光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術指標、性能與應用分析

一、引　言

當今世界是一個高度數(shù)字化的世界，系統(tǒng)設計者們越來越傾向于將所有的處理過程數(shù)字化，這是由于數(shù)字技術的諸多吸引人之處，如：速度快、靈活性大、系列化、可靠性高等。這樣一來，模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為將現(xiàn)實的模擬世界和數(shù)字化的世界聯(lián)系起來的橋梁，其作用越來越重要，對其性能的要求也越來越高。

高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬傳感器（例如雷達、通信設備和電子戰(zhàn)設備）和數(shù)字信號處理系統(tǒng)之間聯(lián)系的必不可少的環(huán)節(jié)。近年來，一方面，隨著電子計算機的普及應用及檢測自動化程度的不斷提高，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能（比特精度、采樣速率等）提出了更高的要求。寬帶雷達、電子偵察、電子對抗、核武器監(jiān)控、擴頻通信等信號處理系統(tǒng)都要求Gsps以上的高轉(zhuǎn)換速率。例如：一個相位陣列天線，理想情況下需要上百個乃至上千個低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，典型情況下，每一個要求 100 MHz帶寬和16 bit精度。盡管這些器件可能僅占整個系統(tǒng)的很小一部分，卻可能是影響整個系統(tǒng)性能的瓶頸因素。另一方面，并行計算結構及其技術的發(fā)展，產(chǎn)生了具有100GHz浮點運算能力的數(shù)字處理器， 但由于ADC性能的限制而使其不能被充分利用。如果能得到采樣速率在10～100 Gsps的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不但可以改善現(xiàn)有系統(tǒng)的性能，而且將具有新的應用前景。

目前，模數(shù)轉(zhuǎn)換器從采用的技術上來說主要有3種：電子半導體模數(shù)轉(zhuǎn)換器、超導材料模數(shù)轉(zhuǎn)換器和光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器（OADC）。超導材料由于需要低溫條件，在很大程度上限制它的應用領域。目前，應用最為廣泛的是電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有適用范圍廣泛、制造技術成熟、成本較低等諸多優(yōu)點。但在高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器領域，它存在著先天的不足。當采樣速率大于2 Msps時，由于受孔徑抖動的影響，而導致的采樣時間具有不確定性。其變化趨勢是，當采樣速率每增加一倍，其比特精度就大約下降1 bit。在過去的近10年時間中，在給定采樣速率下，電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比特精度的提高平均只有1．5個比特。目前，電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以達到的最快采樣速率為8 Gsps，精度為3 bit；在8 bit精度下，可以達到4 Gsps的采樣速率。但這已經(jīng)基本接近其理論的極限，即使采樣速率可以再提高，但其相應的比特精度也會相應的下降。因此，要達到實際應用的要求，即在10 Gsps以上的采樣速率，并且具有合適的比特精度（4 bit以上），就必須尋求新的突破。采用光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術，已經(jīng)成為高轉(zhuǎn)換速率、高比特精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢。

二、光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術指標

光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器和其它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器一樣，其主要技術指標包括：標定精度（Stated Resolution，以編碼后的二進制數(shù)字的位數(shù)N表示，通常以比特數(shù)來代表）、采樣速率（以每秒采樣次數(shù)表示，samples／s或sps）、信噪比（SNR）、無寄生動態(tài)范圍（SFDR，即Spu－rious－free Dynamic Range）和功率消耗（Pdiss）等，其中標定精度和采樣速率是其主要的性能指標。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一個常用技術指標為有效比特精度（Neff），有效比特精度是指在輸出的標定精度的比特位中，又多少位是實際有效的，它可以用信噪比表示，其轉(zhuǎn)換關系為

三、光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究進展

光學模數(shù)轉(zhuǎn)換技術最初由S.Wright等人于1974年提出，其后在采用的技術上先后形成了2人主流的研究階段，一個是70年代中后期到80年代中期，主要采用集成光學技術，其主要的器件形式為LiNbO3波導Mach－Zehnder干涉儀陣列、平衡橋式調(diào)制器和通道光波導Fabry－Perot調(diào)制器陣列3種形式。二是從90年代初開始的，通過借鑒光通信的時分復用和波分復用的技術方案，開始采用光電混合方式的時分或波分方式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過并行處理的方式來降低所需要的采樣速率。

Wright提出的光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號電壓V加在建立在電光材料襯底上的叉指（Interdigi－tal）電極上，對通過襯底的激光束的波前進行空間周期相位調(diào)制，結果在遠場得到不同衍射級。通過調(diào)節(jié)零階和一階閾值，可以得到2 bit格林碼輸出，并可以通過應用第三個比較器，將符號位包括進去。這一方案同其后的各個方案相比，無疑是粗鄙的，但它開創(chuàng)了光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的先河，其提出的采用電光調(diào)制器、光探測器等原則在今天仍是適用的。

真正對光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展產(chǎn)生廣泛影響的是Taylor在1975年提出的采用集成光學的Mach－Zehnder干涉儀陣列的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。

它采用若干集成的馬赫－曾德爾干涉儀組成陣列，要被數(shù)字化的模擬電壓V同時加在每一個調(diào)制器的電極上，電極的長度Ln按二進制序列（2n）變化。當輸入強度為I0的激光通過其中一個調(diào)制器時，由兩臂合成的輸出光強In由于干涉而發(fā)生變化，其變化可以表示為

式中 ψn為由于外加電壓V引起的兩臂之間的附加光相位差；

ψn為兩臂不對稱所致兩臂之間的靜態(tài)相位差。

各個調(diào)制器的輸出光強被光電探測器接收后，經(jīng)過與相同的閾值電壓比較，將光強值量化為二進制數(shù)碼“0”或“1”?？刹捎玫牧硪环N方式是稍微改變比較器陣列的設計，包括對一些調(diào)制器設定固定的相位，以產(chǎn)生格雷碼格式的輸出，其輸出形式如圖2所示。之所以要選擇格雷碼，是因為其在每一個量化級上僅產(chǎn)生一位比特碼的變化，不象移位二進制碼，在一些特定的量化級有多個比特位的變化。

式（2）中的φn可以表示為

而 最低有效位的電極長度），這樣當比特位增加時，半波電壓很快就減少到工藝水平所能達到的程度，這也是限制光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器比特精度提高的一個主要方面。

Tayler的方案形式簡單，可以直接產(chǎn)生格雷碼輸出，并且所有器件原則上可以集成到一個芯片上。采用該方案的其中一種器件做到了1 GHz的采樣速率、4 bit碼轉(zhuǎn)換，有500 MHz的信號帶寬。但是對這種方案的一個基本的限制是每增加一個比特需要比最低有效位的調(diào)制器電極的長度增加一倍。以LiNbO3為例，當其有效位為6 bit時，渡越時間的限制使其采樣數(shù)率大約為1 GHz。并且隨著比特數(shù)的增加，Y分路器也相應增加，這樣將導致總的插入損耗增大，同樣也限制了比特精度的提高。

平衡橋式光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器用3 dB耦合器代替Y分支波導（見圖3），以降低傳輸損耗，而且由于調(diào)制器后的比較器的2個輸入端受到相同的作用，因而即使光源的強度發(fā)生起伏也不致于引起明顯的轉(zhuǎn)換誤差。但該結構工藝上比較苛刻，而且同Mach－Zehnder型模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，需要2倍的比較器。

通道光波導Fabry－Perot調(diào)制器（見圖4）不需要制作復雜的Y分叉波導，而只需要制作直的通道波導，避免了技術上的復雜性并且減少了器件的總長度，降低了光插入損耗。但是每一比特位就需要一個激光器，這就影響了它的比特位的提高

上述2種器件都是由Taylor的方案改進、演化而來，從原理上來說，它們都依然擺脫不了半波電壓帶來的限制，總的說來性能也沒有能夠超過Mach－Zehnder型的光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能限制。但Taylor提出的方案具有很深遠的影響，進入90年代以后，還有人對其進一步加以改進，以期能提高它的性能。這里值得一提的有2種方法。一種方法提出了一種對稱數(shù)字系統(tǒng)，其核心思想是通過增加少量比較器，得到多個不同的量化級，從而顯著的增加了比特精度，其編碼方案如圖5所示。該方法采用3個干涉儀，39個比較器，可實現(xiàn) 11 bit的精度。但這種方法提高的是標稱精度，對有效比特位提高遠不如標稱精度那么大。另一種方法通過優(yōu)化波導的設計，提出了一種光學folding－ flash模數(shù)轉(zhuǎn)換器，免除了每增加一個比特位，就需要增加電極長度一倍的限制，其波導設計如圖6所示。但是其Y分支波導圖6　光學folding－flash模數(shù)轉(zhuǎn)換器示意圖的設計無疑將更加復雜。上述2種方法各有其限制，但其思想方法還是很值得我們借鑒的。總的說來，對第一代光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究，在進入90年代以后，已基本趨于停滯。這里一方面是由于第一代光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器本身原理上的限制，另一方面也是由于電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的進一步發(fā)展，其性能已經(jīng)超過了第一代光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能達到的水平。

在90年代，人們面臨著這樣一種情況：一方面模數(shù)轉(zhuǎn)換器仍然是許多系統(tǒng)性能進一步提高的瓶頸因素，另一方面電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第一代光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能都不能滿足要求。這迫使人們積極尋找新的模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術。這時的光通信技術的逐步成熟，以及其飛速發(fā)展，為人們發(fā)展光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術提供了新的思路。人們開始借鑒光通信中的時分復用、波分復用等方法，利用激光的高速率、時間精度高等特性來進行采樣，利用光通信的復用器件，將采樣后的信號并行化，以降低量化所需要的高速率。這些方案在器件上大多與電子技術相結合，利用電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行后期的量化處理。較早提出的是2種比較簡單的方案，第一種是用采用時分復用的技術，利用鎖模激光器的高重復率脈沖通過調(diào)制器對電信號進行采樣，經(jīng)過光開關進行光時分復用，將不同時序上的信號分配到不同的光路上，經(jīng)過光電變換后，再經(jīng)過電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行量化（如圖7）。第二種是采用多個激光器，通過精確控制各個不同激光脈沖的時序，讓各個波長的激光脈沖依次對模擬信號進行采樣，然后經(jīng)過波分復用后，將不同波長的采樣信號分配到不同的光路上，其后的處理同時分復用相同（如圖8）。這2種模數(shù)轉(zhuǎn)換器都具有比第一代光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器更高的采樣速和比特精度，但2種方案都需要復雜、精確的定時裝置，這一點無疑提高了系統(tǒng)的復雜性。另外，時分復用方案的采樣速率的提高還要依賴于光開關的速率的提高，波分復用方案的比特精度的提高是以增加激光器的數(shù)量為代價的，這些都是限制這2種方案性能提高的瓶頸因素。

在上述2種方案的基礎上，人們繼續(xù)開展研究，提出了一種基于光學延時的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它吸收了上述2種方案的優(yōu)點，又省去了復雜的定時電路。其中的一種實現(xiàn)方案如圖9所示，它采用超連續(xù)（Supercontinnum）的寬光譜的EDFL光纖激光器（譜寬為幾十納米，脈沖寬度為亞皮秒，重復率為吉赫茲左右），經(jīng)時一段光纖的傳輸后，首先經(jīng)過一個偏振分束器（PBS），然后將偏振光通過一個WDM 器件，將其分成若干個波長，各個波長各自通過不同長度的保偏光纖后，由法拉第鏡將各個波長的光反射回去，再次經(jīng)過WDM和偏振分束器后，合成一路包含不同波長光的脈沖序列，通過一個調(diào)制器對射頻信號進行采樣，采樣后的脈沖序列再經(jīng)過另一個WDM器件，將其按波長分配到不同的光路上，實現(xiàn)了并行處理。采用這種方案的一種器件做到了18 Gsps的采樣速率和7 bit的采樣精度。

相對于國外光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的飛速發(fā)展，國內(nèi)在光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器領域的研究起步較晚，在80年代末期才開始這一方面的研究。上海交通大學應用物理系在90年代初期對Mach－Zehnder型集成光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器做了研究，沈陽工業(yè)學院和中科院長春物理研究所合作在1994年研制了LiNbO3質(zhì)子交換光波導Fabry－Perot型4位電光模數(shù)轉(zhuǎn)換器。目前國內(nèi)尚未有對第二階段的光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行研究。

四、光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應用

光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器在許多方面有著重要應用，目前對光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究，主要集中在需要高速信息采集處理的系統(tǒng)中的應用上，其中最主要的應用是微波數(shù)字雷達。眾所周知，現(xiàn)在的微波數(shù)字接收器要求將接收到的模擬信號經(jīng)過幾步的混頻和濾波，以將信號頻率降到電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基帶范圍內(nèi)，這一過程不僅昂貴，而且又限制了系統(tǒng)的可靠性和瞬時帶寬，同時也增加了系統(tǒng)的尺寸和重量。另外，每一次的混頻過程，都會帶來信號的失真，增加電磁干擾。如果能研制出一個高速、高動態(tài)范圍的的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使其能夠直接對射頻信號進行數(shù)字化，這樣就會極大地改善數(shù)字接收器的性能。據(jù)《簡氏國際防務評論》1998年6月報道：美國國防高級研究計劃局計劃在今后4年中在“光電模－數(shù)轉(zhuǎn)換器技術”上花費約4 000萬美元，其目的是提供能處理高達1 000 Gsps采樣速率的裝置。“光電模－數(shù)轉(zhuǎn)換器”計劃的目的是通過應用先進的光電部件（例如激光器、調(diào)制器、探測器以及微電子和光電子器件）來克服過 去采用的電子電路的局限性。這將允許在軍事系統(tǒng)感興趣的整個頻譜范圍內(nèi)在信號源處對信號進行直接的模－數(shù)轉(zhuǎn)換，從而在以下幾方面獲得性能改進：改進數(shù)字波形成形以抑制干擾；具有較寬的動態(tài)范圍以便探測雜波中的目標；具有較寬的瞬時帶寬以便改進對目標的識別，例如，當采樣速率達到1 000 Gsps時，可能會產(chǎn)生對毫米波信號進行直接寬帶模－數(shù)轉(zhuǎn)換的新能力。

五、結　語

光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術除了上述提到的主流技術外，還有著各種各樣的非主流和輔助技術，如采用SEED的光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采用聲光熱調(diào)制的光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器和利用光學過采樣技術（∑Δ技術）以提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的有效比特精度等等。這些技術的存在，一方面說明了光學模數(shù)轉(zhuǎn)換技術還處于探索階段，是一種還沒有真正成熟的技術，另一方面也說明了光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有廣闊的研究前景。從光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢來看，系統(tǒng)趨于復雜，要實現(xiàn)現(xiàn)采樣速率超過100 Gsps的實用模數(shù)轉(zhuǎn)換器還要依靠器件及材料上有新的突破。

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