光子模數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用范文

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摘要：采用新型可飽和吸收體和鎖模機(jī)制，研制了低抖動(dòng)高重頻寬光譜飛秒光纖激光器，并實(shí)現(xiàn)了高性能光采樣脈沖的產(chǎn)生．給出了時(shí)間－波長交織和時(shí)間拉伸光模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)架構(gòu)；闡明了通道失配產(chǎn)生的原因及其校正方法；研究了光模數(shù)轉(zhuǎn)換在雷達(dá)和示波器等系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用光子學(xué)高速寬帶特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的光子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可有效克服電子瓶頸，實(shí)現(xiàn)高速寬帶信號(hào)的采樣．

關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換；采樣率；帶寬；有效比特位雷達(dá)、電子對(duì)抗等

國防電子裝備和示波器等電子測量設(shè)備的發(fā)展趨勢是高速、寬帶化，其核心技術(shù)之一是模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog－to－DigitalConversion，ADC），在現(xiàn)有系統(tǒng)里通常由電ADC芯片來完成．20世紀(jì)90年代之后，微電子技術(shù)的發(fā)展極大提升了電ADC芯片的性能．至今，采樣時(shí)鐘抖動(dòng)、比較器模糊等指標(biāo)已開始接近物理極限，進(jìn)一步提高采樣率和系統(tǒng)帶寬等性能的難度越來越大［1］．與電子學(xué)相比，光子學(xué)具有高速、寬帶的優(yōu)勢，已在光纖通信領(lǐng)域得到很好的發(fā)揮．該優(yōu)勢也能用來克服電子瓶頸，實(shí)現(xiàn)光子模數(shù)轉(zhuǎn)換（PhotonicADC，PADC）［2－3］．PADC的概念在20世紀(jì)70年代就已提出［4］．近年來，隨著應(yīng)用需求的日益迫切，以及光子器件和波分復(fù)用（WDM）、時(shí)分復(fù)用（OTDM）等技術(shù)的日趨成熟，其研究工作倍受重視并取得了很大進(jìn)展［5］．本文闡述課題組在PADC關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用方面的研究進(jìn)展．1PADC關(guān)鍵技術(shù)PADC的主要性能指標(biāo)包括采樣率、采樣帶寬和量化精度．在實(shí)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(dá)到的量化精度會(huì)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(tǒng)的信納比（單位為dB），它除了受限于系統(tǒng)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(shí)鐘的抖動(dòng)．因此，如何產(chǎn)生高速、低抖動(dòng)光采樣脈沖，是實(shí)現(xiàn)高性能PADC的基礎(chǔ)．

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

1．2時(shí)間－波長交織和時(shí)間拉伸光采樣技術(shù)

PADC可采用光量化［11］和電量化兩種方案．由于光學(xué)材料的非線性效應(yīng)比較弱，導(dǎo)致全光量化的精度不高，限制了其在寬帶雷達(dá)等系統(tǒng)中的應(yīng)用．因此，為提高PADC精度，多數(shù)采用“光采樣＋電量化”的方案．光采樣過程是通過電光調(diào)制器，把被采樣的電信號(hào)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(gè)子單元．一般而言，采樣速率和帶寬易得到保證，關(guān)鍵是量化位數(shù)．采用時(shí)間－波長交織方式產(chǎn)生的光采樣脈沖，含有M個(gè)波長．以每個(gè)波長作為一個(gè)通道，可以將采樣后的高速脈沖序列分解為M個(gè)通道．這樣，每個(gè)通道的速率降低至原來的1／M，極大減輕了對(duì)電ADC芯片的帶寬和速率壓力［12］．通過后端數(shù)據(jù)融合處理，便可重構(gòu)出完整的信號(hào)．時(shí)間－波長交織PADC的架構(gòu)如圖2所示．在光采樣時(shí)鐘產(chǎn)生單元，考慮到光纖和波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用等器件存在雙折射效應(yīng)且插入損耗各異，采用了旋轉(zhuǎn)角為45°的法拉第反射鏡（FRM）和可調(diào)光衰減器（VOA）來消除雙折射效應(yīng)和幅度不一致性．另一種方案是采用時(shí)間拉伸（TimeStretch）技術(shù)，亦可減輕后端電路的壓力．時(shí)間拉伸實(shí)際上是一種時(shí)域－頻域變換：高速脈沖經(jīng)過具有色散的光纖后，脈沖寬度在時(shí)域上被展寬，而其譜寬在頻域上被壓縮［13］．它的具體實(shí)現(xiàn)方式是分別在光電調(diào)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(shí)間－波長交織的PADC中，由于工藝和技術(shù)等的限制，各通道難以做到完全匹配，即存在通道失配．與時(shí)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(shí)間失配。

2PADC系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

PADC所具有的高速寬帶特點(diǎn)，使其在通信、電子測量和國防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景．當(dāng)然，作為一項(xiàng)新技術(shù)，還有不少問題需要進(jìn)一步研究，予以完善．下面以雷達(dá)和示波器為例，闡述PADC在寬帶和超高速系統(tǒng)應(yīng)用中的一些關(guān)鍵技術(shù)．

2．1在寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)雷達(dá)在信號(hào)發(fā)和收的過程中需要上下變頻，因此難以實(shí)現(xiàn)多頻段、大帶寬的靈活調(diào)諧．PADC可實(shí)現(xiàn)大瞬時(shí)帶寬回波信號(hào)的直接采樣，加上基于光子學(xué)的射頻信號(hào)產(chǎn)生方法，可使雷達(dá)的架構(gòu)和性能產(chǎn)生革命性變化，這就是倍受矚目的微波光子雷達(dá)［21］．從目前報(bào)道來看，系統(tǒng)的瞬時(shí)帶寬和距離分辨率還不高．對(duì)此，我們采用高重復(fù)頻率的鎖模激光器，提出一種新的微波光子雷達(dá)架構(gòu)，如圖4所示，并實(shí)驗(yàn)演示了Ka波段下8GHz瞬時(shí)帶寬信號(hào)的收發(fā)［22］，此外，針對(duì)PADC在寬帶雷達(dá)信號(hào)接收中的系統(tǒng)失配問題進(jìn)行了研究，通過多參數(shù)失配補(bǔ)償算法來提升系統(tǒng)性能［23］．我們還提出了一種基于時(shí)間拉伸PADC的寬帶雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖5所示［24］．圖中：DE為色散單元；OC為耦合器；TOF為可調(diào)濾波器；VODL為可調(diào)延遲線；PD為光電探測器；EOM為強(qiáng)度調(diào)制器．多波段（可覆蓋X、Ku、Ka波段）、帶寬可調(diào)的發(fā)射信號(hào)也是基于光纖色散效應(yīng)產(chǎn)生的［25］．待采樣的回波信號(hào)調(diào)制到寬帶光脈沖上，利用時(shí)間拉伸效應(yīng)壓縮其帶寬、降低中心頻率．拉伸倍數(shù)越大，壓縮后信號(hào)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(shí)間拉伸不會(huì)丟失信號(hào)的有用成分．通過后端數(shù)據(jù)處理，可還原拉伸前寬帶信號(hào)所攜帶的目標(biāo)信息，從而能保證雷達(dá)的距離分辨力．與Bogoni教授課題組研制的全光雷達(dá)［21］相比，我們將X波段的瞬時(shí)帶寬提高到4GHz，通過時(shí)間拉伸效應(yīng)大幅降低了雷達(dá)接收機(jī)后端量化處理的帶寬和速率壓力［26］．由于實(shí)際目標(biāo)的位置信息其實(shí)是無法預(yù)先知曉的，故希望時(shí)間拉伸PADC的接收系統(tǒng)具有靈活的接收窗口調(diào)節(jié)能力．可以利用可調(diào)光濾波器中心波長選擇特性，通過合理設(shè)計(jì)光脈沖寬度，分時(shí)調(diào)節(jié)其中心波長，來實(shí)現(xiàn)對(duì)探測范圍內(nèi)無盲區(qū)的接收［27］．

2．2在超高速系統(tǒng)中的應(yīng)用

時(shí)間拉伸PADC的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)超高的采樣率和超大的模擬帶寬．由于受系統(tǒng)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(duì)采樣率要求很高、對(duì)ENOB要求不高的系統(tǒng)．為實(shí)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)的采樣，被拉伸后的采樣脈沖必須是連續(xù)的．可以通過時(shí)間－波長交織的方法來實(shí)現(xiàn)，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(diào)制器；PC為偏振控制器；OSC為示波器．后端將多通道信號(hào)在數(shù)字域拼接在一起，便可獲得連續(xù)時(shí)間信號(hào)［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?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)小型化并提高系統(tǒng)所允許的最大光功率．然而，由于CFBG的制作工藝等問題，會(huì)帶來較大的通道間增益、時(shí)間、偏置失配，從而影響系統(tǒng)的性能．連續(xù)模式下通道間失配與數(shù)據(jù)重構(gòu)問題，還需要進(jìn)一步研究．

3結(jié)語

本文系統(tǒng)闡述了時(shí)間－波長交織PADC和時(shí)間拉伸PADC系統(tǒng)原理，對(duì)高性能時(shí)鐘產(chǎn)生、大動(dòng)態(tài)采樣和通道失配校正等關(guān)鍵技術(shù)問題及其解決方法進(jìn)行了深入探索，給出了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果．針對(duì)雷達(dá)等寬帶系統(tǒng)和示波器等超高速系統(tǒng)的應(yīng)用需求，給出了示范性框架結(jié)構(gòu)和針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的解決思路．PADC融合了光子學(xué)和電子學(xué)的優(yōu)勢，是數(shù)字化信息處理、傳輸和應(yīng)用系統(tǒng)的核心技術(shù)．目前，基于分立的光電子器件，已經(jīng)驗(yàn)證了它所具有的優(yōu)勢，并開展了示范性應(yīng)用．今后的發(fā)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(jìn)而得到廣泛應(yīng)用，推動(dòng)信息化技術(shù)向更高速度、更大帶寬、更高精度的方向發(fā)展．

作者：陳建平，鄒衛(wèi)文，吳龜靈，吳侃 單位：上海交通大學(xué)