光子模数转换关键技术及应用范文

摘要：采用新型可饱和吸收体和锁模机制，研制了低抖动高重频宽光谱飞秒光纤激光器，并实现了高性能光采样脉冲的产生．给出了时间－波长交织和时间拉伸光模数转换系统架构；阐明了通道失配产生的原因及其校正方法；研究了光模数转换在雷达和示波器等系统中应用的关键技术．实验结果表明，利用光子学高速宽带特点实现的光子模数转换器，可有效克服电子瓶颈，实现高速宽带信号的采样．

关键词：模数转换；采样率；带宽；有效比特位雷达、电子对抗等

国防电子装备和示波器等电子测量设备的发展趋势是高速、宽带化，其核心技术之一是模数转换（Analog－to－DigitalConversion，ADC），在现有系统里通常由电ADC芯片来完成．20世纪90年代之后，微电子技术的发展极大提升了电ADC芯片的性能．至今，采样时钟抖动、比较器模糊等指标已开始接近物理极限，进一步提高采样率和系统带宽等性能的难度越来越大［1］．与电子学相比，光子学具有高速、宽带的优势，已在光纤通信领域得到很好的发挥．该优势也能用来克服电子瓶颈，实现光子模数转换（PhotonicADC，PADC）［2－3］．PADC的概念在20世纪70年代就已提出［4］．近年来，随着应用需求的日益迫切，以及光子器件和波分复用（WDM）、时分复用（OTDM）等技术的日趋成熟，其研究工作倍受重视并取得了很大进展［5］．本文阐述课题组在PADC关键技术及其应用方面的研究进展．1PADC关键技术PADC的主要性能指标包括采样率、采样带宽和量化精度．在实际电路中，由于噪声以及器件有限带宽、非线性引起的失真，真正能够达到的量化精度会有所降低，通常用有效比特位（EffectiveNumberofBits，ENOB）来表示［1］，ENOB＝（SNDR－1．76）／6．02（1）式中：SNDR为系统的信纳比（单位为dB），它除了受限于系统的噪声（包括散弹噪声、热噪声、光放大器的ASE噪声等）和非线性，还受制于采样时钟的抖动．因此，如何产生高速、低抖动光采样脉冲，是实现高性能PADC的基础．

1．1用于产生高性能光采样脉冲的飞秒光纤激光器被动锁模光纤飞秒激光器具有极低的时间抖动，是产生高性能光采样脉冲的理想光源．但它的重复频率低，一般为0．1GHz量级，必须通过波分复用和时分复用等手段，才能形成数十甚至上百GHz的超高速光采样脉冲。

1．2时间－波长交织和时间拉伸光采样技术

PADC可采用光量化［11］和电量化两种方案．由于光学材料的非线性效应比较弱，导致全光量化的精度不高，限制了其在宽带雷达等系统中的应用．因此，为提高PADC精度，多数采用“光采样＋电量化”的方案．光采样过程是通过电光调制器，把被采样的电信号幅度信息加载到光采样脉冲上，也被称为电光采样．量化则包含光电探测和电ADC芯片两个子单元．一般而言，采样速率和带宽易得到保证，关键是量化位数．采用时间－波长交织方式产生的光采样脉冲，含有M个波长．以每个波长作为一个通道，可以将采样后的高速脉冲序列分解为M个通道．这样，每个通道的速率降低至原来的1／M，极大减轻了对电ADC芯片的带宽和速率压力［12］．通过后端数据融合处理，便可重构出完整的信号．时间－波长交织PADC的架构如图2所示．在光采样时钟产生单元，考虑到光纤和波分复用、时分复用等器件存在双折射效应且插入损耗各异，采用了旋转角为45°的法拉第反射镜（FRM）和可调光衰减器（VOA）来消除双折射效应和幅度不一致性．另一种方案是采用时间拉伸（TimeStretch）技术，亦可减轻后端电路的压力．时间拉伸实际上是一种时域－频域变换：高速脉冲经过具有色散的光纤后，脉冲宽度在时域上被展宽，而其谱宽在频域上被压缩［13］．它的具体实现方式是分别在光电调制器的前后加上两段色散光纤，如果它们的色散量分别为D1和D2。

1．3通道失配的校正

在时间－波长交织的PADC中，由于工艺和技术等的限制，各通道难以做到完全匹配，即存在通道失配．与时间交织电ADC类似，PADC中的通道失配也主要包含增益失配、偏置失配和时间失配。

2PADC系统应用的关键技术

PADC所具有的高速宽带特点，使其在通信、电子测量和国防等领域具有广泛的应用前景．当然，作为一项新技术，还有不少问题需要进一步研究，予以完善．下面以雷达和示波器为例，阐述PADC在宽带和超高速系统应用中的一些关键技术．

2．1在宽带系统中的应用

传统雷达在信号发和收的过程中需要上下变频，因此难以实现多频段、大带宽的灵活调谐．PADC可实现大瞬时带宽回波信号的直接采样，加上基于光子学的射频信号产生方法，可使雷达的架构和性能产生革命性变化，这就是倍受瞩目的微波光子雷达［21］．从目前报道来看，系统的瞬时带宽和距离分辨率还不高．对此，我们采用高重复频率的锁模激光器，提出一种新的微波光子雷达架构，如图4所示，并实验演示了Ka波段下8GHz瞬时带宽信号的收发［22］，此外，针对PADC在宽带雷达信号接收中的系统失配问题进行了研究，通过多参数失配补偿算法来提升系统性能［23］．我们还提出了一种基于时间拉伸PADC的宽带雷达系统架构，如图5所示［24］．图中：DE为色散单元；OC为耦合器；TOF为可调滤波器；VODL为可调延迟线；PD为光电探测器；EOM为强度调制器．多波段（可覆盖X、Ku、Ka波段）、带宽可调的发射信号也是基于光纤色散效应产生的［25］．待采样的回波信号调制到宽带光脉冲上，利用时间拉伸效应压缩其带宽、降低中心频率．拉伸倍数越大，压缩后信号的中心频率越小，带宽越窄．这样，后端采样量化处理的压力即可大大减小．值得指出的是，时间拉伸不会丢失信号的有用成分．通过后端数据处理，可还原拉伸前宽带信号所携带的目标信息，从而能保证雷达的距离分辨力．与Bogoni教授课题组研制的全光雷达［21］相比，我们将X波段的瞬时带宽提高到4GHz，通过时间拉伸效应大幅降低了雷达接收机后端量化处理的带宽和速率压力［26］．由于实际目标的位置信息其实是无法预先知晓的，故希望时间拉伸PADC的接收系统具有灵活的接收窗口调节能力．可以利用可调光滤波器中心波长选择特性，通过合理设计光脉冲宽度，分时调节其中心波长，来实现对探测范围内无盲区的接收［27］．

2．2在超高速系统中的应用

时间拉伸PADC的主要优点是能够实现超高的采样率和超大的模拟带宽．由于受系统色散等因素的限制，ENOB一般不是很高，故特别适用于超高速示波器等对采样率要求很高、对ENOB要求不高的系统．为实现连续信号的采样，被拉伸后的采样脉冲必须是连续的．可以通过时间－波长交织的方法来实现，如图6所示．图中：DCF为色散光纤；EDFA为掺铒光纤放大器；EOM为电光调制器；PC为偏振控制器；OSC为示波器．后端将多通道信号在数字域拼接在一起，便可获得连续时间信号［28］.为了减小色散光纤的插入损耗，可采用啁啾光纤光栅（CFBG）．CFBG具有更小体积，能提供更大色散，且具有更高的非线性阈值，因此能够实现系统小型化并提高系统所允许的最大光功率．然而，由于CFBG的制作工艺等问题，会带来较大的通道间增益、时间、偏置失配，从而影响系统的性能．连续模式下通道间失配与数据重构问题，还需要进一步研究．

3结语

本文系统阐述了时间－波长交织PADC和时间拉伸PADC系统原理，对高性能时钟产生、大动态采样和通道失配校正等关键技术问题及其解决方法进行了深入探索，给出了理论分析和实验研究结果．针对雷达等宽带系统和示波器等超高速系统的应用需求，给出了示范性框架结构和针对关键技术的解决思路．PADC融合了光子学和电子学的优势，是数字化信息处理、传输和应用系统的核心技术．目前，基于分立的光电子器件，已经验证了它所具有的优势，并开展了示范性应用．今后的发展趋势是集成化，使其能像电ADC芯片那样，大幅减小尺寸、降低功耗，进而得到广泛应用，推动信息化技术向更高速度、更大带宽、更高精度的方向发展．

作者：陈建平，邹卫文，吴龟灵，吴侃 单位：上海交通大学