[讨论] 光学模数转换器的原理及发展

一、引　言
　　当今世界是一个高度数字化的世界，系统设计者们越来越倾向于将所有的处理过程数字化，这是由于数字技术的诸多吸引人之处，如：速度快、灵活性大、系列化、可靠性高等。这样一来，模数转换器作为将现实的模拟世界和数字化的世界联系起来的桥梁，其作用越来越重要，对其性能的要求也越来越高。
　　高性能的模数转换器是模拟传感器（例如雷达、通信设备和电子战设备）和数字信号处理系统之间联系的必不可少的环节。近年来，一方面，随着电子计算机的普及应用及检测自动化程度的不断提高，对模数转换器的性能（比特精度、采样速率等）提出了更高的要求。宽带雷达、电子侦察、电子对抗、核武器监控、扩频通信等信号处理系统都要求Gsps以上的高转换速率。例如：一个相位阵列天线，理想情况下需要上百个乃至上千个低功耗模数转换器，典型情况下，每一个要求 100 MHz带宽和16 bit精度。尽管这些器件可能仅占整个系统的很小一部分，却可能是影响整个系统性能的瓶颈因素^［5］。另一方面，并行计算结构及其技术的发展，产生了具有100GHz浮点运算能力的数字处理器，但由于ADC性能的限制而使其不能被充分利用。如果能得到采样速率在10～100 Gsps的模数转换器，不但可以改善现有系统的性能，而且将具有新的应用前景。
　　目前，模数转换器从采用的技术上来说主要有3种：电子半导体模数转换器、超导材料模数转换器和光学模数转换器（OADC）。超导材料由于需要低温条件，在很大程度上限制它的应用领域。目前，应用最为广泛的是电子模数转换器，它具有适用范围广泛、制造技术成熟、成本较低等诸多优点。但在高性能模数转换器领域，它存在着先天的不足。当采样速率大于2 Msps时，由于受孔径抖动的影响，而导致的采样时间具有不确定性。其变化趋势是，当采样速率每增加一倍，其比特精度就大约下降1 bit。在过去的近10年时间中，在给定采样速率下，电子模数转换器的比特精度的提高平均只有1．5个比特。目前，电子模数转换器可以达到的最快采样速率为8 Gsps，精度为3 bit；在8 bit精度下，可以达到4 Gsps的采样速率。但这已经基本接近其理论的极限，即使采样速率可以再提高，但其相应的比特精度也会相应的下降^［1］。因此，要达到实际应用的要求，即在10 Gsps以上的采样速率，并且具有合适的比特精度（4 bit以上），就必须寻求新的突破。采用光学模数转换器技术，已经成为高转换速率、高比特精度模数转换器的发展趋势。
二、光学模数转换器的主要技术指标
　　光学模数转换器和其它的模数转换器一样，其主要技术指标包括：标定精度（Stated Resolution，以编码后的二进制数字的位数N表示，通常以比特数来代表）、采样速率（以每秒采样次数表示，samples／s或sps）、信噪比（SNR）、无寄生动态范围（SFDR，即Spu－rious－free Dynamic Range）和功率消耗（P_diss）等，其中标定精度和采样速率是其主要的性能指标。模数转换器的另一个常用技术指标为有效比特精度（N_eff），有效比特精度是指在输出的标定精度的比特位中，又多少位是实际有效的，它可以用信噪比表示，其转换关系为

三、光学模数转换器的研究进展
    光学模数转换技术最初由S.Wright^[2]等人于1974年提出,其后在采用的技术上先后形成了2人主流的研究阶段，一个是70年代中后期到80年代中期，主要采用集成光学技术，其主要的器件形式为LiNbO₃波导Mach－Zehnder干涉仪阵列、平衡桥式调制器和通道光波导Fabry－Perot调制器阵列3种形式。二是从90年代初开始的，通过借鉴光通信的时分复用和波分复用的技术方案，开始采用光电混合方式的时分或波分方式的模数转换器，通过并行处理的方式来降低所需要的采样速率。
　　Wright提出的光学模数转换器是将模拟信号电压V加在建立在电光材料衬底上的叉指（Interdigi－tal）电极上，对通过衬底的激光束的波前进行空间周期相位调制，结果在远场得到不同衍射级。通过调节零阶和一阶阈值，可以得到2 bit格林码输出，并可以通过应用第三个比较器，将符号位包括进去。这一方案同其后的各个方案相比，无疑是粗鄙的，但它开创了光学模数转换器的先河，其提出的采用电光调制器、光探测器等原则在今天仍是适用的。
　　真正对光学模数转换器的发展产生广泛影响的是Taylor在1975年提出的采用集成光学的Mach－Zehnder干涉仪阵列的模数转换器^［3］，如图1所示。

它采用若干集成的马赫－曾德尔干涉仪组成阵列，要被数字化的模拟电压V同时加在每一个调制器的电极上，电极的长度L_n按二进制序列（2ⁿ）变化。当输入强度为I₀的激光通过其中一个调制器时，由两臂合成的输出光强I_n由于干涉而发生变化，其变化可以表示为

式中 ψ_n为由于外加电压V引起的两臂之间的附加光相位差；
    ψ_n为两臂不对称所致两臂之间的静态相位差。
　　各个调制器的输出光强被光电探测器接收后，经过与相同的阈值电压比较，将光强值量化为二进制数码“0”或“1”。可采用的另一种方式是稍微改变比较器阵列的设计，包括对一些调制器设定固定的相位，以产生格雷码格式的输出，其输出形式如图2所示。之所以要选择格雷码，是因为其在每一个量化级上仅产生一位比特码的变化，不象移位二进制码，在一些特定的量化级有多个比特位的变化。

    式（2）中的φ_n可以表示为

而最低有效位的电极长度），这样当比特位增加时，半波电压很快就减少到工艺水平所能达到的程度，这也是限制光学模数转换器比特精度提高的一个主要方面。
　　Tayler的方案形式简单，可以直接产生格雷码输出，并且所有器件原则上可以集成到一个芯片上。采用该方案的其中一种器件做到了1 GHz的采样速率、4 bit码转换，有500 MHz的信号带宽^［4］。但是对这种方案的一个基本的限制是每增加一个比特需要比最低有效位的调制器电极的长度增加一倍。以LiNbO₃为例，当其有效位为6 bit时，渡越时间的限制使其采样数率大约为1 GHz^［5］。并且随着比特数的增加，Y分路器也相应增加，这样将导致总的插入损耗增大，同样也限制了比特精度的提高。
　　平衡桥式光学模数转换器用3 dB耦合器代替Y分支波导^［6］（见图3），以降低传输损耗，而且由于调制器后的比较器的2个输入端受到相同的作用，因而即使光源的强度发生起伏也不致于引起明显的转换误差。但该结构工艺上比较苛刻，而且同Mach－Zehnder型模数转换器相比，需要2倍的比较器。
　　通道光波导Fabry－Perot调制器^［7］（见图4）不需要制作复杂的Y分叉波导，而只需要制作直的通道波导，避免了技术上的复杂性并且减少了器件的总长度，降低了光插入损耗。但是每一比特位就需要一个激光器，这就影响了它的比特位的提高

　　上述2种器件都是由Taylor的方案改进、演化而来，从原理上来说，它们都依然摆脱不了半波电压带来的限制，总的说来性能也没有能够超过Mach－Zehnder型的光学模数转换器的性能限制。但Taylor提出的方案具有很深远的影响，进入90年代以后，还有人对其进一步加以改进，以期能提高它的性能。这里值得一提的有2种方法。一种方法提出了一种对称数字系统^［8］，其核心思想是通过增加少量比较器，得到多个不同的量化级，从而显著的增加了比特精度，其编码方案如图5所示。该方法采用3个干涉仪，39个比较器，可实现 11 bit的精度。但这种方法提高的是标称精度，对有效比特位提高远不如标称精度那么大。另一种方法通过优化波导的设计，提出了一种光学folding－ flash模数转换器^［9］，免除了每增加一个比特位，就需要增加电极长度一倍的限制，其波导设计如图6所示。但是其Y分支波导　　图6　光学folding－flash模数转换器示意图的设计无疑将更加复杂。上述2种方法各有其限制，但其思想方法还是很值得我们借鉴的。总的说来，对第一代光学模数转换器的研究，在进入90年代以后，已基本趋于停滞。这里一方面是由于第一代光学模数转换器本身原理上的限制，另一方面也是由于电子模数转换器的进一步发展，其性能已经超过了第一代光学模数转换器所能达到的水平。

　　在90年代，人们面临着这样一种情况：一方面模数转换器仍然是许多系统性能进一步提高的瓶颈因素，另一方面电子模数转换器和第一代光学模数转换器的性能都不能满足要求。这迫使人们积极寻找新的模数转换器技术。这时的光通信技术的逐步成熟，以及其飞速发展，为人们发展光学模数转换器技术提供了新的思路。人们开始借鉴光通信中的时分复用、波分复用等方法，利用激光的高速率、时间精度高等特性来进行采样，利用光通信的复用器件，将采样后的信号并行化，以降低量化所需要的高速率。这些方案在器件上大多与电子技术相结合，利用电子模数转换器进行后期的量化处理。较早提出的是2种比较简单的方案，第一种是用采用时分复用的技术，利用锁模激光器的高重复率脉冲通过调制器对电信号进行采样，经过光开关进行光时分复用，将不同时序上的信号分配到不同的光路上，经过光电变换后，再经过电子模数转换器进行量化^{［10、11］}（如图7）。第二种是采用多个激光器，通过精确控制各个不同激光脉冲的时序，让各个波长的激光脉冲依次对模拟信号进行采样，然后经过波分复用后，将不同波长的采样信号分配到不同的光路上，其后的处理同时分复用相同^{［12、13］}（如图8）。这2种模数转换器都具有比第一代光学模数转换器更高的采样速和比特精度，但2种方案都需要复杂、精确的定时装置，这一点无疑提高了系统的复杂性。另外，时分复用方案的采样速率的提高还要依赖于光开关的速率的提高，波分复用方案的比特精度的提高是以增加激光器的数量为代价的，这些都是限制这2种方案性能提高的瓶颈因素。

　　在上述2种方案的基础上，人们继续开展研究，提出了一种基于光学延时的模数转换器，它吸收了上述2种方案的优点，又省去了复杂的定时电路。其中的一种实现方案如图9所示，它采用超连续（Supercontinnum）的宽光谱的EDFL光纤激光器（谱宽为几十纳米，脉冲宽度为亚皮秒，重复率为吉赫兹左右），经时一段光纤的传输后，首先经过一个偏振分束器（PBS），然后将偏振光通过一个WDM 器件，将其分成若干个波长，各个波长各自通过不同长度的保偏光纤后，由法拉第镜将各个波长的光反射回去，再次经过WDM和偏振分束器后，合成一路包含不同波长光的脉冲序列，通过一个调制器对射频信号进行采样，采样后的脉冲序列再经过另一个WDM器件，将其按波长分配到不同的光路上，实现了并行处理^［14］。采用这种方案的一种器件做到了18 Gsps的采样速率和7 bit的采样精度^［15］。

　　相对于国外光学模数转换器的飞速发展，国内在光学模数转换器领域的研究起步较晚，在80年代末期才开始这一方面的研究。上海交通大学应用物理系在90年代初期对Mach－Zehnder型集成光学模数转换器做了研究^［16］，沈阳工业学院和中科院长春物理研究所合作在1994年研制了LiNbO₃质子交换光波导Fabry－Perot型4位电光模数转换器^［17］。目前国内尚未有对第二阶段的光学模数转换器进行研究。
四、光学模数转换器的应用
　　光学模数转换器在许多方面有着重要应用，目前对光学模数转换器的研究，主要集中在需要高速信息采集处理的系统中的应用上，其中最主要的应用是微波数字雷达。众所周知，现在的微波数字接收器要求将接收到的模拟信号经过几步的混频和滤波，以将信号频率降到电子模数转换器的基带范围内，这一过程不仅昂贵，而且又限制了系统的可靠性和瞬时带宽，同时也增加了系统的尺寸和重量。另外，每一次的混频过程，都会带来信号的失真，增加电磁干扰。如果能研制出一个高速、高动态范围的的模数转换器，使其能够直接对射频信号进行数字化，这样就会极大地改善数字接收器的性能。据《简氏国际防务评论》1998年6月报道：美国国防高级研究计划局计划在今后4年中在“光电模－数转换器技术”上花费约4 000万美元，其目的是提供能处理高达1 000 Gsps采样速率的装置。“光电模－数转换器”计划的目的是通过应用先进的光电部件（例如激光器、调制器、探测器以及微电子和光电子器件）来克服过去采用的电子电路的局限性。这将允许在军事系统感兴趣的整个频谱范围内在信号源处对信号进行直接的模－数转换，从而在以下几方面获得性能改进：改进数字波形成形以抑制干扰；具有较宽的动态范围以便探测杂波中的目标；具有较宽的瞬时带宽以便改进对目标的识别，例如，当采样速率达到1 000 Gsps时，可能会产生对毫米波信号进行直接宽带模－数转换的新能力。
五、结　语
　　光学模数转换器技术除了上述提到的主流技术外，还有着各种各样的非主流和辅助技术，如采用SEED的光学模数转换器^［18］、采用声光热调制的光学模数转换器_［19］和利用光学过采样技术（∑Δ技术）^［20］以提高模数转换器的有效比特精度等等。这些技术的存在，一方面说明了光学模数转换技术还处于探索阶段，是一种还没有真正成熟的技术，另一方面也说明了光学模数转换器具有广阔的研究前景。从光学模数转换器的发展趋势来看，系统趋于复杂，要实现现采样速率超过100 Gsps的实用模数转换器还要依靠器件及材料上有新的突破。