专利名称：一种单边带调制时域展宽模数转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电光模数转换器技术领域，特别是单边带调制时域展宽 (Single-Sideband Modulated Time-Stretched)模数转换器。
背景技术：
模数(A/D)转换器的作用是将传感器获得的模拟信号通过取样、量化、编码等过 程，转换为数字信息。随着信号处理系统的发展，对模数(A/D)转换器的采样速率、转换精 度要求提高。传统的电子模数(A/D)转换器因结构限制，难以满足要求，于是出现了电光模 数转换器，单边带调制时域展宽模数转换器即是电光模数转换器的一种形式。模数转换一般经过采样、保持、量化和编码输出四个过程，采样信号频率4与被采 样信号最高频率fH(包括噪声在内)间必须满足fs>2fH的关系，实际中常取fs= (3 5) fH。模数转换的速度主要取决于量化和编码(即转换过程)的快慢，而转换过程所用的时 间又是保持时间的一部分。提高模数转换的速度，两个方面是必须的一是提高转换过程的 速度；二是提高采样信号频率fs，使保持时间缩短。电光模数转换器以激光脉冲作为输入之 一，把电信号通过电光效应调制到光脉冲上，继而通过光电转换器转换为低频电信号。近二十年来，电子模数(A/D)转换器的制造工艺建立在高度成熟的硅集成电路技 术基础上，已非常成熟，但高采样速率和高位数二者不可兼得，采样速率每增加一倍，位数 就降低一位。现在，电子模数(A/D)转换器性能的进一步提高遇到重大技术难题1.将孔径 抖动(aperture jitter)降低到Ips以下；2.最大采样速率超过8Gs/s ；3.在满足1、2的 基础上功耗降低到5W以下。相对于电子模数(A/D)转换器，电光模数(A/D)转换器在原理上具有巨大的优势。 光振荡频率为IO14Hz,现代的锁模激光器(mode-locked lasers)能产生大于IOGHz的光脉 冲序列，其时间抖动(timing jitter)小于10fs。以光脉冲序列作为采样脉冲明显优于电 子脉冲，且可以显著降低采样后信号的相对带宽，为后续处理奠定良好基础。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的在于提供一种单边带调制时域展宽模数转换器，将待测信号调制到 采样光脉冲上后，利用光纤将采样光脉冲包络在时域上无失真展宽，然后利用低速模数(A/ D)转换器将其量化。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种单边带调制时域展宽模数转换器，包括一超连续激光光源10，用于产生超短光脉冲串，将产生的超短光脉冲串通过第一 光纤1输出给电光调制器30 ；一混合式耦合器20，用于对由第一端口接收的待测电信号进行混合式耦合，输出 频率相同、相位相差90°的两个电信号至电光调制器30 ；
一电光调制器30，用于采用接收自混合式耦合器20的两个电信号及由第四端口接收的偏置电压对第一光纤1输出的光脉冲串进行强度调制，调制后的光脉冲串通过第二 光纤2输出给光电转换器40 ；一光电转换器40，用于对第二光纤2输出的光脉冲串进行光电转换，输出转换后 的电信号至普通模数转换器50。上述方案中，所述超连续激光光源10包括一光纤锁模激光器11，用于产生超连续激光光源，通过光子晶体13输出给掺铒光 纤放大器12 ；一掺铒光纤放大器12，用于对光纤锁模激光器11输出的超连续激光光源进行放 大处理，并将放大后的信号输出至带通滤波器14 ；一带通滤波器14，用于对掺铒光纤放大器12输入的放大后的信号进行带通滤波， 得到超短光脉冲串。上述方案中，所述电光调制器30为马赫_曾德尔调制器。上述方案中，所述第一光纤1和第二光纤2均为单模光纤，其第一光纤1和第二光 纤2的长度LpL2是根据需要进行调整，从而得到需要的时域展宽因子M，M = 1+L2/Llt)上述方案中，所述第一光纤1对超连续激光光源10输出的超短光脉冲串进行展 宽，所述第二光纤2对电光调制器30输出的调制后的光脉冲串进行展宽。(三)有益效果本发明提供的这种单边带调制时域展宽模数转换器，由超连续激光光源产生采样 光脉冲，通过一个色散元件(如光纤)展宽，然后在电光调制器中调制到电信号上，再使用 第二个色散元件(如光纤)进一步展宽，随后通过光电转换器还原为电信号，采样量化。这 种方式可以降低对电子模数转换器采样速率的要求。其中，两个色散元件的色散系数可以 控制，因此就可以通过控制展宽因子M(M= HL2Zl1)来控制光信号的展宽程度。本发明提供的这种单边带调制时域展宽模数转换器，与光时分复用(OTDM)和光 波分复用(OWDM)技术结合组成N路平行量化通道A/D系统后，还可将整个系统的采样频率 进一步提高N倍。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实例及附图详细说明如后。其中图1为本发明提供的单边带调制时域展宽模数转换器的结构示意图。图2为图1中超连续激光光源的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。随着信号处理系统的发展，对模数(A/D)转换器的采样速率、转换精度要求提高。 传统的电子模数转换器因结构限制，难以满足要求，于是出现了电光模数转换器，单边带调 制时域展宽模数转换器即是电光模数转换器的一种形式。电光模数转换器具有如下特点1.转换速率高；2.结构简单，需要元器件少；3.采用微细加工技术，集成度高，可大幅度提高可靠性。 请参阅图1，图1为本发明提供的单边带调制时域展宽模数转换器的结构示意图， 包括超连续激光光源10、混合式耦合器20、电光调制器30、光电转换器40和普通模数转换 器50。 其中，超连续激光光源10，用于产生超短光脉冲串，将产生的超短光脉冲串通过第 一光纤1输出给电光调制器30。混合式耦合器20，用于对由第一端口(点1)接收的待测 电信号进行混合式耦合，输出频率相同、相位相反的两个电信号至电光调制器30。电光调制 器30，用于采用接收自混合式耦合器20的两个电信号对第一光纤1输入的光脉冲串进行强 度调制，调制后的光脉冲串通过第二光纤2输出给光电转换器40。光电转换器40，用于对 电光调制器30输入的光脉冲串进行光电转换，输出转换后的电信号至普通模数转换器50。 所述超连续激光光源10包括光纤锁模激光器11、掺铒光纤放大器12和带通滤波 器14。其中，光纤锁模激光器11，用于产生超连续激光光源，通过光子晶体13输出给掺铒 光纤放大器12。掺铒光纤放大器12，用于对光纤锁模激光器11输入的超连续激光光源进 行放大处理，并将放大后的信号输出至带通滤波器14。带通滤波器14，用于对掺铒光纤放 大器12输入的放大后的信号进行带通滤波，得到超短光脉冲串。所述电光调制器30为马赫-曾德尔调制器。所述第一光纤1和第二光纤2均为 单模光纤，其第一光纤1和第二光纤2的长度Lp L2是根据需要进行调整，从而得到需要的 时域展宽因子M，M= 1+L2/Llt)所述第一光纤1对超连续激光光源10输出的超短光脉冲串 进行展宽，所述第二光纤2对电光调制器30输出的调制后的光脉冲串进行展宽。该掺铒光纤放大器12的输入端经光子晶体13与光纤锁模激光器11的输出端相 连，该带通滤波器14的输入端与掺铒光纤放大器12的输出端相连，带通滤波器14的输出 端为超连续激光光源10的输出端。混合式耦合器20由第一端口接收待测电信号，输出频率 相同、相位相差90°的两个信号。超连续激光光源10的输出端经第一光纤1与电光调制器 30的输入端连接，第一光纤1对超连续激光光源10的输出进行展宽，其中所用电光调制器 30为马赫-曾德尔调制器，该电光调制器由第二端口(点2)、第三端口(点3)接收混合式 耦合器20输出的频率相同、相位相差90°的两个信号，由第四端口(点4)接入偏置电压。 电光调制器30的输出端经第二光纤2与光电转换器40的输入端连接，第二光纤2对电光 调制器30的输出进行展宽。光电转换器40的输出端与普通模数转换器50的输入端连接。通过以上分析，以下具体设计原形系统。工作原理待测电信号先对一线性啁啾光脉冲串进行强度调制，被调制的啁啾光脉冲串再通 过一段光纤色散展宽，得到低速的待测信号。由光纤锁模激光器产生的超短光脉冲串通过一段长度为L1的单模光纤产生线性 啁啾。待测电信号输入混合式耦合器，输出频率相同、相位相差90°的两个电信号，将这两 个电信号通过马赫-曾德尔调制器对该光脉冲串进行强度调制。调制后的光脉冲串再通过 一段长度为L2的单模光纤，由于光纤色散展宽导致包络形状拉伸，即待测信号在时域上得 到展宽，最后通过光电转换器输出电信号。时域展宽方法用于连续信号的A/D转换时，需要 根据光脉冲的脉宽和啁啾特性，将输入信号首先分割成小段，分别进行时域扩展。如果时域 展宽的展宽因子为M(M = HL2Zl1)，则输入连续信号至少要分为M路时域展宽并行处理，分别扩展M倍后由低速A/D转换器分别处理。高速A/D转换中，脉冲的时间抖动和脉宽都是转换误差的主要来源，下面对光脉 冲质量的要求做简要分析。1、取样脉冲的时间抖动对测量的影响。设第i个取样点为、时亥lj，取样间隔时间为At，则ti+1 = ti+At，如果时间间隔 因抖动变为At’，将因此引入测量误差。设输入信号波形为V = Vmsin(2 3ifmt)其中fm为输入信号的最大频率。则由于脉冲抖动引入的调制幅度误差为δ V = VjsinDjif^ti+At’ ) ]-sin [2 π fm (ti+Δ t) ]}
当δ t很小时，上式可简化为δ V = 2 π fmVm δ tcos [2 π fm Ui+ Δ t)]则由δ t引入的最大幅度误差为I δ V Ifflax = 2 JifmVffl Stfflax其中δ tmax是最大时间抖动量。通常要求误差小于A/D转换的量化误差，即要求I δ Vlfflax < Δ ν/2 = Vffl/2N(其中ΔV = 2Vm/2N为量化电压，N为A/D转换的比特位数。)所以最大时间抖动量应满足δ tfflax < (2N+1 ^ifffl)-1高速取样对取样脉冲的时间抖动特性要求非常高，通常在亚皮秒(ps)量级。2、脉冲宽度Δ T对测量的影响。设输入信号波形为V = VfflSin (2 π fmt)，则在t’时刻由于脉冲宽度引入的调制幅
度误差
t'+AT/2δν= t,_jV,srn(2rfmt)dt -vms^fmt')
ΔΤ利用泰勒级数展开sin(2 π fmt，)= sin (2 π fmt)+2 π fmsin(2 π fmt) (t' -t) + (2 π fm)2sin(2 π fmt) (t，-t)2/2+……则δ V = ( π fm Δ Τ) 2VmSin (2 π fmt' ) /6由于要求δ V小于量化误差的1/2，即I SV|max< AV/2，求得ΔΤ< (3/2，V2/
JI f O
-lIII0以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种单边带调制时域展宽模数转换器，其特征在于，包括一超连续激光光源(10)，用于产生超短光脉冲串，将产生的超短光脉冲串通过第一光纤(1)输出给电光调制器(30)；一混合式耦合器(20)，用于对由第一端口接收的待测电信号进行耦合，输出频率相同、相位相差90°的两个电信号至电光调制器(30)；一电光调制器(30)，用于通过接收自混合式耦合器(20)的两个电信号及由第四端口接收的偏置电压对第一光纤(1)输出的光脉冲串进行强度调制，调制后的光脉冲串通过第二光纤(2)输出给光电转换器(40)；一光电转换器(40)，用于对第二光纤(2)输出的光脉冲串进行光电转换，输出转换后的电信号至普通模数转换器(50)。
2.根据权利要求1所述的微分光脉冲时域展宽模数转换器，其特征在于，所述超连续 激光光源(10)包括一光纤锁模激光器(11)，用于产生超连续激光光源，通过光子晶体(13)输出给掺铒光 纤放大器(12)；一掺铒光纤放大器(12)，用于对光纤锁模激光器(11)输入的超连续激光光源进行放 大处理，并将放大后的信号输出至带通滤波器(14)；一带通滤波器(14)，用于对掺铒光纤放大器(12)输出的放大后的信号进行带通滤波， 得到超短光脉冲串。
3.根据权利要求1所述的单边带调制时域展宽模数转换器，其特征在于，所述电光调 制器(30)为马赫-曾德尔调制器。
4.根据权利要求1所述的单边带调制时域展宽模数转换器，其特征在于，所述第一光 纤(1)和第二光纤(2)均为单模光纤，其第一光纤(1)和第二光纤(2)的长度LpL2是根据 需要进行调整，从而得到需要的时域展宽因子M，M = 1+L2/L10
5.根据权利要求4所述的微分光脉冲时域展宽模数转换器，其特征在于，所述第一光 纤(1)对超连续激光光源(10)输出的超短光脉冲串进行展宽，所述第二光纤(2)对电光调 制器(30)输出的调制后的光脉冲串进行展宽。
全文摘要
本发明公开了一种单边带调制时域展宽模数转换器，包括超连续激光光源(10)，用于产生超短光脉冲串，将超短光脉冲串通过第一光纤(1)输出给电光调制器(30)；混合式耦合器(20)，用于对由第一端口接收的待测电信号进行耦合，输出频率相同相位相差90°的两个电信号至电光调制器(30)；电光调制器(30)，用于通过接收自混合式耦合器(20)的两个电信号及由第四端口接收的偏置电压对第一光纤(1)输出的光脉冲串进行强度调制，调制后的光脉冲串通过第二光纤(2)输出给光电转换器(40)；光电转换器(40)，用于对第二光纤(2)输出的光脉冲串进行光电转换，输出转换后的电信号至普通模数转换器(50)。利用本发明，降低了对电子模数转换器采样速率的要求。
文档编号H01S3/067GK101867372SQ20091008199
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月15日 优先权日2009年4月15日
发明者倪卫宁, 张强 申请人:中国科学院半导体研究所