[發(fā)明專利]一種基于雙驅動電光調(diào)制器陣列的高速光子數(shù)模轉換方法

有效

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• 申請日: 2021-04-28
• 公開（公告）號: CN113238428B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設計）人: 楊淑娜;胡曉云;楊波;池灝;歐軍;李齊良
• 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: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發(fā)明公開了一種基于雙驅動電光調(diào)制器陣列的高速光子數(shù)模轉換方法。本發(fā)明使用半導體激光器的輸出光波作為系統(tǒng)載波源，通過光分束器和光衰減器陣列實現(xiàn)強度加權的并行光載波，將待轉換的數(shù)字信號并行輸入到雙驅動電光調(diào)制器陣列中對光載波進行強度調(diào)制，即相鄰兩bit的數(shù)字信號并行驅動同一個電光調(diào)制器。調(diào)制信號通過光電探測器轉換為電信號，后通過電耦合器將不同通道的調(diào)制輸出進行功率非相干疊加，功率疊加信號接入低通濾波器進行平滑處理，從而實現(xiàn)由輸入數(shù)字信號控制的模擬信號輸出。本發(fā)明基于雙驅動調(diào)制器陣列結構，所用調(diào)制器個數(shù)減少一半，極大簡化了系統(tǒng)結構，實現(xiàn)了系統(tǒng)精度的雙倍提升；此外該系統(tǒng)具有良好的可擴展性和易集成度。

技術領域

本發(fā)明屬于光通信的信號處理技術領域，具體涉及一種基于雙驅動電光調(diào)制器陣列的高速光子數(shù)模轉換方法及系統(tǒng)。

背景技術

數(shù)模轉換器(Digital-to-analog Converter,DAC)作為數(shù)字世界和模擬世界之間的橋梁，DAC在電子產(chǎn)品、精密儀器儀表和航空通信中發(fā)揮著至關重要的作用。在過去的十幾年里，DAC作為數(shù)字信號到模擬信號轉換的關鍵器件，性能優(yōu)劣直接影響整個信號處理系統(tǒng)的速率、帶寬和精度。然而隨著雷達系統(tǒng)、實時監(jiān)控和醫(yī)學成像等同時要求大帶寬和高分辨率的應用出現(xiàn)，傳統(tǒng)的電子DAC由于射頻延遲、時間抖動和電磁干擾等電子固有限制，無法同時提高轉化速率與轉化精度，無法滿足現(xiàn)有信號處理系統(tǒng)大帶寬、高精度的需求。隨著光子器件和技術的發(fā)展，光子DAC可以避免傳統(tǒng)電子DAC在能量效率和帶寬間權衡的缺陷。和電子DAC相比，光子DAC具有低損耗、大帶寬和抗電磁干擾的優(yōu)勢；并且鎖模激光器產(chǎn)生的高重復頻率、低時間抖動的優(yōu)質(zhì)脈沖，作為光子DAC系統(tǒng)的采樣源，其采樣速率可高達100GS/s，時間抖動可低至飛秒量級。因此光子數(shù)模轉換技術在信號處理方面具有非常大的研究空間和應用價值。

現(xiàn)有的光學數(shù)模轉換方案根據(jù)數(shù)字信號的輸入類型分為串行和并行兩類。早在2001年日本NTT公司提出一種基于加權延時的光學串行數(shù)模轉換方案，該方案將4-bit數(shù)字信號均分成四個通道，每個通道的串行數(shù)字信號依次延遲一個比特周期后輸入光衰減器，通過功率調(diào)整實現(xiàn)不同比特位的強度加權，后通過干涉儀相干疊加，最后利用光開關提取對應每一幀數(shù)字信號轉換后的信號，后經(jīng)低通濾波器進行模擬信號的平滑輸出。該方案最大的缺點是需要精準控制每路信號的相位從而實現(xiàn)相干疊加，并且需要高速光開關提取每一幀數(shù)字信號對應的疊加信號才可實現(xiàn)數(shù)模轉換的功能。為了克服上述方案中相干疊加的限制，清華大學在2008年提出了基于多波長加權脈沖的光子數(shù)模轉換方法，該方案利用色散光纖使加權多波長脈沖在時域上分離，后經(jīng)過調(diào)制器對串行數(shù)字信號進行強度調(diào)制，再用色散補償光纖將時域分離的多波長光脈沖匯聚實現(xiàn)加權非相干疊加。但是該方案系轉換速率受限于多波長加權脈沖的重復周期，并且對系統(tǒng)光纖色散量以及色散匹配都有嚴格的要求。和串行數(shù)模轉換方案相比，并行光學數(shù)模轉換方案具有信號轉換速率高、系統(tǒng)易集成的優(yōu)點。IPITEK在2003年提出基于電光調(diào)制器陣列的光學并行數(shù)模轉換方案，該方案利用電光調(diào)制器陣列實現(xiàn)對并行輸入數(shù)字信號的強度調(diào)制，再通過光電探測器陣列實現(xiàn)調(diào)制信號的非相干疊加，后由低通濾波器平滑輸出轉換所得的模擬信號。該方案系統(tǒng)轉換速率高且易于集成，但是系統(tǒng)結構復雜，需要大量的電子器件來實現(xiàn)信號的非相干功率疊加。為簡化系統(tǒng)結構，2007年清華大學在IPITEK并行方案基礎上采用了寬帶光源來降低非相干疊加過程中的干涉噪聲。2013年清華大學提出基于差分相移鍵控調(diào)制的光學并行數(shù)模轉換方案，該方案結合差分相移鍵控調(diào)制和平衡探測，實現(xiàn)了雙極性數(shù)模轉換方案。該方案比單極性數(shù)模轉換器具有更大的噪聲容限和動態(tài)范圍，但該方案的差分信號編解碼結構使得系統(tǒng)結構復雜，不利于集成。此外2016年南京航空航天大學出了一種基于偏振調(diào)制器的光學并行數(shù)模轉換方案。該方案利用偏振分束器將光載波分成兩路偏振態(tài)正交的強度加權光載波，經(jīng)過調(diào)制器對數(shù)字信號進行強度調(diào)制后，利用偏振合束器實現(xiàn)不同偏振態(tài)調(diào)制信號的疊加得到轉換后的模擬信號。該方案利用偏振調(diào)制器可提高系統(tǒng)的轉換精度，但系統(tǒng)對偏振調(diào)制器要求較高，并且對光信號的偏振控制有嚴格的要求。因此，如何利用簡單有效的方法來簡化光子數(shù)模轉換系統(tǒng)結構并且提升系統(tǒng)性能仍然是一個值得關注的問題。

發(fā)明內(nèi)容