一种位深可重构的高稳定性光学模数转换器及其位深重构方法

本发明涉及模数转换器，具体涉及一种位深可重构的高稳定性光学模数转换器及其位深重构方法。

背景技术：

1、模数转换器(analog-to-digital converter)作为连接模拟世界和数字世界的桥梁，对信号采集和处理系统的运作起到了至关重要的作用，其性能优劣直接影响了后续数字信号处理的能力。光学模数转换器是一种利用光电效应将模拟信号直接转换为数字信号的器件，它可以实现对高速、宽带、高动态范围的模拟信号的直接数字化，具有采样速率高、信噪比高、功耗低等优点。光学模数转换器的技术领域主要涉及光通信、集成光电子学以及数字信号处理等学科，是一种典型的光电混合技术；光学模数转换器主要采用集成光学技术，利用电光材料制作的mach-zehnder干涉仪阵列、平衡桥式调制器和通道光波导fabry-perot调制器阵列等形式的光学模数转换器；然而，目前的模数转换器研究尚存在以下缺点：1.现有的模数转换器位深多数是固定的，不能根据需求进行位深的调整，其使用灵活性受限；2.现有的光学模数转换的电量化过程依赖于光电探测器精度和响应度性能，尚未有关于将模数转换位深与分光策略相关联的研究。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种位深可重构的高稳定性光学模数转换器及其位深重构方法，通过构建多级分光转换模块以构建光学模数转换器，逐一设置不同级数的可调光分束器的分数比例，以实现向下兼容的任意比特位深，以及通过探测器对阈值执行0和1的判断，以实现模数转换，具有灵活性好，适应性强，信号处理成本低以及稳定性好的优点。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种位深可重构的高稳定性光学模数转换器，包括多级依次串联的分光转换模块11，所述分光转换模块11包括用于模拟光信号输入的光波导21，所述光波导21的光信号输出端连接有可调光分束器22，所述可调光分束器22的第一输出端口连接有探测器23，所述可调光分束器22的第二输出端口与下一级分光转换模块11中的光波导21的光信号输入端连接，以形成多级分光转换模块11。

4、所述可调光分束器22包括与光波导21的信号输出端连接的一级分束器31，所述一级分束器31的第一光束输出端以及第二光束输出端分别通过光相移器32与二级分束器33的第一光束输入端以及第二光束输入端连接，所述二级分束器33的第一光束输出端与探测器23的光线输入端连接，二级分束器33的第二光束输出端与下一级分光转换模块11的光波导21的光信号输出端连接。

5、所述探测器23用于对分光转换模块11中的可调光分束器22输出的光信号转换为电信号并输出数字信号，通过在探测器23的电输出端口设置阈值，当电信号大于设置的阈值时，探测器23输出数字信号“1”，当电信号小于或等于设置的阈值时，探测器23输出数字信号“0”。

6、所述光相移器32的种类为基于热光效应的波导光相移器，基于电光效应的波导光相移器，微机电系统mems光相移器，基于光子晶体的光相移器，或基于过耦合微环的光相移器。

7、一种位深可重构的高稳定性光学模数转换器的位深重构方法，包括以下步骤：

8、步骤1、首先确定需要进行模数转换的应用场景的位深n，随后根据位深n确定所需要分光转换模块11的级数n：

9、设定位深为n，则级数n满足n+1≥2n，级数n为满足条件的最小正整数；

10、步骤2、随后对第1至n级的可调光分束器22进行分光比的设置，将每一级分光转换模块11中的可调光分束器22设置到合适的分光比；

11、步骤3、根据步骤2中的分光比设置方式，对每一级的可调光分束器22按对应的分光比进行调制，通过最后一级的可调光分束器22将所有光信号导入至该级探测器23中，以完成光学模数转换器的位深可重构。

12、所述步骤2中对第1至n级的可调光分束器22进行分光比的设置，具体为：

13、步骤2.1、取n＝2n-1，并设分光转换模块11的可调光分束器22分光至探测器23的比例为ki，且0≤ki≤1，则输出至下一级分光转换模块11的能量比例为1-k，并设探测器23输出的电信号阈值为h，输入端的最大光强为imax；

14、步骤2.2、设置第n级kn＝1，设所有探测器(23)响应度相同为q0；

15、步骤2.3、通过计算得出所有级数的分光转换模块11中的可调光分束器22的分光比，如下式所示：

16、

17、

18、·····

19、

20、所述步骤3中，通过最后一级的可调光分束器22将所有光信号导入至该级探测器23，并且输出数字电信号，将n级输出的电信号按第1级到第n级依次排列，则有n+1种输出电信号值：全输出“0”，即{0,0,…,0}；第一级输出“1”，其他级输出“0”，即{1,0,…,0}；前两级输出“1”，其他级输出“0”，即{1,1,…,0}；以此类推；以及全输出“1”，即{1,1,…,1}；将上述n+1种电信号值与n位深的二进制数字信号映射，即可得到光信号到n位二进制电信号的模数转换，如下式所示：

21、

22、针对探测器23的响应度q0不同的情形，则先分别对每一个探测器23的响应度进行测量，得到q1-qn，并带入步骤2.3中的公式进行分光比的调整，如下式所示：

23、

24、

25、·····

26、

27、所述步骤3中，当某一级探测器23损坏时，可将该级探测器23的光开关设置为将光强完全导入至下一级，以屏蔽该级损坏的探测器，利用后续的探测器23实现光电转换，进而维持整体模数转换功能正常运行。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

29、1.通过逐一设置不同级数的可调光分束器22的分数比例，本发明提供的光学模数转换器能够实现向下兼容的任意比特位深，即满足n+1≥2n的所有n比特位深模数转换都可以通过本发明实现；在信噪比较高、信息量较大、应用场景较复杂时，使用更高的位深来保证信号的质量和完整性；而在信噪比较低、信息量较小、信道条件较好的情况下，可以使用更低的位深来节省资源和能源，使得本发明的灵活性和多种应用场景的适应性得到增强，同时降低了信号处理成本。

30、2.本发明中的每一级探测器23通过对设定的阈值执行“0”和“1”的判断，无需对不同强度的光信号进行多值量化，在探测器23有限带宽的情况下能够进一步提升光电信号采样速率，并且极大地提升了模数转换稳定性。

31、3.通过对分光比的任意调节功能，可以补偿由于工艺误差带来的探测器23之间的差异，当某一级探测器23损坏时，可以通过调节该级一级分束器31将光强导入至下一级，屏蔽该级探测器23，,直接利用下一级探测器23实现相应功能，维持整体模数转换的功能不受影响，使得本发明的稳定性获得进一步提升。

32、综上所述，本发明通过构建多级分光转换模块11以构建光学模数转换器，通过逐一设置不同级数的可调光分束器22的分数比例，使得本发明的灵活性和多种应用场景的适应性得到增强，同时降低了信号处理成本，通过探测器23对阈值执行“0”和“1”的判断，无需对不同强度的光信号进行多值量化，能够进一步提升光电信号采样速率，并且极大地提升了模数转换稳定性，具有灵活性好，适应性强，信号处理成本低以及稳定性好的优点。