光子模數轉換關鍵技術及應用范文

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摘要：采用新型可飽和吸收體和鎖模機制，研制了低抖動高重頻寬光譜飛秒光纖激光器，并實現了高性能光采樣脈沖的產生．給出了時間－波長交織和時間拉伸光模數轉換系統架構；闡明了通道失配產生的原因及其校正方法；研究了光模數轉換在雷達和示波器等系統中應用的關鍵技術．實驗結果表明，利用光子學高速寬帶特點實現的光子模數轉換器，可有效克服電子瓶頸，實現高速寬帶信號的采樣．

關鍵詞：模數轉換；采樣率；帶寬；有效比特位雷達、電子對抗等

國防電子裝備和示波器等電子測量設備的發展趨勢是高速、寬帶化，其核心技術之一是模數轉換（Analog－to－DigitalConversion，ADC），在現有系統里通常由電ADC芯片來完成．20世紀90年代之后，微電子技術的發展極大提升了電ADC芯片的性能．至今，采樣時鐘抖動、比較器模糊等指標已開始接近物理極限，進一步提高采樣率和系統帶寬等性能的難度越來越大［1］．與電子學相比，光子學具有高速、寬帶的優勢，已在光纖通信領域得到很好的發揮．該優勢也能用來克服電子瓶頸，實現光子模數轉換（PhotonicADC，PADC）［2－3］．PADC的概念在20世紀70年代就已提出［4］．近年來，隨著應用需求的日益迫切，以及光子器件和波分復用（WDM）、時分復用（OTDM）等技術的日趨成熟，其研究工作倍受重視并取得了很大進展［5］．本文闡述課題組在PADC關鍵技術及其應用方面的研究進展．1PADC關鍵技術PADC的主要性能指標包括采樣率、采樣帶寬和量化精度．在實際電路中，由于噪聲以及器件有限帶寬、非線性引起的失真，真正能夠達到的量化精度會有所降低，通常用有效比特位（EffectiveNumberofBits，ENOB）來表示［1］，ENOB＝（SNDR－1．76）／6．02（1）式中：SNDR為系統的信納比（單位為dB），它除了受限于系統的噪聲（包括散彈噪聲、熱噪聲、光放大器的ASE噪聲等）和非線性，還受制于采樣時鐘的抖動．因此，如何產生高速、低抖動光采樣脈沖，是實現高性能PADC的基礎．

1．1用于產生高性能光采樣脈沖的飛秒光纖激光器被動鎖模光纖飛秒激光器具有極低的時間抖動，是產生高性能光采樣脈沖的理想光源．但它的重復頻率低，一般為0．1GHz量級，必須通過波分復用和時分復用等手段，才能形成數十甚至上百GHz的超高速光采樣脈沖。

1．2時間－波長交織和時間拉伸光采樣技術

PADC可采用光量化［11］和電量化兩種方案．由于光學材料的非線性效應比較弱，導致全光量化的精度不高，限制了其在寬帶雷達等系統中的應用．因此，為提高PADC精度，多數采用“光采樣＋電量化”的方案．光采樣過程是通過電光調制器，把被采樣的電信號幅度信息加載到光采樣脈沖上，也被稱為電光采樣．量化則包含光電探測和電ADC芯片兩個子單元．一般而言，采樣速率和帶寬易得到保證，關鍵是量化位數．采用時間－波長交織方式產生的光采樣脈沖，含有M個波長．以每個波長作為一個通道，可以將采樣后的高速脈沖序列分解為M個通道．這樣，每個通道的速率降低至原來的1／M，極大減輕了對電ADC芯片的帶寬和速率壓力［12］．通過后端數據融合處理，便可重構出完整的信號．時間－波長交織PADC的架構如圖2所示．在光采樣時鐘產生單元，考慮到光纖和波分復用、時分復用等器件存在雙折射效應且插入損耗各異，采用了旋轉角為45°的法拉第反射鏡（FRM）和可調光衰減器（VOA）來消除雙折射效應和幅度不一致性．另一種方案是采用時間拉伸（TimeStretch）技術，亦可減輕后端電路的壓力．時間拉伸實際上是一種時域－頻域變換：高速脈沖經過具有色散的光纖后，脈沖寬度在時域上被展寬，而其譜寬在頻域上被壓縮［13］．它的具體實現方式是分別在光電調制器的前后加上兩段色散光纖，如果它們的色散量分別為D1和D2。

1．3通道失配的校正

在時間－波長交織的PADC中，由于工藝和技術等的限制，各通道難以做到完全匹配，即存在通道失配．與時間交織電ADC類似，PADC中的通道失配也主要包含增益失配、偏置失配和時間失配。

2PADC系統應用的關鍵技術

PADC所具有的高速寬帶特點，使其在通信、電子測量和國防等領域具有廣泛的應用前景．當然，作為一項新技術，還有不少問題需要進一步研究，予以完善．下面以雷達和示波器為例，闡述PADC在寬帶和超高速系統應用中的一些關鍵技術．

2．1在寬帶系統中的應用

傳統雷達在信號發和收的過程中需要上下變頻，因此難以實現多頻段、大帶寬的靈活調諧．PADC可實現大瞬時帶寬回波信號的直接采樣，加上基于光子學的射頻信號產生方法，可使雷達的架構和性能產生革命性變化，這就是倍受矚目的微波光子雷達［21］．從目前報道來看，系統的瞬時帶寬和距離分辨率還不高．對此，我們采用高重復頻率的鎖模激光器，提出一種新的微波光子雷達架構，如圖4所示，并實驗演示了Ka波段下8GHz瞬時帶寬信號的收發［22］，此外，針對PADC在寬帶雷達信號接收中的系統失配問題進行了研究，通過多參數失配補償算法來提升系統性能［23］．我們還提出了一種基于時間拉伸PADC的寬帶雷達系統架構，如圖5所示［24］．圖中：DE為色散單元；OC為耦合器；TOF為可調濾波器；VODL為可調延遲線；PD為光電探測器；EOM為強度調制器．多波段（可覆蓋X、Ku、Ka波段）、帶寬可調的發射信號也是基于光纖色散效應產生的［25］．待采樣的回波信號調制到寬帶光脈沖上，利用時間拉伸效應壓縮其帶寬、降低中心頻率．拉伸倍數越大，壓縮后信號的中心頻率越小，帶寬越窄．這樣，后端采樣量化處理的壓力即可大大減小．值得指出的是，時間拉伸不會丟失信號的有用成分．通過后端數據處理，可還原拉伸前寬帶信號所攜帶的目標信息，從而能保證雷達的距離分辨力．與Bogoni教授課題組研制的全光雷達［21］相比，我們將X波段的瞬時帶寬提高到4GHz，通過時間拉伸效應大幅降低了雷達接收機后端量化處理的帶寬和速率壓力［26］．由于實際目標的位置信息其實是無法預先知曉的，故希望時間拉伸PADC的接收系統具有靈活的接收窗口調節能力．可以利用可調光濾波器中心波長選擇特性，通過合理設計光脈沖寬度，分時調節其中心波長，來實現對探測范圍內無盲區的接收［27］．

2．2在超高速系統中的應用

時間拉伸PADC的主要優點是能夠實現超高的采樣率和超大的模擬帶寬．由于受系統色散等因素的限制，ENOB一般不是很高，故特別適用于超高速示波器等對采樣率要求很高、對ENOB要求不高的系統．為實現連續信號的采樣，被拉伸后的采樣脈沖必須是連續的．可以通過時間－波長交織的方法來實現，如圖6所示．圖中：DCF為色散光纖；EDFA為摻鉺光纖放大器；EOM為電光調制器；PC為偏振控制器；OSC為示波器．后端將多通道信號在數字域拼接在一起，便可獲得連續時間信號［28］.為了減小色散光纖的插入損耗，可采用啁啾光纖光柵（CFBG）．CFBG具有更小體積，能提供更大色散，且具有更高的非線性閾值，因此能夠實現系統小型化并提高系統所允許的最大光功率．然而，由于CFBG的制作工藝等問題，會帶來較大的通道間增益、時間、偏置失配，從而影響系統的性能．連續模式下通道間失配與數據重構問題，還需要進一步研究．

3結語

本文系統闡述了時間－波長交織PADC和時間拉伸PADC系統原理，對高性能時鐘產生、大動態采樣和通道失配校正等關鍵技術問題及其解決方法進行了深入探索，給出了理論分析和實驗研究結果．針對雷達等寬帶系統和示波器等超高速系統的應用需求，給出了示范性框架結構和針對關鍵技術的解決思路．PADC融合了光子學和電子學的優勢，是數字化信息處理、傳輸和應用系統的核心技術．目前，基于分立的光電子器件，已經驗證了它所具有的優勢，并開展了示范性應用．今后的發展趨勢是集成化，使其能像電ADC芯片那樣，大幅減小尺寸、降低功耗，進而得到廣泛應用，推動信息化技術向更高速度、更大帶寬、更高精度的方向發展．

作者：陳建平，鄒衛文，吳龜靈，吳侃 單位：上海交通大學