相参光子模数转换装置的制作方法

本发明涉及光信息处理技术，特别是一种相参光子模数转换装置，实现对射频信号或光学信号的高精度采集。

背景技术：

光子采样技术在高速的信号的处理与转换、高分辨率测量设备以及光信号质量检测等领域有着重要的应用。当前，高性能光子采样技术正处在飞速发展的阶段，两个主要发展方向分别是超高采样率与超高精度。从高采样率方面考虑，通过锁模激光器光时钟的波分复用/时分复用方案可以实现采样率倍增，提高采样率，同时具有稳定性强，时钟抖动低，电处理量化速率较低的特点，因此被视为光模数转换的最佳方案。在当前报道研究中，出于低噪特性的考虑，一般选取被动锁模激光器作为种子光源。然而，被动锁模激光器重频较低，得到高速率光采样时钟需要较多复用通道数，往往会导致结构比较庞大，同时对通道匹配的精度提出了更严苛的要求。随着主动锁模激光器技术的发展，目前主动锁模激光器的噪声特性已经能够达到较低水平，采用低抖动主动锁模激光器作为光源，可以在其高重频特点的优势上，仅通过少量复用通道就获得高质量超高速光采样时钟，这对提高光模数转换系统性能指标，优化系统方案具有重大意义。

然而，时钟抖动是制约光子采样精度的重大因素，因此如何降低光采样时钟与被采样信号源之间的时钟抖动是提升光子采样系统性能面临的问题。为了消除光采样时钟的和待采样信号之间的相对时钟抖动，需要提高两者之间的相参性。其中一类技术是基于同一高稳定光源来同时产生相参的信号和采样时钟，此时的PADC分辨率极限将取决于该光源本身的时钟抖动。然而，在实际应用中，更广泛的情况是待采样信号与采样时钟均从不同信号源中产生。因此，我们需要实现不同电子、光子信号源之间的高性能相参。锁相技术是实现相参的有效手段，通过将受控信号与参考信号的频率与相位锁定，使得它们的频率与相位保持固定的关系，进而降低时钟抖动提高系统的稳定性。

相参锁相技术主要包括以下几种：

一种是基于光学非线性效应的光电鉴相锁相技术(J.Kim,J.A.Cox,Chen J,F.X.Drift-free femtosecond timing synchronization of remote optical and microwave sources.Nature Photonics,2008,2:733-736.)，目前已经研制出多种非线性光学晶体，其中具有倍频效应(SHG)与和频效应的晶体在光学相位检测中有很大的应用前景。在长距离光纤传输系统中，使用具有倍频效应的晶体构成的光子鉴相器，能够测量收发端信号间的相位偏移并进行反馈，基于和频晶体的光子鉴相器与光电锁定系统(J.Kim,J.A.Cox,Chen J,F.X.Drift-free femtosecond timing synchronization of remote optical and microwave sources.Nature Photonics,2008,2:733-736.)采用了全光纤结构，系统的稳定性高，并且该鉴相器采用了平衡结构，有效消除了通道失衡引入的噪声。但是基于非线性晶体的锁相技术有明显的缺点，系统结构复杂，难以集成化，同时，非线性晶体的性能和稳定性受环境影响大，使系统的适用环境受到限制。

另一种基于微波光子器件的光电鉴相锁相技术，这种技术最直接的方法就是将光信号转换为电信号，然后使用电锁相环进行鉴相锁相，即只需在射频混频器的前级加上PD，就是一种基于射频混频器的光电鉴相器。该技术适用于光信号与电信号的锁定以及光信号之间的锁定，其原理简单，实现成本低。但是受射频混频器的带宽限制，无法应用在高频、高带宽的系统中，且系统噪声较大。

然而，现存的光子采样技术和相参锁定技术虽然被广泛研究，而结合两者的采样方法还没有被研究，因此我们提出了一种相参光子模数转换方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种相参光子模数转换装置。该装置通过调整光时钟振荡源或者被采样信号源，使之高度相参，进而降低时钟抖动，大大提高了采样精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种相参光子模数转换装置，其特点在于，包括光时钟振荡源、光子采样门、被采样信号源、光电探测模块、电采样模块、相位检测模块、环路滤波器、第一信号反馈链路和第二信号反馈链路：

所述的光时钟振荡源的第一输出端与所述的光子采样门的第一输入端相连，所述的被采样信号源的输出端与所述的光子采样门的第二输入端相连，所述的光子采样门的输出端与所述的光电探测模块的输入端相连，所述的光电探测模块的输出端一分为二：一路与所述的电采样模块相连，另一路与所述的相位检测模块的第一输入端相连，所述的光时钟振荡源的第二输出端与所述的相位检测模块的第二输入端相连，所述的相位检测模块的输出端与所述的环路滤波器的输入端相连，所述的环路滤波器的输出端经第一信号反馈链路与所述的光时钟振荡源的输入端相连时，实现对光时钟振荡源的锁定，所述的环路滤波器的输出端经第二信号反馈链路与所述的被采样信号源的输入端相连时，实现对被采样信号源的锁定。

所述的光时钟振荡源为被动锁模激光器、主动锁模激光器或调制频率梳。

所述的被采样信号源为压控振荡器、频综源、被动锁模激光器、主动锁模激光器或调制频率梳。

所述的光子采样门为铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、空间光调制器、光子晶体光纤或高非线性光纤。

所述的光电探测模块为PIN管或APD管。

所述的电采样模块为示波器或信息处理板卡。

所述的相位检测模块为射频混频器，用于产生所需的混频信号。

所述的环路滤波器为射频低通滤波器。

所述的第一信号反馈链路、第二信号反馈链路为功率放大器或PID伺服器。

基于以上技术特点，本发明具有以下优点：

1、采用电光光子采样门或者全光光子采样门，实现相参光子模数转换同时完成信号采样与相参锁定，能完成电光振荡源和光光振荡源的相参锁定，从而实现对电信号和光学信号的采集。

2、将采样后信号与采样时钟源参考输出的相位误差信息反馈至光时钟振荡源或被采样信号源，提升光采样时钟与被采样信号源之间的相参性，可以突破时钟抖动理论极限，提高系统采样精度。

附图说明

图1为本发明相参光子模数转换装置的一个实施例的框图

图2为本发明系统相参锁定前后的时钟抖动测试结果

图3为传统采样与本发明相参采样频谱对比

图4给出了本发明有效比特位数与模拟输入带宽关系曲线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是本发明相参光子模数转换装置的一个实施例的框图，由图可见，本发明相参光子模数转换装置，包括光时钟振荡源1、光子采样门3、被采样信号源4、光电探测模块5、电采样模块7、相位检测模块9、环路滤波器10、第一信号反馈链路11和第二信号反馈链路12：

所述的光时钟振荡源1的第一输出端与所述的光子采样门3的第一输入端相连，所述的被采样信号源4的输出端与所述的光子采样门3的第二输入端相连，所述的光子采样门3的输出端与所述的光电探测模块5的输入端相连，所述的光电探测模块5的输出端一分为二：一路与所述的电采样模块7相连，另一路与所述的相位检测模块9的第一输入端相连，所述的光时钟振荡源1的第二输出端与所述的相位检测模块9的第二输入端相连，所述的相位检测模块9的输出端与所述的环路滤波器10的输入端相连，所述的环路滤波器10的输出端经第一信号反馈链路11与所述的光时钟振荡源1的输入端相连时，实现对光时钟振荡源的锁定，所述的环路滤波器10的输出端经第二信号反馈链路12与所述的被采样信号源4的输入端相连时，实现对被采样信号源的锁定。

光时钟振荡源1用于产生光采样时钟信号2，光子采样门3将被采样信号源4产生的待采样的电信号或者光信号加载至光时钟信号2，得到的结果经过光电探测模块5转换为电信号6，转换的电信号分为两路，一路经过电采样模块7实现对被采样信号的采集；另一方面，光时钟振荡源1可以通过光电转换产生同步的参考输出信号8，该参考输出信号8与电信号6的另一路信号通过相位检测模块9进行相位检测，得到的混频信号通过环路滤波器10滤除高频分量，通过第一信号反馈链路11实现与光时钟振荡源1的相参锁定，或者通过第二信号反馈链路12实现与被采样信号源4的相参锁定，从而实现相参采样。

上述过程中利用光子采样门3既可以实现光时钟对光信号的采样也可以实现光时钟对电信号的采样。请参见图2、3、4，图2为本发明系统相参锁定前后的时钟抖动测试结果，图3为传统采样与本发明相参采样频谱对比，图4给出了本发明有效比特位数与模拟输入带宽关系曲线，此外，上述过程中通过相位锁定装置将采样光时钟信号源与被采信号源锁定，实现相参采样进而减小了时钟抖动，提高了采样精度。这对于提升微波光子雷达和光通信系统等需要高时间精度、高采样精度的微波光子系统的性能，具有十分关键的作用。