專利名稱：一種微分光脈沖時域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電光模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)領(lǐng)域，特別是微分光脈沖時域展寬 (Differential photonic Time-Stretched)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的作用是將傳感器獲得的模擬信號通過取樣、量化、編碼等過 程，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。隨著信號處理系統(tǒng)的發(fā)展，對模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的采樣速率、轉(zhuǎn)換精 度要求提高。傳統(tǒng)的電子模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器因結(jié)構(gòu)限制，難以滿足要求，于是出現(xiàn)了電光模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，微分光脈沖時域展寬(Differential photonic Time-Stretched)模數(shù)轉(zhuǎn)換器即 是電光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一種形式。模數(shù)轉(zhuǎn)換一般經(jīng)過采樣、保持、量化和編碼輸出四個過程，采樣信號頻率4與被采 樣信號最高頻率fH(包括噪聲在內(nèi))間必須滿足fs>2fH的關(guān)系，實際中常取fs= (3 5) fH。模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度主要取決于量化和編碼(即轉(zhuǎn)換過程)的快慢，而轉(zhuǎn)換過程所用的時 間又是保持時間的一部分。提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度，兩個方面是必須的一是提高轉(zhuǎn)換過程的 速度；二是提高采樣信號頻率fs，使保持時間縮短。電光模數(shù)轉(zhuǎn)換器以激光脈沖作為輸入之 一，把電信號通過電光效應(yīng)調(diào)制到光脈沖上，繼而通過感光器件轉(zhuǎn)換為低頻電信號。近二十年來，電子模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的制造工藝建立在高度成熟的硅集成電路技 術(shù)基礎(chǔ)上，已非常成熟，但高采樣速率和高位數(shù)二者不可兼得，采樣速率每增加一倍，位數(shù) 就降低一位?，F(xiàn)在，電子模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器性能的進一步提高遇到重大技術(shù)難題1.將孔徑 抖動(aperture jitter)降低到lps以下；2.最大采樣速率超過8Gs/s ；3.在滿足1、2的 基礎(chǔ)上功耗降低到5W以下。相對于電子模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器，電光模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器在原理上具有巨大的優(yōu)勢。 光振蕩頻率為1014Hz，現(xiàn)代的鎖模激光器(mode-locked lasers)能產(chǎn)生大于10GHz的光脈 沖序列，其時間抖動(timing jitter)小于10fs。以光脈沖序列作為采樣脈沖明顯優(yōu)于電 子脈沖，且可以顯著降低采樣后信號的相對帶寬，為后續(xù)處理奠定良好基礎(chǔ)。隨著信號處理系統(tǒng)的發(fā)展，對模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的采樣速率、轉(zhuǎn)換精度要求提高。 傳統(tǒng)的電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器因結(jié)構(gòu)限制，難以滿足要求，于是出現(xiàn)了電光模數(shù)轉(zhuǎn)換器，微分光脈 沖時域展寬(Differential photonicTime-Stretched)模數(shù)轉(zhuǎn)換器即是電光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 一種形式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種微分光脈沖時域展寬(Differentialphotonic Time-Stretched)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。提出將待測信號調(diào)制到采樣光脈沖上后，利用光纖將采樣光 脈沖包絡(luò)在時域上無失真展寬，然后利用低速模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將其量化。本發(fā)明一種微分光脈沖時域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括一超連續(xù)激光光源；
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一電光調(diào)制器，該電光調(diào)制器的輸入端經(jīng)第一光纖與超連續(xù)激光光源的輸出端連 接，該電光調(diào)制器接收待測電信號，接入偏置電壓；一延時器，該延時器的輸入端與電光調(diào)制器的正相信號輸出端連接，使電光調(diào)制 器的正相信號端產(chǎn)生T/2的延時，T > 0 ；一合成器，該合成器的輸入端與延時器的輸出端及電光調(diào)制器的反相信號端的輸 出端連接；一感光器件，該感光器件的輸入端經(jīng)第二光纖與合成器的輸出端連接；一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與感光器件的輸出端連接。其中超連續(xù)激光光源包括一光纖鎖模激光器；一摻鉺光纖放大器，該摻鉺光纖放大器的輸入端經(jīng)光子晶體與半導(dǎo)體泵浦激光器 的輸出端相連；一帶通濾波器，該帶通濾波器的輸入端與摻鉺光纖放大器的輸出端相連，帶通濾 波器的輸出端為超連續(xù)激光光源的輸出端。其中超連續(xù)激光光源的輸出信號的周期為T。其中所述第一光纖和第二光纖均為單模光纖，其第一光纖和第二光纖的長度L2、Li 是根據(jù)需要進行調(diào)整，從而得到需要的時域展寬因子M，M= 1+L2/L10所用電光調(diào)制器為單輸入雙輸出微分馬赫_曾德爾調(diào)制器。本發(fā)明電光模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有如下特點1.轉(zhuǎn)換速率高。2.結(jié)構(gòu)簡單，需要元器件 少。3.采用微細加工技術(shù)，集成度高，可大幅度提高可靠性。由超連續(xù)激光光源產(chǎn)生采樣光脈沖，通過一個色散元件(如光纖)展寬，然后在電 光調(diào)制器中調(diào)制到電信號上，再使用第二個色散元件(如光纖)進一步展寬，隨后通過感光 器件還原為電信號，采樣量化。這種方式可以降低對電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速率的要求。其 中，兩個色散元件的色散系數(shù)可以控制，因此就可以通過控制展寬因子M(M= l+lVk)來控 制光信號的展寬程度。該技術(shù)與光時分復(fù)用(0TDM)和光波分復(fù)用(0WDM)技術(shù)結(jié)合組成N路平行量化通 道A/D系統(tǒng)后，還可將整個系統(tǒng)的采樣頻率進一步提高N倍。


為進一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖1為本發(fā)明的微分光脈沖時域展寬(Differential photonicTime-Stretched) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖2為圖1中超連續(xù)激光光源構(gòu)成的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1，本發(fā)明一種光脈沖時域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括超連續(xù)激光光源11， 電光調(diào)制器12，感光器件13，普通模數(shù)轉(zhuǎn)換器14，其中超連續(xù)激光光源11包括一光纖鎖模激光器21，產(chǎn)生光脈沖；一摻鉺光纖放大器 23，該摻鉺光纖放大器23的輸入端經(jīng)光子晶體22與半導(dǎo)體泵浦激光器21的輸出端相連；一帶通濾波器24，該帶通濾波器24的輸入端與摻鉺光纖放大器23的輸出端相連，帶通濾波 器24的輸出端為超連續(xù)激光光源11的輸出端。超連續(xù)激光光源11的輸出信號周期為T。超連續(xù)激光光源11的輸出端通過第一光纖1與電光調(diào)制器12的輸入端相連， 第一光纖1對信號進行展寬，其中所用電光調(diào)制器12為單輸入雙輸出微分馬赫-曾德爾 (Mach-Zehnder)調(diào)制器，該電光調(diào)制器12由點1接收待測電 信號，由點2接入偏置電壓； 電光調(diào)制器12的正相信號輸出端與延時器121的輸入端連接，使電光調(diào)制器12的正相信 號I+(t)產(chǎn)生T/2的延時，T > 0 ；延時器121的輸出端及電光調(diào)制器12的反相信號I_(t) 的輸出端與合成器12的輸入端連接；感光器件13的輸入端經(jīng)第二光纖2與合成器122的 輸出端連接；模數(shù)轉(zhuǎn)換器14的輸入端與感光器件13的輸出端連接。所述第一光纖1和第二光纖2均為單模光纖，其中第一光纖1和第二光纖2的長 度1^、1^2是根據(jù)需要進行調(diào)整，從而得到需要的時域展寬因子M(M = HL2Zl1)。通過以上分析，以下具體設(shè)計原形系統(tǒng)。工作原理待測電信號先對一線性啁啾光脈沖串進行強度調(diào)制，被調(diào)制的啁啾光脈沖串再通 過一段光纖色散展寬，得到低速的待測信號。如圖1及圖2中，由光纖鎖模激光器產(chǎn)生的周期為T的超短光脈沖串通過一段長 度為L1的單模光纖產(chǎn)生線性啁啾，待測電信號通過雙輸出馬赫_曾德爾調(diào)制器對此光脈沖 串進行強度調(diào)制，產(chǎn)生兩個頻率相同、相位相反的輸出，對其中一路進行T/2延時處理后， 用合成器把兩路光脈沖合成。合成后的光脈沖串再通過一段長度為L2的單模光纖，由于光 纖色散展寬導(dǎo)致包絡(luò)形狀拉伸，即待測信號在時域上得到展寬，最后通過感光器件輸出電 信號。時域展寬方法用于連續(xù)信號的A/D轉(zhuǎn)換時，需要根據(jù)光脈沖的脈寬和啁啾特性，將輸 入信號首先分割成小段，分別進行時域擴展。如果時域展寬的展寬因子為M(M= HL2Zl1), 則輸入連續(xù)信號至少要分為M路時域展寬并行處理，分別擴展M倍后由低速A/D轉(zhuǎn)換器分 別處理。關(guān)于待測電信號s (t)，由下式 [。。37]可得到廠(0二學(xué)[1修明]=
L，2其中m= nVKF/X，乂皿是！^信號電壓，Vn是半波電壓，erw(t)是啁啾載波強度， I+(t)、I_(t)是單輸入雙輸出微分馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)調(diào)制器的兩個頻率相同、 相位相反的輸出。高速A/D轉(zhuǎn)換中，脈沖的時間抖動和脈寬都是轉(zhuǎn)換誤差的主要來源，下面對光脈 沖質(zhì)量的要求做簡要分析。 取樣脈沖的時間抖動對測量的影響。設(shè)第i個取樣點為、時亥lj，取樣間隔時間為At，則ti+1 = ti+At，如果時間間隔 因抖動變?yōu)锳t’，將因此引入測量誤差。設(shè)輸入信號波形為V = Vmsin(2 3ifmt)
其中fm為輸入信號的最大頻率。則由于脈沖抖動引入的調(diào)制幅度誤差為δν = VmIsin [2 ^ai+At，) ]-sin [2π f^t,+Δ t) ]}當δ t很小時，上式可簡化為δ V = 2 π fmVm δ tcos [2 π fm Ui+ Δ t)]
則由δ t引入的最大幅度誤差為I δ Vlfflax = 2 Jifffl VmStmax其中δ tmax是最大時間抖動量。通常要求誤差小于A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差，即要求I δ Vlfflax < Δ ν/2 = Vffl/2N(其中ΔV = 2Vm/2N為量化電壓，N為A/D轉(zhuǎn)換的比特位數(shù)。)所以最大時間抖動量應(yīng)滿足δ tfflax < (2N+1 ^ifffl)-1高速取樣對取樣脈沖的時間抖動特性要求非常高，通常在亞皮秒(ps)量級。脈沖寬度Δ T對測量的影響。設(shè)輸入信號波形為V = VfflSin (2 π fmt)，則在t’時刻由于脈沖寬度引入的調(diào)制幅
度誤差
f'+厶 7’/2\ym^j)dt
SV 二卿---Vm Sin(2‘0
AT利用泰勒級數(shù)展開sin(2 π fmt' ) = sin(2 π fmt)+2 π fm sin(2 π fmt) (t' -t)+(2 π fm)2sin(2 π fmt) (t，_t)2/2+......則δ V = ( π fm Δ Τ) 2Vmsin (2 π fmt' ) /6由于要求δ V小于量化誤差的1/2，即I δν|·< AV/2，求得ΔΤ< (3/2^) 1/2/
31 f1。本發(fā)明以較佳實施例說明如上，然其并非用以限定本發(fā)明所主張的專利權(quán)利范 圍。其專利保護范圍當視所附的權(quán)利要求范圍及其等同領(lǐng)域而定。凡熟悉此領(lǐng)域的技術(shù) 者，在不脫離本專利精神或范圍內(nèi)，所作的更動或潤飾，均屬于本發(fā)明所揭示精神下所完成 的等效改變或設(shè)計，且應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種微分光脈沖時域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括一超連續(xù)激光光源；一電光調(diào)制器，該電光調(diào)制器的輸入端經(jīng)第一光纖與超連續(xù)激光光源的輸出端連接，該電光調(diào)制器接收待測電信號，接入偏置電壓；一延時器，該延時器的輸入端與電光調(diào)制器的正相信號輸出端連接，使電光調(diào)制器的正相信號端產(chǎn)生T/2的延時，T＞0；一合成器，該合成器的輸入端與延時器的輸出端及電光調(diào)制器的反相信號端的輸出端連接；一感光器件，該感光器件的輸入端經(jīng)第二光纖與合成器的輸出端連接；一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與感光器件的輸出端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微分光脈沖時域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中超連續(xù)激光光源包括一光纖鎖模激光器；一摻鉺光纖放大器，該摻鉺光纖放大器的輸入端經(jīng)光子晶體與半導(dǎo)體泵浦激光器的輸 出端相連；一帶通濾波器，該帶通濾波器的輸入端與摻鉺光纖放大器的輸出端相連，帶通濾波器 的輸出端為超連續(xù)激光光源的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微分光脈沖時域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中超連續(xù)激光光源 的輸出信號的周期為T。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微分光脈沖時域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述第一光纖和第二 光纖均為單模光纖，其第一光纖和第二光纖的長度L2、L1是根據(jù)需要進行調(diào)整，從而得到需 要的時域展寬因子M，M= l+h/Li。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微分光脈沖時域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所用電光調(diào)制器為單 輸入雙輸出微分馬赫_曾德爾調(diào)制器。
全文摘要
一種微分光脈沖時域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括一超連續(xù)激光光源；一電光調(diào)制器，該電光調(diào)制器的輸入端經(jīng)第一光纖與超連續(xù)激光光源的輸出端連接，該電光調(diào)制器接收待測電信號，接入偏置電壓；一延時器，該延時器的輸入端與電光調(diào)制器的正相信號輸出端連接，使電光調(diào)制器的正相信號端產(chǎn)生T/2的延時，T＞0；一合成器，該合成器的輸入端與延時器的輸出端及電光調(diào)制器的反相信號端的輸出端連接；一感光器件，該感光器件的輸入端經(jīng)第二光纖與合成器的輸出端連接；一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與感光器件的輸出端連接。
文檔編號G02F7/00GK101825827SQ20091007886
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者倪衛(wèi)寧, 張強 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所