[發明專利]一種基于分級量化原理的光子模數轉換系統及方法

在審

• 申請號: 202010008437.5
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN111045275A
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 楊淑娜;劉志偉;池灝;楊波;曾然;李齊良;胡淼
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G02F7/00
• 分類號: G02F7/00
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

本發明屬于光通信的信號處理技術領域，具體涉及一種基于分級量化原理的光子模數轉換系統及方法，包括鎖模激光器、第一光分束器、第一電光調制器、第二電光調制器、第三電光調制器、信號發生器、第一直流電源、第二直流電源、第三直流電源、第二光分束器、第三光分束器、第四光分束器、粗量化模塊和細量化模塊。本發明提出的一種基于分級量化原理的光子模數轉換系統及方法，和傳統光子模數轉換系統相比，該方案利用粗?細兩級量化的方式，在等數量MZM的基礎上實現了量化級數的指數次增長，從而極大提升了模數轉換系統的比特精度，同時該系統具有結構簡單、易集成等特點。

技術領域

本發明屬于光通信的信號處理技術領域，具體涉及一種基于分級量化原理的光子模數轉換系統及方法。

背景技術

模數轉換器(ADC)是模擬信號與現代高速數字信號處理系統之間不可或缺的橋梁。近年來，隨著數據采集、無線通信、國防等領域對信號帶寬的要求越來越高，對ADC的采樣速率、系統帶寬、比特精度等性能提出了更高的要求。然而，傳統電子ADC受時間抖動以及其他硬件技術的限制，其發展難以達到現代高速數字信號處理系統的要求。隨著光子技術的發展，利用光學器件和技術來提高ADC的性能引起了國內外研究人員的廣泛興趣。鎖模激光器具有高重復頻率、低時間抖動的特性，可以作為光子ADC中高性能的采樣源，其采樣速率可達100GS/s以上，時間抖動低至飛秒量級；另外，光子ADC與電子ADC相比，帶寬的增加和噪聲幅度的減少可以達到10倍以上的數量級。這一系列優點使其成為突破電子ADC技術瓶頸的最有前景的技術。

1975年，Taylor提出一種基于MZM陣列的光子ADC方案，其利用MZM調制曲線的周期特性來實現對輸入信號的量化編碼。但該方案最大的缺點是MZM的半波電壓需呈2的倍數減小，當系統信道數超過4時，需要調制器的半波電壓小于1V,現有的工藝就很難到相應的要求。為了克服Taylor方案中MZM半波電壓級數遞減的限制，Stigwall在2005年提出利用空間干涉的結構實現對射頻信號的光量化和編碼。該方案通過將多個光探測器按一定的空間位置集成于一個芯片上，從而實現移相光量化。但該方案基于空間干涉對光信號進行處理，容易受到環境的影響，并且結構復雜，技術上難以實現。為改進并實現移相光量化，研究者提出了一系列改進方案，其中包括基于等電極長度MZM陣列的光子量化方案；使用一個相位調制器和偏振干涉移相器的方案；采用并行光強度調制器的模數轉換方案；使用一個相位調制器和延時線干涉儀實現差分編碼的移相光量化方案；基于非平衡MZM的光子量化方案等等。

移相光量化技術最大的局限性在于它實現的比特分辨率較低，一個N通道的系統所實現的量化級數僅為2N，遠低于Taylor方案所實現的2^N個量化級。為了改進移相光量化方案中比特精度較低的問題，在2009年，一種利用多個比較器來提升比特精度的方案被提出。在該方案中，每個光信道使用多個不同閾值的比較器，利用對稱數字系統(SNS)理論對采樣信號進行量化和編碼。但是該方案最大的局限性在于比較器個數較多，大大增加了系統的復雜度。在2014年，一種基于級聯量化的移相光量化方案被提出。在該方案中，第一級量化的輸出功率通過一個定向耦合器陣列作進一步的功率量化，從而達到提升量化級的目的。然而，由于調制器傳遞函數曲線在其上升沿和下降沿是非線性變化的，若第二級量化實現的比特分辨率大于2，定向耦合器陣列中子耦合器數量的增加會導致量化不均勻，這意味著級聯量化后的各個量化級間隔不恒定，量化噪聲增大而導致ENOB的嚴重下降。在2018年，一種利用電路實現對探測信號的線性組合，從而等效增加量化通道數的方案被提出。但受限于邏輯電路的帶寬以及系統復雜性，該方案實現比較困難且會嚴重影響系統的性能。所以，尋求一種系統結構相對簡單的移相光量化方案來提升比特精度仍然是值得關注的一個問題。

發明內容

基于現有技術中存在的上述不足，本發明提供一種基于分級量化原理的光子模數轉換系統及方法。

為了達到上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于分級量化原理的光子模數轉換方法：包括以下步驟：