專(zhuān)利名稱(chēng)：光脈沖時(shí)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，特別是光脈沖時(shí)域展寬
(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(hào)通過(guò)取樣、量化、 編碼等過(guò)程，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。隨著信號(hào)處理系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)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，光脈沖時(shí)域展寬 (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(guò)采樣、保持、量化和編碼輸出四個(gè)過(guò)程，采樣信號(hào) 頻率fs與被采樣信號(hào)最高頻率fH(包括噪聲在內(nèi))間必須滿足f^2fH的關(guān) 系，實(shí)際中常取fs二(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(guò)程)的快慢，而轉(zhuǎn)換過(guò)程所用的時(shí)間又是保持時(shí)間的一部分。提高 模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度，兩個(gè)方面是必須的 一是提高轉(zhuǎn)換過(guò)程的速度；二是提 高采樣信號(hào)頻率fs，使保持時(shí)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(hào)通過(guò)電光效應(yīng)調(diào)制到光脈沖上，繼而通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 換為低頻電信號(hào)。
近二十年來(lái)，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(jìn)一步提高遇到重大技術(shù)難題l.將孔徑抖動(dòng)(aperture jitter)降 低到lps以下；2.最大采樣速率超過(guò)8Gs/s; 3.在滿足1、 2的基礎(chǔ)上功耗 降低到5W以下。相對(duì)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(shì)。光振蕩頻率為1(^Hz，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(shí)間抖動(dòng)(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(hào)的相對(duì)帶寬，為后續(xù)處理奠定良好基礎(chǔ)。
隨著信號(hào)處理系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)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，光脈沖時(shí)域展寬(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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供 一 種光脈沖時(shí)域展寬(Photonic Time-Stretched)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其是提出將待測(cè)信號(hào)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(shí)域上無(wú)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)明提供一種光脈沖時(shí)域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括超連續(xù)激光光源， 電光調(diào)制器，光電轉(zhuǎn)換器，普通模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中
超連續(xù)激光光源的輸出端通過(guò)第一光纖與電光調(diào)制器的輸入端相連； 電光調(diào)制器的輸出端通過(guò)第二光纖與光電轉(zhuǎn)換器的輸入端相連；光電轉(zhuǎn)換 器的輸出端與普通模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連；
所述的電光調(diào)制器接收待測(cè)電信號(hào)。
其中超連續(xù)激光光源包括 一半導(dǎo)體泵浦激光器； 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。
其中半導(dǎo)體泵浦激光器的輸出波長(zhǎng)為1560nm，該輸出波長(zhǎng)的光信號(hào)產(chǎn) 生lps的光脈沖。
其中光信號(hào)通過(guò)慘鉺光纖放大器后產(chǎn)生三個(gè)不同波長(zhǎng)的信號(hào)，所述波 長(zhǎng)分別為1300nm、 1490nm和1561nm。
其中所述第一光纖和第二光纖均為單模光纖。其中所用電光調(diào)制器為鈮酸鋰電光調(diào)制器。
其中第一光纖和第二光纖的長(zhǎng)度U、 U是根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從而得
到需要的時(shí)域展寬因子M(M二1+U/U)。
電光模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有如下特點(diǎn)l.轉(zhuǎn)換速率高。2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要元 器件少。3.采用微細(xì)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(guò)一個(gè)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(hào)上，再使用第二個(gè)色散元件(如光 纖)進(jìn)一步展寬，隨后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器還原為電信號(hào)，采樣量化。這種方 式可以降低對(duì)電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速率的要求。其中，兩個(gè)色散元件的色
散系數(shù)可以控制，因此就可以通過(guò)控制展寬因子M(M4+L2/U)來(lái)控制光信 號(hào)的展寬程度。
該技術(shù)與光時(shí)分復(fù)用(OTDM)和光波分復(fù)用(OW躍)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(gè)系統(tǒng)的采樣頻率進(jìn)一步提高N倍。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如 后，其中-
圖1為本發(fā)明的光脈沖時(shí)域展寬(Photonic Time-Stretched)模數(shù)轉(zhuǎn) 換器的結(jié)構(gòu)示意圖。
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(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明一種光脈沖時(shí)域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括超連續(xù) 激光光源IO，電光調(diào)制器20，光電轉(zhuǎn)換器30，普通模數(shù)轉(zhuǎn)換器40，其中
超連續(xù)激光光源10的輸出端通過(guò)第一光纖1與電光調(diào)制器20的輸入 端相連；
該超連續(xù)激光光源IO包括 一半導(dǎo)體泵浦激光器ll; 一摻鉺光纖放
大器13，該摻鉺光纖放大器13的輸入端經(jīng)光子晶體12與半導(dǎo)體泵浦激光 器11的輸出端相連，該半導(dǎo)體泵浦激光器11的輸出波長(zhǎng)為1560mn，該輸 出波長(zhǎng)的光信號(hào)產(chǎn)生lps的光脈沖； 一帶通濾波器14，該帶通濾波器14 5的輸入端與摻鉺光纖放大器13的輸出端相連，其中光信號(hào)通過(guò)摻鉺光纖
放大器13后產(chǎn)生三個(gè)不同波長(zhǎng)的信號(hào)，所述波長(zhǎng)分別為1300nm、 1490nm 和1561nm;
電光調(diào)制器20的輸出端通過(guò)第二光纖2與光電轉(zhuǎn)換器30的輸入端相 連；光電轉(zhuǎn)換器30的輸出端與普通模數(shù)轉(zhuǎn)換器40的輸入端相連，其中所 用電光調(diào)制器20為鈮酸鋰電光調(diào)制器，該電光調(diào)制器20接收待測(cè)電信號(hào)。
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(zhǎng)度U、 L2是根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從而得到需要的時(shí)域展寬因子 M(M=1+L2/U)。
通過(guò)以上分析，以下具體設(shè)計(jì)原形系統(tǒng)。
工作原理
待測(cè)電信號(hào)先對(duì)一線性啁啾光脈沖串進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，被調(diào)制的啁啾光 脈沖串再通過(guò)一段光纖色散展寬，得到低速的待測(cè)信號(hào)。
如圖2中，由光纖鎖模激光器產(chǎn)生的超短光脈沖串通過(guò)一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)i 的單模光纖產(chǎn)生線性啁啾，待測(cè)電信號(hào)通過(guò)鈮酸鋰電光調(diào)制器對(duì)此光脈沖
串進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。調(diào)制后的光脈沖串再通過(guò)一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)2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(cè)信號(hào)在時(shí)域上得到展寬，最后 通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器輸出電信號(hào)。時(shí)域展寬方法用于連續(xù)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)， 需要根據(jù)光脈沖的脈寬和啁啾特性，將輸入信號(hào)首先分割成小段，分別進(jìn) 行時(shí)域擴(kuò)展。如果時(shí)域展寬的展寬因子為M (M=l+L2/U)，則輸入連續(xù)信 號(hào)至少要分為M路時(shí)域展寬并行處理，分別擴(kuò)展M倍后由低速A/D轉(zhuǎn)換器 分別處理。
高速A/D轉(zhuǎn)換中，脈沖的時(shí)間抖動(dòng)和脈寬都是轉(zhuǎn)換誤差的主要來(lái)源， 下面對(duì)光脈沖質(zhì)量的要求做簡(jiǎn)要分析。
1、取樣脈沖的時(shí)間抖動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。
設(shè)第i個(gè)取樣點(diǎn)為ti時(shí)刻，取樣間隔時(shí)間為At，則ti+^ti+At，如 果時(shí)間間隔因抖動(dòng)變?yōu)锳t'，將因此引入測(cè)量誤差。設(shè)輸入信號(hào)波形為 V=Vmsin(27tfrat)
其中fm為輸入信號(hào)的最大頻率。則由于脈沖抖動(dòng)引入的調(diào)制幅度誤差
為<formula>formula see original document page 7</formula> 當(dāng)St很小時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為<formula>formula see original document page 7</formula>則由引入的最大幅度誤差為
1 5V I隨二2兀fm VmSt隨
其中St,是最大時(shí)間抖動(dòng)量。通常要求誤差小于A/D轉(zhuǎn)換的量化誤
差，即要求
<formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>高速取樣對(duì)取樣脈沖的時(shí)間抖動(dòng)特性要求非常高，通常在亞皮秒(ps)量級(jí)。
2、脈沖寬度AT對(duì)測(cè)量的影響。
設(shè)輸入信號(hào)波形為<formula>formula see original document page 7</formula>則在t，時(shí)刻由于脈沖寬度引入
的調(diào)制幅度誤差
<formula>formula see original document page 7</formula>
利用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)
<formula>formula see original document page 7</formula>由于要求5V小于量化誤差的1/2，即ISVl隨〈AV/2 ，求得 AT〈(3/2H"。
權(quán)利要求
1、一種光脈沖時(shí)域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括超連續(xù)激光光源，電光調(diào)制器，光電轉(zhuǎn)換器，普通模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中超連續(xù)激光光源的輸出端通過(guò)第一光纖與電光調(diào)制器的輸入端相連；電光調(diào)制器的輸出端通過(guò)第二光纖與光電轉(zhuǎn)換器的輸入端相連；光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與普通模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連；所述的電光調(diào)制器接收待測(cè)電信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光脈沖時(shí)域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 其中超連續(xù)激光光源包括一半導(dǎo)體泵浦激光器；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。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光脈沖時(shí)域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 其中半導(dǎo)體泵浦激光器的輸出波長(zhǎng)為1560nm，該輸出波長(zhǎng)的光信號(hào)產(chǎn)生 lps的光脈沖。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光脈沖時(shí)域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 其中光信號(hào)通過(guò)摻鉺光纖放大器后產(chǎn)生三個(gè)不同波長(zhǎng)的信號(hào)，所述波長(zhǎng)分 別為1300nm、 1490nm和1561nm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光脈沖時(shí)域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 其中所述第一光纖和第二光纖均為單模光纖。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光脈沖時(shí)域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 其中所用電光調(diào)制器為鈮酸鋰電光調(diào)制器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光脈沖時(shí)域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 其中第一光纖和第二光纖的長(zhǎng)度U、 L2是根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從而得到需 要的時(shí)域展寬因子M(M=1+L2/U)。
全文摘要
一種光脈沖時(shí)域展寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括超連續(xù)激光光源，電光調(diào)制器，光電轉(zhuǎn)換器，普通模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中超連續(xù)激光光源的輸出端通過(guò)第一光纖與電光調(diào)制器的輸入端相連；電光調(diào)制器的輸出端通過(guò)第二光纖與光電轉(zhuǎn)換器的輸入端相連；光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與普通模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連；所述的電光調(diào)制器接收待測(cè)電信號(hào)。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101676787SQ200810222338
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者倪衛(wèi)寧, 強(qiáng) 張 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所