（光学工程专业论文）提高微波信号光学模数转换器转换精度的技术研究.pdf

，。、j 、： ； 、- i 独创性声明 f i i iijit i tii il it lli t y 1714 0 81 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：圉连叠一 日期：沙p 年月 7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：同吒葡 导师签名：d o 够 日期：九卜年月j 日 t 、 、j 一 摘要 摘要 本论文首先从电子模数转换器的原理、发展状况引出电光模数转换器，阐述 了电光模数转换器的优势及意义，简要介绍电光模数转换器的四种基本技术：光 时分复用、光波分复用、光脉冲时域展宽及基于相位编码的电光模数转换器的基 本原理，从以上四个方向总结了电光模数转换器的发展过程及趋势。 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ec o n c e p to ft h ee l e c t r o o p t i c a la n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) w a sd e s c r i b e db yf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dt h ep r o g r e s so ft h ee l e c t r o n i ca d c t h ea d v a n t a g e so ft h ee l e c t r o - o p t i c a la d cw e r ea l s oi n t r o d u c e d a sw e l l 舔t h e s i g n i f i c a n c e sa n dt h ep r o s p e c t so ft h ee l e c t r o - o p t i c a la d c f o u rm a i nt e c h n i q u e sf o r r e a l i z i n ge l e c t r o - o p t i ca d c sw e r eb r i e f l yd i s c u s s e di nt h i st h e s i s ，e g ，p h a s e e n c o d e d o p t i c a ls a m p l i n gb a s e dt e c h n i q u e ，o t d m ( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) b a s e d t e c h n i q u e ，o w d m ( o p t i c a lw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) b a s e dt e c h n i q u e ，a n d p h o t o n i ct i m es t r e t c h e db a s e dt e c h n i q u e a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h e s ef o u r t e c h n i q u e s ，w es u m m a r i z et h ep r o c e s s e sa n dt h ed e v e l o p i n gt r e n d so ft h ee l e c t r o o p t i c a d c i nt h i st h e s i s ，t h e p h a s e - e n c o d e do p t i c a ls a m p l i n gb a s e de l e c t r o - o p t i ca d c t e c h n i q u ew a si n v e s t i g a t e d t h e nan o v e lt e c h n i q u et h a tw a sc a p a b l eo fr e a l i z i n g h i g h - p r e c i s i o na d c ，b yc a s c a d i n gm a c h - z e h n d e rm o d u l a t o r sw a sp r o p o s e d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s w a sc a r r i e do u t ，a n dt h ef u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e e l e c t r o - o p t i ca d c w e r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h en e ws c h e m ew a sc o m p a r e dw i t ht h e c l a s s i ce l e c t r o - o p t i ca d cs c h e m e ，t a y l o r ss c h e m e ，i nt e r m so fm o d u l a t i o nf r e q u e n c y a n db a n d w i d t h ，a n ds u m m a r i z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h eb o t hs c h e m e s i no r d e rt ob u i l du paf i v eb i te l e c t r o o p t i c a la d c ，ac a s c a d e d ，d o u b l i n gv o l t a g e a n do t d ms c h e m e sw e r ed e s i g n e d t h ef u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s es c h e m e s ，a s w e l la st h ea d v a n t a g e sa n df e a s i b i l i t i e sw e r ea n a l y z e d f o rt h ed o u b l i n gv o l t a g es c h e m e ， t h ed i f f i c u l t i e so ft h ed e c r e a s e da m p l i t u d eo ft h eo u t p u ts i g n a lw e r ea n a l y z e d f o rt h e c a s c a d e ds c h e m e ，t h ef i v eo u t p u t so ft h ef i v eb i te l e c t r o - o p t i c a la d cw e r es i m u l a t e d f o rt h eo t d ms c h e m e ，f o u rk i n d so fn o i s e si nt h es y s t e m ，a n dt h e i ri n f l u e n c e so nt h e e f f e c t i v en u m b e ro fb i t ( e n o b ) o ft h es y s t e mw e r ea n a l y z e d f i n a l l y , at w ob i te l e c t r o o p t i ca d cw a sb u i l tu pe x p e r i m e n t a l l y t h em o d u l a t i o n c u r v e so ft h em a c h z e h n d e rm o d u l a t o r sw e r em e a s u r e da n dt h eo u t p u t so ft h e m a c h z e h n d e rm o d u l a t o r sw e r ea n a l y z e d t h e nan e wm e t h o df o r d o u b l i n gt h e f r e q u e n c yw a sp r o p o s e d t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h ee l e c t r o - o p t i ca d cw i t h i i a b s t r a c t t w oc a s c a d e dm a c h - z e h n d e rm o d u l a t o r sw a sa l s oc o n d u c t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s d e a r l yd e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e ds c h e m e i nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：e l e c t r o o p t i ca d c ，m a c h z e h n d e rm o d u l a t o r ，e l e c t r o o p t i ce f f e c t ，p h a s e e n c o d i n g 目录 目录 第一章绪论1 1 1 电子模数转换器的发展状况l 1 2 电光模数转换器的优势及意义2 1 3 电光模数转换器的国外发展动态2 1 3 1 光时分复用电光模数转换器3 1 3 2 光波分复用电光模数转换器4 1 3 3 时域展宽电光模数转换器5 1 3 4 相位编码电光模数转换器6 1 4 国内发展动态8 1 5 发展趋势8 1 6 本论文的主要工作1 0 1 7 本论文的创新点1 0 第二章基于m a t h z e h n d e r 调制器的电光模数转换器的基本原理1 2 2 1m a c h z e h n d e r 调制器的调制原理1 2 2 2 基于m a t h z e h n d e r 调制器的电光模数转换器的原理1 4 2 2 1 泰勒方案原理1 5 2 2 2 泰勒方案分析1 6 2 3 泰勒方案的改进18 2 3 1 电压加倍型方案原理18 2 3 2 电压加倍型方案分析1 9 2 4 论文提出的级联型电光模数转换器2 0 2 4 1 级联型方案原理一2 0 2 4 2 级联型方案分析2 4 2 5 基于m a t h z e h n d e r 调制器的电光模数转换器各方案比较2 6 第三章五位电光模数转换器实验方案设计2 8 3 1 五位电压加倍型电光模数转换器方案设计一2 8 目录 3 1 1 光域部分设计及参数选择2 8 3 1 2 实验存在的问题2 9 3 2 五位级联型电光模数转换器方案设计3 1 3 2 1 光域部分设计及参数选择3 1 3 2 2 五位输出仿真3 2 3 2 3 实验存在的问题3 4 3 3 五位光时分复用型电光模数转换器方案设计3 5 3 3 1 系统设计及参数选择3 5 3 3 2 有效精度分析3 9 3 3 3 实验存在的问题4 2 第四章级联型电光模数转换器实验4 3 4 1 级联型电光模数转换器的构成4 3 4 2 测试方案及结果分析4 3 4 2 1m a e h - z e h n d e r 调制器调制曲线的测量4 4 4 2 2 激光光源的测量4 5 4 2 3 第一位的采样输出4 6 4 2 4 第二位的采样输出5 0 4 3 实验结果总结5 2 第五章论文总结5 3 5 1 论文的主要内容5 3 5 2 论文的主要结论。5 3 5 3 下一步需要讨论的问题5 4 致谢5 5 参考文献5 6 附录。5 9 攻硕期间取得的成果6 5 v i ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电子模数转换器的发展状况 模数转换器( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ，a d c ) 是一种将模拟信号转化为数 字信号的器件，是连接模拟世界和数字世界的桥梁和工具。由于数字技术拥有许 多优点，如可靠性高，便于集成，速度快，灵活。且数字信号精度不受传输和再 生中的噪声的影响，但模拟信号受这些噪声影响巨大，因而模拟信号数字化的作 用日益重要。 a d c 作为模拟传感器( 如雷达，通信设备) 和数字处理系统连接中不可或缺 的部分。一方面，在模拟传感器领域，其性能越来越高，如宽带雷达、电子侦察、 扩频通信等信号处理系统都要求模数转换器能达到g s p s ( g i g a b i ts a m p l e sp e r s e c o n d ，即每秒千兆次采样) 以上转换速率及十几比特精度的高性能。另一方面，由 于计算机并行结构及其技术的发展使得数字处理技术快速提高，微处理器、数字 信号处理能力得到增强，产生了浮点运算能力达到1 0 0 g h z 的数字处理器。由于这 两方面性能的迅速提高，使得作为连接环节的a d c 在性能方面的提高变得日益迫 切。 一般a d c 的性能主要是由转换速率和转换精度这两个最重要的参数决定的。 近年来，随着电子计算机的普及和自动化检测程度的不断提高，对a d c 的性能提出 了更高的要求。但由于电子a d c 不可克服的缺陷而使得数字系统的高性能不能充 分利用。 a d c 从技术上可以分为三种，即电子半导体模数转换器、超导材料模数转换 器和光学模数转换器。超导材料模数转换器对环境要求高，需要超低温工作环境， 因此使用范围受到限制。电子半导体a d c 使用最为广泛，已经具有了非常成熟的 制造工艺及成熟的电路集成技术，但由于不可避免的电子迁移率有限，因而获得 十几g s p s 的转换速率十分困难。另一方面，电子a d c 产生孔径抖动严重而使得 采样速率和精度相互制约，当采样速率每增加一倍，其比特精度大约下降一个比特。 并且电子a d c 采样引入的孔径抖动( 1 皮秒) 远大于光学采样引入的孔径抖动( 飞 秒量级) ，因此由于这两方面的限制，近年来的高速的电子a d c 产品，其性能均 低于1 0 g s p s ，1 0 b i t t l l 。 电子科技大学硕士学位论文 过去近十年，转换速率给定的情况下，电子模数转换器平均只提高了1 5 个比 特精度。目前，已商用的电子a d c 能达到的最好性能是转换精度为8 b i t ，转换速 率为1 5 g s p s ，若将精度提高到1 3 b i t ，转换速率下降至2 5 0 m s p s 。电子a d c 的发 展已经基本接近其理论极限，再要继续提高性能已经很困难，采样速率和精度无 法得到同时的提耐引。 因此，电子a d c 已经达到一个理论上的瓶颈阶段，严重限制了数字信号处理 的高速发展，人们不得不从新的角度、新的途径来增强电子a d c 的功能或发明新 的a d c ，这其中就包括电光模数转换器p 】。 1 2 电光模数转换器的优势及意义 相对于电子a d c ，电光a d c 在理论上具有明显优势。首先使用现代锁模激 光器【4 5 】就能产生1 0 g h z 以上的采样光脉冲，并且其孔径抖动能达到飞秒量级，3 皮秒宽脉冲抖动幅度仅为0 0 5 8 。大大降低了因孔径抖动及脉冲幅度变化带来的 对系统带宽及性噪比的影响。使用锁模激光器产生的脉冲作为采样脉冲，突破了 电子a d c 中采样保持电路对系统数据率的限制，使采样频率提高，保持时间缩短， 必然大大提高采样速率。因此电光a d c 在理论上可以实现l l b i t 、1 0 g s p s 以上的 模数转换器【6 】，并且显著降低采样后的信号的相对带宽，为后续处理奠定良好基础。 另外电光a d c 因省去了取样保持电路，且比较器数量也大大减小，因此结构简单 更易于集成，为器件小型化做出贡献。 目前国外研究出的电光a d c 至少可以达到4 b i t 、1 0 g s p s 的性能，并且还有很 大的发展空间。随着电子对抗、宽带雷达、高能物理实时监控领域的发展，紧迫 需要大于8 b i t 、1 0 g h z 带宽的模数转换器【7 ，8 】。现实的需求加上光电子技术及集成 光学的发展，电光a d c 在高频信号处理上必然具有光明的前景。因此，无论是实 际应用还是军事国防上电光a d c 的研究都具有深远意义。 1 3 电光模数转换器的国外发展动态 般模数转换需要经过采样、保持、量化、编码四个步骤，并且采样信号频 率与调制信号频率f m 之间要满足乃奎斯特定理，即忿2 f m ，才能从数字信号中 恢复出模拟信号波形。衡量模数转换器性能的主要标志是转换速率和转换精度， 两者因孔径抖动而相互制约，其中转换速率主要取决于采样和量化快慢，因此提 2 f 第一章绪论 高采样信号频率，降低保持时间是提高转换速率的有效方法。同时降低孔径抖动， 也能在保持转换速率的同时有效的提高转换精度。 电光a d c 采用锁模激光器产生高频光脉冲，经电光调制器将输入的模拟信号 调制到高频光脉冲上，再通过光电探测器将调制后的光脉冲信号转换成对应的电 信号，最后由电子a d c 进行量化编码。可见，电光a d c 是利用高频激光脉冲实 现在光域中采样，而量化编码则由电来完成。因为利用光脉冲采样可以大大提高 采样速率，缩短保持时间。为了匹配光脉冲高速的采样速率，就要利用各种方法 在量化阶段降低该速率以达到电子a d c 可以量化的程度，因此根据降低速率方法 的不同，就构成的不同电光a d c 系统，大致分为四类：光时分复用电光a d c 、 光波分复用电光a d c 、时域展宽电光a d c 以及相位编码电光a d c 。 1 3 1 光时分复用电光模数转换器 光时分复用( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o t d m ) 电光a d c 是通过 借鉴光通信的时分复用技术方案，采用光电混合的时分复用方式的模数转换器，通 过并行处理的方式来降低采样速率【9 】。其原理如图1 1 所示，脉冲激光器产生高频 光脉冲，经过电光调制器将调制信号调制到采样光脉冲上，经光时分复用技术中 的时分解复用器使不同时序的同频采样光脉冲平行进入多个量化通道，然后对不 同的量化通道进行相应的延时处理，以保证合复用时不出现脉冲叠加的情况。最 后经过光电转换和电子a d c 量化编码后输出数字信号。再由数字信号处理器将各 电子a d c 输出的数字信号进行分插恢复为原信号。假设每个通道使用的电子a d c 转换速率较低为f o ，经过n 通道复用后的整个系统转换速率f 。= n x f o 。相对应的也 是将高采样速率经过解复用器降低n 倍后以满足电子a d c 的量化要求。这样即 克服了电子a d c 低转换速率的限制，也保证了采样精度，但这是以增加系统的复 杂程度为代价的。 1 9 8 9 1 9 9 1 年，j a b e l l 1 0 , 1 1 , 1 2 1 等提出利用1 分4 光波导阵列开关作为解复用器 成功实现将光采样与时分复用相结合的光时分复用a d c 技术，得到2 b i t 精度、 2 g s p s 转换速率的电光a d c 。 2 0 0 1 年，t h o m a sr c l a r k 乃】等提出利用电光s a g n a c 干涉仪幅度调制器提供高 稳定的无电偏置工作的光时分复用方案，利用1 分8 串并转换器将序列分频至电 子a d c 可探测及计量的速度，每个通道使用8 b i t 、7 8 1 m s p s 电子a d c ，最终得到 5 0 m h z 带宽、1 0 0 g s p s 的a d c 系统。 电子科技大学硕士学位论文 激光器 电光调制器时分复用器 光电探测器电子a d c 图i - io t d m 电光a d c 原理示意图 1 3 2 光波分复用电光模数转换器 光波分复用( o p t i c a lw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o w d m ) 电光a d c 是通过借鉴光通信的波分复用的技术方案，采用光电混合的波分复用方式的模数 转换器，通过并行处理的方式来降低采样速率。其原理如图1 2 所示，结构跟光时 分复用十分类似，不同的是将n 个不同波长的光按一定时间间隔复用在同一通道 上，形成n 波长光脉冲采样信号，复用后的光脉冲经电光调制器调制后，通过阵 列波导光栅作为波分复用解复用器在空间中将各个波长分离，最后各通道经光电 探测器和电子a d c 量化编码后输出数字信号。再由数字信号处理器将各电子a d c 输出的数字信号进行分插恢复原信号。该方法通过多个波长复用增加系统转换速 率，再经解复用后各个波长的光通过各自的电子a d c 量化，减轻电子a d c 的量 化负担。这种方法同样也克服了对电子a d c 低转换速率对系统转换速率的限制， 系统的转换速率是单个电子a d c 的n 倍( n 为复用波长数) 。 1 9 9 8 1 9 9 9 年，a y 撕v 【1 4 , 1 5 】等提出了将l o 个不同波长的超短光脉冲按一定时 间间隔复用在同一个通道上，经采样后通过解复用器分别传输到到1 0 个通道中， 光电转换后再经低速电子a d c 量化编码输出。此系统的问题在于采样光脉冲生成 困难，需要复杂的定时系统。 在此基础上，a s b h u s h a n , f c o p p i n g e r t l 6 , 1 7 , 1 8 】等在1 9 9 8 到1 9 9 9 年期间提出 利用宽光谱光源和光纤色散来产生产生多波长光脉冲的方法，经调制后用利用具 有延时反馈的阵列波导光栅分离出n 个不同波长的采样光脉冲并安排在不同的时 序上，分别进入不同的通道。通过电子a d c 量化编码输出。此系统改善了多波长 4 测化出探量输 、lllrj 第一章绪论 脉冲合成光源的定时问题。 多波长激光器电光调制器波分复用器光电探测器电子a d c 图1 2o w d m 电光a d c 原理示意图 1 3 3 时域展宽电光模数转换器 探测 量化 输出 采样光脉冲时域展宽电光a d c 原理如图1 3 所示。目的是通过展宽采样脉冲 序列来满足电子a d c 低采样速率的限制。其过程是利用色散原件将采样光脉冲在 时域上展宽，通过电光调制器将调制信号调制到展宽后的光脉冲上，然后再将采 样脉冲进行时域上的无失真展宽，从而降低采样脉冲的速率以满足电子a d c 对采 样速率的要求，增加有效采样速率和输入带宽。此方法常跟o t d m 、o w d m 技术 结合使用【l9 】，将采样光脉冲的时域展宽后再解复用到n 个通道进行量化编码，使 采样速率再提高n 倍，其原理如图l - 4 所示。 激光器 色散原件电光调制器色散原件光电探测器电a b e 图1 3 采样光脉冲时域展宽电光a d c 原理示意图 5 电子科技大学硕+ 学位论文 多波长激光器 电光调制器 色散原件 波分复用器光电探测器电子a d c 图1 4 结合o t d m 技术的采样光脉冲时域展宽电光a d c 原理示意图 1 9 9 8 2 0 0 2 年期间，a s b h u s h a n 2 0 2 1 ，2 2 ，2 3 1 等从理论和实验中探讨了采样脉冲 展宽技术，使单通道采样速率从3 0 g s p s 达到1 3 0 g s p s ，另外再结合光波分复用 o w d m 技术将系统采样速率提高到15 0 g s p s 。 2 0 0 3 2 0 0 4 年期间，yh a n 和b j a l a l i 2 5 2 6 ，2 8 2 8 ，2 9 1 等致力于时域展宽a d c 的研 究，理论上分析了该技术的基本原理及实际问题，并最终得到采样速率达4 8 0 g s p s 的光脉冲时域展宽电光a d c 。 1 3 4 相位编码电光模数转换器 相位编码电光a d c 系统结构如图1 5 所示，是由t a y l o 一3 0 】在1 9 7 5 年首次提出 的，主要利用电光调制器的调制特性即外加调制电压v i n 与输出光相位改变a o 的 线性关系，通过相位的改变来量化调制电压，得到格雷码编码输出。改变各个通 道调制器的参数，使相同调制信号输入下，相邻通道产生的相位差成倍增加，从 而各通道输出光脉冲包络的频率也成倍数关系，各通道输出光脉冲波形图构成了 输出格雷码编码图如图1 - 6 所示，其中v m 为半波电压，i t 为门限光强，i l 1 4 为各 级光通道输出光强。 理论分析如下，第n 级光通道电光调制器电极长度依次为 厶= 2 ”1 厶( n - 1 ，2 ，n ，n 为通道数) ( 1 - 1 ) n 个通道由n 个调制信号调制同一光载波，对应各通道相位变化量为 6 测化出探量输 、l广0j 第一章绪论 蚣2 川万每 ( 1 2 ) 相位差与输出光强关系为 l 2 以耐( 等m c o s 2 万黟= 1 ，2 3 ( 1 3 ) 光电转换器 图l - 5 相位编码电光a d c 系统结构示意图 图1 各级光通道输出光脉冲编码图 7 l t v 信号 电子科技大学硕士学位论文 各通道对应输出光强频率呈2 的指数倍增加，输出光强经光电转换后经比较 器输出，比较器门限电压为平均光强对应的电压值，这样就可以对应的产生n b i t 二进制编码输出。 此方法的优点在于信号的采样量化均在光学领域内完成，省去了定时同步的 麻烦，理论上对于高精度的要求没有限制。但由于调制器占用面积较大，且电极 成倍增长困难，对集成光学工艺是极大挑战。目前最高做到4 b i t 精度【3 1 1 。另外此 系统对量化的模拟电压信号幅度有一定限制，跟半波电压有关。 1 9 7 5 1 9 7 9 ，t a y l o r 3 2 , 3 3 】首次提出相位编码方案，并对该方案设计4 位电光模 数转换器，并分析其可以实现的调制频率及系统的调制带宽，提出1 g s p s ，4 b i t 的相位编码a d c ，引起了广泛关注。 1 9 8 4 年，r a b e c k e t 3 4 , 3 5 等发展了t a y l o r 结构，指出4 - 6 b i t 、l - 3 g s p s 的相位 编码电光a d c 的可行性，并制作了2 b i t 、1 g s p s 电光a d c 器件。 2 0 0 0 年，m c u r r i e r 3 6 】将多路并行的t a y l o r 结构改进为单路串行相位调制及多 点检测，结合w d m 技术使不同波长的光在不同的检测点分出相位调制光路，简 化了系统，使系统更易集成。 1 4 国内发展动态 国内对电光a d c 研究相对较少，主要集中于相位编码电光a d c 的研究，对 泰勒方案的测试及改进： 1 9 9 2 年，沈荣栏3 7 】等分析了泰勒方案的m a c h z e h n d e r 结构电光模数转换器， 并实验性的证实了该方案可以获得带宽大于1 0 0 m h z ，精度达4 位，且最低有效位 的半波电压为5 v ，集成光路插入损耗小于3 0 d b 的结构。 1 9 9 4 年，洪佩智【3 8 】分析了光波导f p 结构电光模数转换器，研制成以l i n b 0 3 质子交换光波导f p 型干涉调制器阵列为核心结构的电光模数转换器。简述了f p 型模数转换器的原理，报导了实验样品的设计参数，制备工艺，测量装置和初步 结果。 2 0 0 4 年，张长命，刘永智【3 9 】等采用有限差分束传输法对2 b i t 光波导t a y l o r 结 构电光模数转换器进行了模拟分析与设计，采用保角变换的方法对m a c h z e h n d e r 调制器的电极参数进行分析设计，得到的优化参数为带宽a f = - i 3 g h z ，半波电压为 4 v ，传输损耗为0 0 1 7 2 d b c m 。 1 5 发展趋势 t 第一章绪论 a d c 的发展一直向着高性能、集成化方向发展。电光a d c 的出现是为了解 决电子a d c 的电子瓶颈问题，在高速信息处理领域由于高速率处理的需求，电光 a d c 势必取代电子a d c 。 近二十年的研究中，电光a d c 主要有三大发展趋势： 1 、高速、高精度：电子a d c 限制了转换精度的提高，因此需要考虑采用电 光a d c ，电光a d c 就是基于光采样能提高采样速率，光脉冲的低孔径抖动能增加 转换精度而提出的。但对于实际应用的需求( 精度 1 2 b i t ，转换速率 1 0 g s p s ) ，电 光a d c 仍要继续发展以满足实际要求。 2 、低损耗：泰勒方案随着比特数的增加，y 分路器也相应增加，这样将导致 总的插入损耗增大，同样也限制了比特精度的提高。因此后面发展的平衡桥式光 学模数转换器及光波导f a b r y - p e r o t 结构的模数转换器都是通过取代y 分路器而降 低插入损耗，提高有效精度。 3 、集成化、实用化：光时分复用及光波分复用系统模数转换器都具有比相位 编码等第一代模数转换器更高的采样速率和比特精度，但这两种方案都需要复杂、 精确的定时装置，提高了系统的复杂性，且是光学与电学相结合的方案，因此在 集成化上就提出了更高的要求。目前市面使用的模数转换器基本都是电子a d c ， 主要是电光a d c 还只处于实验阶段，因此为了推动电光a d c 的普及需要在实用 化方面努力。 电光a d c 的三大技术路线： l 、基于分插复用方法的电光a d c ，此方法源于光通信领域的时分复用和波分 复用。o t d m 、o w d m 及时域展宽电光a d c 均属于此方向。其采样在光域中完 成，量化编码利用电子a d c 实现，因此发展仍受限于电子a d c 的低转化速率， 同时分插越多就会导致定时同步困难、电路复杂。同时o t d m 电光a d c 方案的 采样速率的提高依赖于光开关的速率的提高，光波分复用方案的比特精度的提高 是以增加激光器的数量为代价的。 2 、基于线性电光效应的电光a d c ，此方法是在光域中采样量化编码，但需要 光电转换器和电比较器将编码光信号转换为电的逻辑信号。相位编码a d c 属于此 方法，其定时同步容易，但要实现高精度就受到调制器制作工艺、转换器内部光 子寿命的影响；要实现高速率又受到电子比较器速度的限制。未来研究重点方向 应基于此两点进行改进。 3 、基于非线性光学方法的电光a d c ，此方法是整个转换过程都在光学领域进 行，正真意义上实现全光a d c 。虽然全光a d c 在摆脱了电子器件的束缚，但此 9 电子科技大学硕士学位论文 方法最近几年才开始研究，还不成熟，因此需要更多的研究及发展。 上述三种方法发展还不成熟，构建高速率高精度a d c 系统还有一定差距，系 统在小型化、实用化上还有待发展，目前电光a d c 还仅处于试验阶段。 1 6 本论文的主要工作 1 、分析了基于波导m a e h - z e h n d e r 调制器阵列实现模数转换的t a y l o r 方案及 其改进方案电压加倍方案，并对各方案的性能进行分析，对优缺点进行总结，提 出各方案在实现高精度电光a d c 上的困难。 2 、提出了一种同样基于波导m a c h z e h n d e r 调制器阵列实现模数转换的新方 案调制器级联方案，该方案的特点是：调制器电极长度不变，各通道调制器 个数增加，并对不同调制器设定对应的偏置电压，使其达到t a y l o r 和电压加倍方 案同样的输出光脉冲倍频的效果，构成格雷码编码图，完成格雷码的编码输出。 通过m a t l a b 对五位的级联型电光a d c 进行仿真，证明该方案在理论上的正确 性，并与前述两种方案在调制频率及调制带宽上进行比较。 3 、采用电压加倍、调制器级联及o t d m 方案设计精度达五位的电光a d c ， 确定各方案的设计方案原理图，各器件参数。对系统性能、利弊及试验中可能存 在的问题进行分析，提出可能的解决方案。确定各方案在现有的实验器材情况下 实现5 b i t 精度电光a d c 的可能性。 4 、实验证明级联型电光a d c 理论的正确性。分析实验中存在的问题，对于 实验中出现的特殊现象进行研究，提出使频率加倍的新方法，为后续研究工作奠 定基础。 1 7 本论文的创新点 1 、对基于m a c h z e h n d e r 调制器阵列上实现模数转换的t a y l o r 方案进行改进， 提出一种新的调制器级联方案，解决了t a y l o r 方案因器件制作工艺复杂对高精度 的限制，保证了高转换率和高精度的特点。( 目前该方案正在申请专利： 2 0 0 9 1 0 0 5 8 8 811 ) 2 、利用调制器级联方案对五位的电光a d c 进行设计，设计系统连接图及各 调制器参数，对五位采样脉冲输出进行仿真。并对该方案电信号与光信号同步问 题进行分析，提出可能的解决方案。 3 、实验验证级联型m a c h z e h n d e r 结构的电光a d c 理论的正确性。并对实验 1 0 第一章绪论 中的现象进行分析，提出一种改变偏置电压使输出频率加倍的新思路。 电子科技大学硕士学位论文 第二章基于m a c h z e h n d e r 调制器的电光模数转换器的 基本原理 基于m a c h z e h n d e r ( m z ) 调制器的相位编码电光a d c 主要是t a y l o r 在1 9 7 5 年提出的采用集成光学的m z 干涉仪阵列的电光模数转换器。主要利用m z 强度 电光调制器的调制性能，将模拟信号电压加在调制器的射频输入端上，对通过调 制器的光脉冲进行相位调制，经y 分支器合束后，输出干涉光强。利用光强的改 变来反应输入模拟电压的变化。泰勒方案是利用m z 调制器将模拟信号反映到光 强上的特性设计的电光a d c ，开创了利用调制器进行光电模数转换的先河，其提 出的采用电光强度调制器，光电探测器等原则一直适用，并为后续提出的同样基 于m - z 调制器的电光a d c 方案提供了基础理论。 电光调制器主要利用其线性电光效应进行调制m 】。电光效应是某些各向同性 的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生 变化的现象为电光效应。当晶体折射率的改变与所加电场成正比时，即电场的一 次项，这种电光效应称为线性电光效应，一般发生于无对称中心晶体中，该效应 是电光调制的基础。l i n b 0 3 电光调制器的工作原理简单的描述为：当晶体特定方 向施加电场作用时，由于电光效应导致晶体折射率的改变，继而引起晶体中传输 光波的额外相位变化，从而达到电压调制光波的目的。利用电光效应可实现光波 的强度调制和相位调制。常见的电光波导强度调制器是m z 电光强度调制器，其 外加电场作用在非常小的区域内，所需的调制电压很小，约几伏特。因而，m z 型电光强度调制器，得到广泛的应用。本章将通过介绍m z 强度电光调制器引出 利用m z 型电光强度调制器为基本结构单元的相位编码型电光a d c 基本原理及 其改进方案。 2 1m a c h z e h n d e r 调制器的调制原理 m z 波导电光强度调制器结构示意图如图2 1 所示，其基本原理是利用 晶体介质的介电张量因外加电压产生变化而引起调制器两臂产生相位差，从 而引起两臂中光波干涉输出。由于外加电场作用范围小，只限于薄膜区内， 因此驱动功率小。同时为了避免双折射效应的影响，输入光波的偏振态需要 与外加电场一致，这就需要在输入前加入偏振控制器，以免产生非对角张量 1 2 第二章基于m a c h - z e h n d e r 调制器的电光模数转换器的基本原理 变化。 图2 1m 龙强度调制器结构不意图 m z 强度调制器的工作过程是：输入光波经一个y 分支器3 d b 分束后输 入两个直波导，调制器射频输入端外加射频电压，在电光效应作用下，两束 光波相位差发生改变，经两个直波导传输后，再由3 d b 合束器合束，两束光 发生干涉输出。单个两臂对称的l i n b 0 3 波导m z 强度调制器，在调制电压 v i n 的作用下，由于电光效应改变了波导折射率，使输入光波在m z 强度调制 器两臂中传输产生相位差为 汐：4 n e a y 3 3 l v i ：万监( 2 1 ) 五g 匕 其中，v i n 是外加信号电压，圪= 祟为调制器的半波电压，l 为调制电 4 以。儿3 l 。 极长度，g 为调制电极与接地电极间距，n e 为非寻常光折射率，1 r 3 3 是电光系数， 理想情况下l i n b 0 3 最大的电光系数丫3 3 = 3 0 8 p m v 。 因此，在不考虑损耗的情况下，l i n b 0 3 波导m z 强度调制器的输出光强随 调制电压变化关系如下： ，= 驷s 2 ( 等) = i oc o s 2 ( ( 2 - 2 ) 其中u 是使m z 强度调制器两臂上的光波产生相位差a q ) - - x 所需的电压称 为“半波电压”。当调制器无外加电压，由( 2 2 ) 式可知m z 强度调制器的输出 光强极大值；当调制电压为时，输出光强度为极小值；并且，当外加电压每变 化一个u ，被调制的光强，发生次从极小到极大的变化。m z 强度调制器调制 曲线如图2 2 所示 电子科技大学硕士学位论文 i 。 v v i 一厂。 0v 卫v 图2 - 2m - z 强度调制器调制曲线示意图 2 2 基于m a c h z e h n d e r 调制器的电光模数转换器的原理 m z 电光a d c 是t a y l o r 于1 9 7 5 年第一次提出的，是基于m z 强度调制 器调制原理的相位编码电光a d c ，其工作过程如图2 3 所示。整个调制过程 包括：高速的锁模激光器产生高重频的、强度稳定的光脉冲作为采样光脉冲， 经过y 分支器平均分束后，采样光脉冲分别进入各级光通道m z 强度调制器， 通过合理的设定各级m z 强