有限。由于电子ADC的发展面临固有困难，人们开始探索新的途径来实现模数转换过程。

相对电子ADC，光学ADC在速度上具有很大优势，它是实现高速信号数字化的最具潜力的方法和途径，同时也是目前国际上的研究热点之一。随着下一代光通信网络技术以及光计算的发展，也迫切需要更高性能的ADC以解决高速、并行的数字光学信息处理，它在微波信号处理、网络交换、同步以及逻辑运算等方面都将发挥重要作用。

近30年来，人们在光学ADC方面做了很多研究工作，提出了许多实现光学模数转换的方法与途径，归纳起来，主要可分成以下几类：

1)相位调制方法1975年美国洛克维尔国际科学中心的Taylor采用马赫-曾德尔干涉仪，提出相位调制的电光ADC的方案，理论结果为1GS/s@6bits(Henry F.Taylor，An opticalanalog-to-digital converter-design and analysis，IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.QE-15，No.4，1975)。1982年马萨诸塞州技术研究院林肯实验室R.A.Becker等基于Taylor方案搭建了2bits的实验系统，得到1GS/s@2bits的实验结果。1995年加州大学电子工程系B.Jalali和Y.M.Xie报导了一种光浮点式相位编码光采样方案。2000年华盛顿海军研究实验室MarcCurrie提出单路串行相位调制与多点检测方案。这些方案的共同点是：信号电压调制光波相位，即相位调制，其优点是：可采用光波导集成元件来直接实现，它有利于系统小型化、集成化；与电子ADC比较，其电子比较器相对较少；采样信号可用连续波光源或高重频的脉冲光源，且不需要定时同步。但缺点是：调制电极长度随位数增加而指数增长，以致其渡越时间急剧增加，从而导致其采样速率降低，有效位数与采样速率是相互制约的，这是影响ADC性能提高的关键因素。2003年，电子科技大学申请了中国发明专利“一种集成光学M-Z结构模数转换器(ZL200310104119.5)”，该专利是在泰勒(Taylor)方案的基础上进行了改进，使每一路的M-Z干涉仪调制电极长度相同，但相邻调制电极上输入调制信号成2倍关系，这使得最低位与最高位的信号电压成2^N倍数关系。这种设计一定程度上缓解了采样速率与有效位数的矛盾冲突，但是对于高位来说，其调制信号电压很高，容易产生击穿，因而易损坏其相应M-Z干涉仪调制单元。