專利名稱：一種級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNbO<sub>3</sub>波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域和集成光波導(dǎo)器件領(lǐng)域，他特別涉及到級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03 波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的研究。
背景技術(shù)：
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的器件。模數(shù)轉(zhuǎn)換過程一般分為 取樣、保持、量化、編碼四個步驟。采樣速率和分辨率是衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的性能兩 個最重要的參數(shù)。
一般衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的性能主要是由采樣速率和分辨率這兩個最重要的參數(shù)決 定的。采樣速率主要由A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時間決定,常用單位是KS/s和MS/s。分辯率又稱 精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示，位數(shù)越高分辨率越大。模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為連接模擬與數(shù) 字世界的橋梁，在高速信號處理領(lǐng)域，尤其是在寬帶雷達(dá)、電子偵探、電子對抗、核武器監(jiān) 控、擴頻通信等信息處理系統(tǒng)中都要求達(dá)到GS/s以上高轉(zhuǎn)換速率和高比特的轉(zhuǎn)換精度。
現(xiàn)在，模數(shù)轉(zhuǎn)換器從技術(shù)上可以分為三種，即電子半導(dǎo)體模數(shù)轉(zhuǎn)換器、超導(dǎo)材料模數(shù)轉(zhuǎn) 換器和光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。超導(dǎo)材料模數(shù)轉(zhuǎn)換器對環(huán)境要求高，需要超低溫工作環(huán)境，因此使 用范圍受到限制。對于目前廣泛使用的電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由于載流子遷移率有限，因而難以 獲得數(shù)十GS/s的采樣速率和高的有效精度。近年來的高速的電子ADC產(chǎn)品，其性能均低于 10GS/s， 1 Obits (見文獻(xiàn)R. H. Walden, Analog-to-digital converter survey and analysis, J. Select. Areas Commun., Vol.17, 539-550(1999))，很難滿足微波信號數(shù)字化的電子要求，成為限制高 速信號處理領(lǐng)域的瓶頸。因此,要實現(xiàn)對高速信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換,就必須尋求新的突破。
基于上述理由，引入了光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)以及如今的光電混合方式的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。光 電模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般分為光時分復(fù)用ADC、光波分復(fù)用ADC、時域展寬電光ADC以及相位編 碼ADC。
光時分復(fù)用ADC，利用光時分復(fù)用OTDM技術(shù)使不同時序的采樣光脈沖解復(fù)用，分別 進入平行的多個量化通道，每個量化通道中用一個低速的電ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，這樣既可以 降低對電ADC的要求同時也保證了高的量化精度。2001年P(guān).Joudawl ki s及J.C.Twi chell采 用此方法，應(yīng)用8個63MS/s， 14bits的電ADC獲得總體505MS/s， 8.2bits的效果。(見文獻(xiàn) Paul. W. Juodawlkis， J. C. Twichell， etc. Optically sampled analog-to-digital converter J.IEEE Transactionson microwave theory and techniques,2001 ,vol.49(10): 1840-1852 )
光波分復(fù)用ADC，利用波分復(fù)用OWDM技術(shù)，其思路同光時分復(fù)用ADC基本一致， 不同的是將N個波長的采樣光脈沖安排在不同的時序上，被調(diào)制的光脈沖序列經(jīng)光波分解復(fù) 用后分成N路波長通道，再經(jīng)過電檢測、量化輸出。1999年A,S.Bhushan及F.Coppinge等人 采用寬光譜光源及光線色散來產(chǎn)生連續(xù)的光載波，經(jīng)過RF信號調(diào)制后用帶有延時反饋AWG 選出N個不同波長的已采樣光脈沖安排在不同時序和不同的通道中，構(gòu)成了波分復(fù)用電光 ADC (見文獻(xiàn)A.S.Bhushan,F.Coppinger and B.jalali. Nondispersive wavelength-division sampling Optics letters,1999,vol.24,(ll):738-740)
5脈沖時域展寬ADC，針對高頻率模擬信號，在信號調(diào)制到采樣光脈沖上后，利用色散元 件將光脈沖在時域上展寬，然后利用OTDM或者OWDM技術(shù)量化。這樣可以降低對電ADC 釆樣速率的要求，使整個系統(tǒng)的采樣頻率提高N倍。1998年A.S.Bhushan及F.Coppinger等 人利用此技術(shù)結(jié)合波分復(fù)用使電光ADC采樣速率進一步提高到150GS/s。(見文獻(xiàn) A.S.Bhushan,F.Coppinger and B.jalali. 150G samples/s wavelength division sampler with time-stretched output J.Electron丄ett,1998,vo1.34, (5):474-475)
相位調(diào)制ADC有別于前三個系統(tǒng)，它是直接在光學(xué)領(lǐng)域?qū)⒄{(diào)制信號量化，省去了定時同 步的麻煩。突出的優(yōu)點在于可以用集成光波導(dǎo)器件(如M-Z結(jié)構(gòu)和F-P結(jié)構(gòu)的集成光波導(dǎo)調(diào) 制器)在光學(xué)領(lǐng)域完成調(diào)制信號的量化，更利于系統(tǒng)小型化、器件化。
相位調(diào)制ADC是利用光通過電光晶體的相位改變與調(diào)制電壓^的線性關(guān)系，通過檢測 光信號的相位變化量來量化調(diào)制電壓R 。此方法是由泰勒1975年提出的利用調(diào)制電壓K 與光信號相位改變量的線性關(guān)系，發(fā)展了相位編碼光采樣技術(shù)直接將信號在光域中量化。
但是，泰勒方案在提高轉(zhuǎn)化精度上受到器件參數(shù)的限制，它要求強度調(diào)制器電極長度隨 位數(shù)指數(shù)增加，因此采用泰勒方案設(shè)計一個5bit光電模數(shù)轉(zhuǎn)化器需要電極長度達(dá)到基本長度 的16倍，使得采用泰勒方案設(shè)計高精度的電光模數(shù)轉(zhuǎn)換器十分困難。同時，由于電極長度的 指數(shù)增加也使得光脈沖的渡越時間延長，從而限制了最高調(diào)制信號的頻率。
總之，目前模數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展方向就是提高轉(zhuǎn)換精度的同時提高采樣速率，而目前電子 ADC已經(jīng)跟不上高速的數(shù)字信號處理的發(fā)展速度，因此需要發(fā)展光電ADC，同時克服光電 ADC對于器件要求復(fù)雜和難以小型化的困難。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，它具有高的采樣速 率和精度，同時又克服了泰勒方案對采樣精度的限制。
為了方便地描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先做術(shù)語定義
定義1級聯(lián)Wl-Z強度調(diào)制器的輸出光強函數(shù)
Mach-Zehnder(M-Z)強度調(diào)制器的工作過程是輸入光波經(jīng)一個Y分支器3dB分束 后輸入兩個直波導(dǎo)，通過在電光效應(yīng)作用下的兩個直波導(dǎo)傳輸后，再經(jīng)3dB合束器輸 出。單個兩臂對稱的LiNb03波導(dǎo)M-Z強度調(diào)制器，在調(diào)制電壓K"的作用下，由于電 光效應(yīng)改變了波導(dǎo)折射率，使輸入光波在M-Z強度調(diào)制器兩臂中傳輸產(chǎn)生相位差為
其中，F(xiàn),"是外加信號電壓，K為調(diào)制器的半波電壓，￡為調(diào)制電極長度，G為調(diào)制電極 與接地電極間距，ne為非尋常光折射率，Y33是電光系數(shù)，Y33=30.8pm/V。
因此，在不考慮損耗的情況下，LiNb03波導(dǎo)M-Z強度調(diào)制器的輸出光強隨調(diào)制電壓 變化關(guān)系如下(見教材姚建銓，于意仲等，光電子技術(shù)，高等教育出版社2006.5， P294-295):
<formula>formula see original document page 6</formula>根據(jù)單個M-Z強度調(diào)制器的輸出來確定n個M-Z強度調(diào)制器級聯(lián)輸出。將兩個M-Z強 度調(diào)制器進行級聯(lián)，級聯(lián)方式如圖l所示。輸入光波經(jīng)過第一個M-Z強度調(diào)制器后輸出光強 表達(dá)式為
<formula>formula see original document page 7</formula>
將第一個M-Z強度調(diào)制器的輸出光作為第二個M-Z強度調(diào)制器的輸入，在相同調(diào)制電 壓J^的調(diào)制下，其輸出光強為
<formula>formula see original document page 7</formula>
同理，在相同調(diào)制電壓4的作用下，n個級聯(lián)的M-Z強度調(diào)制器的輸出光強為
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，/e表示激光器輸入光強的幅值。
定義2半波電壓
使M-Z強度調(diào)制器兩臂上的光波產(chǎn)生相位差A(yù)cp:7i所需的電壓稱為"半波電壓"，記為 k。當(dāng)調(diào)制電壓為p;時，由(3)式可知M-Z強度調(diào)制器的輸出光強度為極小值；并且，當(dāng)
外加電壓每變化一個k，被調(diào)制的光強/發(fā)生一次從極小到極大的變化。
定義3格雷碼
格雷碼是一種絕對編碼方式，典型格雷碼是一種具有反射特性和循環(huán)特性的單步自補 碼。它的循環(huán)、單步特性消除了隨機取數(shù)時出現(xiàn)重大誤差的可能，它的反射、自補特性使得 求反非常方便。格雷碼屬于可靠性編碼，是一種錯誤最小化的編碼方式。(見教材趙宏波， 卜益民，陳鳳娟，現(xiàn)代通信技術(shù)概論，北京郵電大學(xué)出版社2003.8， P31)
本發(fā)明提供了一種級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征包括以下幾個步
驟
步驟1器件的選擇
本發(fā)明提出的級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法中使用到的M-Z強度調(diào)制器的 半波電壓均一致，為k(見定義二)。本發(fā)明使用的Y分支器均為3dB分束。結(jié)構(gòu)示意圖如 圖2所示。
步驟2第一位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出
步驟2a從鎖模激光器發(fā)出的采樣光脈沖經(jīng)過Y分支器平均分為兩路后，其中第一路光 進入本級M-Z強度調(diào)制器，被M-Z強度調(diào)制器強度調(diào)制后，其輸出光強作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換 的第一位輸出；第二路光作為第二位的輸入，直接進入第二級M-Z強度調(diào)制器陣列。
步驟2b本級M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb產(chǎn)-0.5V^根據(jù)(3)式(見定 義一)，得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第一位的輸出光強/,/。cos2(^^--) (6) 步驟3第二位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出
步驟3a步驟2a中經(jīng)過Y分支器分出的第二路光進入第二級的M-Z強度調(diào)制器進行強 度調(diào)制后，輸出的光再經(jīng)Y分支器平均分為兩路，其中第一路光作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第二位 輸出；第二路光作為第三位的輸入。
步驟3b第二級M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb2=0，根據(jù)(3)式(見定義 一)，得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第二位的輸出光強
步驟4第三位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出
步驟4a把步驟3a中經(jīng)過Y分支器分出的第二路光用光放大器放大4倍后，進入第三級 M-Z強度調(diào)制器進行強度調(diào)制。
步驟4b第三級M-Z強度調(diào)制器輸出的光再經(jīng)Y分支器平均分為兩路，其中第一路光作 為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第三位輸出；第二路光作為第四位的輸入。
步驟4c第三級M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb3^V^根據(jù)定義一，得到電 光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第三位的輸出光強
A = 4/2 cos2 + 二) = / sin2 (2. ~~(8)
3 2 、2^2 。 2r/
步驟5第四位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出
步驟5a使用兩個M-Z強度調(diào)制器級聯(lián)構(gòu)成第四級M-Z強度調(diào)制器陣列。
步驟5b把步驟4a中經(jīng)過Y分支器分出的第二路光用光放大器放大16倍后，進入第四 級M-Z強度調(diào)制器陣列進行強度調(diào)制。
步驟5c第四級M-Z強度調(diào)制器陣列輸出的光再經(jīng)Y分支器平均分為兩路，其中第一路 光作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第四位輸出；第二路光作為第五位的輸入。
步驟5d第四級M-Z強度調(diào)制器陣列中的第一個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為 V^二-0.5V^第二個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vm2二0.5Vp根據(jù)定義一，得 到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第四位的輸出光強
/4 =16/3cos2(^- os2(^^ + !) = /0sin2(4.^^) (9) 42f;4 。 2&
步驟6第五位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出
步驟6a使用四個M-Z強度調(diào)制器級聯(lián)構(gòu)成第五級M-Z強度調(diào)制器陣列。 步驟6b把步驟5a中經(jīng)過Y分支器分出的第二路光用光放大器放大256倍后，進入第五 級M-Z強度調(diào)制器陣列進行強度調(diào)制。
步驟6c第五級M-Z強度調(diào)制器陣列輸出的光再經(jīng)Y分支器平均分為兩路，其中第一路光作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第五位輸出；第二路光作為第六位的輸入。
步驟6d第五級M-Z強度調(diào)制器陣列中的第一個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為 Vb5!二0,25V^第二個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb52二-0.25V^第三個M-Z強 度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb53二0.75V^第四個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置 為Vb54=-0.75V7t。根據(jù)定義一，得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第五位的輸出光強
= 256L cos^ (~^ + —) cos' (~^——)cos' (~^ + —) cos' (~^--)
5 4 2J^8 82J^8 2J^ 8
=/ sin2(8-^) 2F'
(10)
步驟7第n(n〉3)位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出
步驟7a使用2n—3個M-Z強度調(diào)制器級聯(lián)構(gòu)成第n級M-Z強度調(diào)制器陣列。
步驟7b把第n-l級Y分支器分出的第二路光用光放大器放大22"倍后，進入第n級M-Z
強度調(diào)制器陣列進行強度調(diào)制，其輸出光強作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第n位輸出。
步驟7c第n級M-Z強度調(diào)制器陣列中使用2n—3個M-Z強度調(diào)制器，第m個M-Z強度
調(diào)制器的輸入直流偏置電壓為
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，m表示第n級M-Z強度調(diào)制器陣列中的第m個M-Z強度調(diào)制器m=l，2，3，-
(11) .，2n-3，
根據(jù)定義-
，士(2^-l)中的任意一個，且不能重復(fù)。 得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第n位的輸出光強
<formula>formula see original document page 9</formula>
(12)
步驟8數(shù)字信號輸出
步驟8a根據(jù)步驟2b、步驟3b、步驟4c、步驟5d、步驟6d和步驟7c得到n bit的LiNb03 波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換對應(yīng)位的輸出光強函數(shù)。
步驟8b將光閾值設(shè)置為光脈沖強度的1/2，與步驟2b、步驟3b、步驟4c、步驟5d、步 驟6d和步驟7c得到的各位輸出光強進行比較，得到nbit的光采樣的相位編碼。
步驟8c把電子比較器的門限電壓設(shè)為與光脈沖強度的1/2對應(yīng)的電壓值；把由步驟2b、 步驟3b、步驟4c、步驟5d、步驟6d、步驟7c得到的輸出光強經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為電壓信號，與比 較器門限電壓比較，得到對應(yīng)的數(shù)字信號輸出，從而完成nbit的模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出碼型為格雷 碼(見定義三)。
經(jīng)過以上步驟就完成了基于M-Z強度調(diào)制器級聯(lián)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
本發(fā)明提出的級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的工作過程是(如圖3所示) 高速的鎖模激光器產(chǎn)生的高重頻的、強度穩(wěn)定的光脈沖作為采樣光脈沖；經(jīng)過Y分支器分束 后，采樣光脈沖分別進入由級聯(lián)M-Z強度調(diào)制器陣列組成的采樣器，利用級聯(lián)M-Z強度調(diào) 制器陣列的電光調(diào)制作用，獲得電壓信號的光采樣；光采樣信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡妷翰蓸有?號后，輸入比較器與門限電壓比較，比較器就輸出與輸入模擬電壓相應(yīng)的數(shù)字編碼，從而完 成電光模數(shù)轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的實質(zhì)就是通過設(shè)置M-Z強度調(diào)制器陣列中級聯(lián)的M-Z強度調(diào)制器個數(shù)和直流偏置， 從而獲得對應(yīng)位的輸出光強函數(shù)；通過多個級聯(lián)M-Z強度調(diào)制器陣列的配合和光閾值的設(shè)置 得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的相位編碼，從而在光域內(nèi)完成了光采樣的相位編碼；再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，比 較獲得該相位編碼，從而實現(xiàn)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的優(yōu)點或積極的效果-
本發(fā)明提出的級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)M-Z強度調(diào)制器陣列電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，通過增 加級聯(lián)的強度調(diào)制器陣列的個數(shù)來提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，克服了泰勒方案調(diào)制器電極長度隨 位數(shù)增加指數(shù)增長對采樣精度的限制，另一方面，又繼承了光采樣的高采樣速率的特點，因 而具有高采樣精度和高采樣速率的特點。
圖1是兩個M-Z強度調(diào)制器級聯(lián)示意圖。
圖2是n位級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1是Y分支器，2是M-Z強度調(diào)制器，3是4倍光放大器，4是16倍光放大器，5 是256倍光放大器，6是22"_2倍光放大器，7是M-Z強度調(diào)制器的射頻輸入電極，8是M-Z 強度調(diào)制器的偏置電極。
圖3是級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的工作過程示意圖。
圖4是5位級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1是Y分支器，2是M-Z強度調(diào)制器，3是4倍光放大器，4是16倍光放大器，5 是256倍光放大器，6是M-Z強度調(diào)制器的射頻輸入電極，7是M-Z強度調(diào)制器的偏置電極。 圖5是5位級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的光采樣的相位編碼。
其中，l是輸出光強函數(shù)曲線，2是光閾值，3是數(shù)字信號
具體實施例方式
以5bit電光模數(shù)轉(zhuǎn)換為例，來證明本發(fā)明提出的級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方 法是可行的。
步驟1器件的選擇
選擇半波電壓V =2 V的M-Z強度調(diào)制器作為構(gòu)成各級強度調(diào)制陣列的單元器件。選擇 的Y分支器均為3dB分束。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。 步驟2第一位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出
10步驟2a從鎖模激光器發(fā)出的采樣光脈沖經(jīng)過Y分支器平均分為兩路后，其中第一路光 進入本級M-Z強度調(diào)制器，被M-Z強度調(diào)制器強度調(diào)制，其輸出光強作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的 第一位輸出。第二路光作為第二位的輸入，直接進入第二級M-Z強度調(diào)制器陣列。
步驟2b本級M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vw二-lV，根據(jù)式G)(見定義一)，
得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第一位的輸出光強
^ r 2,《 ；r、 "cos (f -7)
其中，/。是激光器輸入光強。
步驟3第二位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出
步驟3a步驟2a中經(jīng)過Y分支器分出的第一路光進入第二級的M-Z強度調(diào)制器進行強 度調(diào)制后，輸出的光再經(jīng)Y分支器平均分為兩路，其中第一路光作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第二位 輸出；第二路光作為第三位的輸入。
步驟3b第二級M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb2=0，根據(jù)定義一，得到電光 模數(shù)轉(zhuǎn)換的第二位的輸出光強
20 、 4 / 步驟4第三位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出
步驟4a把步驟3a中經(jīng)過Y分支器分出的第二路光由光放大器放大4倍后，進入第三級 M-Z強度調(diào)制器進行強度調(diào)制。
步驟4b第三級M-Z強度調(diào)制器輸出的光再經(jīng)Y分支器平均分為兩路，其中第一路光作 為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第三位輸出；第二路光作為第四位的輸入。
步驟4c第三級M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb3=2V，根據(jù)定義一，得到電 光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第三位的輸出的光強
/3 = 4/2 cos2 += sin2 3 2 、4 2 c 2
步驟5第四位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出
步驟5a使用兩個M-Z強度調(diào)制器級聯(lián)構(gòu)成第四級M-Z強度調(diào)制器陣列。
步驟5b把步驟4a中經(jīng)過Y分支器分出的第二路光由光放大器放大16倍后，進入第四 級M-Z強度調(diào)制器陣列進行強度調(diào)制。
步驟5c第四級M-Z強度調(diào)制器陣列輸出的光再經(jīng)Y分支器平均分為兩路，其中第一路 光作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第四位輸出；第二路光作為第五位的輸入。
步驟5d第四級M-Z強度調(diào)制器陣列中的第一個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為 Vb41=-lV;第二個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb42=lV。根據(jù)定義一，得到電 光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第四位的輸出光強
/4 = 16/3 cos2 (， - ;) cos2 (， +》=/。 sin2 (《)
步驟6第五位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出
步驟6a使用四個M-Z強度調(diào)制器級聯(lián)構(gòu)成第五級M-Z強度調(diào)制器陣列。步驟6b把步驟5a中經(jīng)過Y分支器分出的第二路光由光放大器放大256倍后，進入第五 級M-Z強度調(diào)制器陣列進行強度調(diào)制。
步驟6c第五級M-Z強度調(diào)制器陣列中的第一個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為 Vb51 = 1.5V;第二個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb52=-0.5V;第三個M-Z強度調(diào) 制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb53 = -1.5V;第四個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb54 =0.5V。根據(jù)定義一，得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第五位的輸出光強
A = 256L cos' (~^ + —) cos' (~^——)(W (~^--) cos' (~^ + —)
5 4 4 8 4 8 4 8 4 8
=/0sin2(2-《) 步驟7數(shù)字信號輸出
步驟7a根據(jù)步驟2b、步驟3b、步驟4c、步驟5d和步驟6c得到5bit級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03 波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換對應(yīng)位的輸出光強函數(shù)。
步驟7b將光閾值設(shè)置為光脈沖強度的1/2，與步驟2b、步驟3b、步驟4c、步驟5d和步 驟6c得到的各位輸出光強進行比較，得到5bit的光釆樣的相位編碼，如圖5所示。
步驟7c把電子比較器的門限電壓設(shè)為與光脈沖強度的1/2對應(yīng)的電壓值；把由步驟2b、 步驟3b、步驟4c、步驟5d和步驟6c得到的輸出光強經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為電壓信號，與比較器門限 電壓比較，得到對應(yīng)的數(shù)字信號輸出，從而完成5bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出碼型為格雷碼(見定 義三)。
經(jīng)過以上步驟就完成了 5bit級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換。
從具體方法上來看，本產(chǎn)品的設(shè)計方法優(yōu)于已公知的泰勒電極加倍方案，對于5bit級聯(lián) 結(jié)構(gòu)的LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換，本發(fā)明用8個M-Z強度調(diào)制器級聯(lián)陣列取代單個電極長 度為基本長度16倍的M-Z強度調(diào)制器實現(xiàn)第五位的模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此在器件的選擇上更方便， 更易于構(gòu)建高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明在性能方面也優(yōu)于現(xiàn)有的光電模數(shù)轉(zhuǎn)化方案。特別 是采用鎖模激光器作為激光源，可以使系統(tǒng)的定時抖動減小到10fs以下，采樣速率大于 10GS/s，在保證一定精度的前提下大大的調(diào)高了采樣速率。因此，本發(fā)明提出的級聯(lián)結(jié)構(gòu)的 LiNb03波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法有望在高速的信息處理領(lǐng)域得到應(yīng)用，為高速信號的數(shù)字化提 供推動作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1、一種級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNbO3波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征是它包含以下步驟步驟1器件的選擇本發(fā)明提出的級聯(lián)結(jié)構(gòu)的LiNbO3波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法中使用的M-Z強度調(diào)制器的半波電壓均一致，為Vπ；本發(fā)明使用的Y分支器均為3dB分束。步驟2第一位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出步驟2a從鎖模激光器發(fā)出的采樣光脈沖經(jīng)過Y分支器平均分為兩路后，其中第一路光進入本級M-Z強度調(diào)制器，被M-Z強度調(diào)制器強度調(diào)制后，其輸出光強作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第一位輸出；第二路光作為第二位的輸入，直接進入第二級M-Z強度調(diào)制器陣列。步驟2b本級M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb1＝-0.5Vπ，得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第一位的輸出光強<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>π</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步驟3第二位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出步驟3a步驟2a中經(jīng)過Y分支器分出的第二路光進入第二級的M-Z強度調(diào)制器進行強度調(diào)制后，輸出的光再經(jīng)Y分支器平均分為兩路，其中第一路光作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第二位輸出；第二路光作為第三位的輸入。步驟3b第二級M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb2＝0，得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第二位的輸出光強<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>π</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步驟4第三位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出步驟4a把步驟3a中經(jīng)過Y分支器分出的第二路光由光放大器放大4倍后，進入第三級M-Z強度調(diào)制器進行強度調(diào)制。步驟4b第三級M-Z強度調(diào)制器輸出的光再經(jīng)Y分支器平均分為兩路，其中第一路光作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第三位輸出；第二路光作為第四位的輸入。步驟4c第三級M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb3＝Vπ，得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第三位的輸出的光強<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mn>4</mn><msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>π</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi></msub><msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>·</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>π</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步驟5第四位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出步驟5a使用兩個M-Z強度調(diào)制器級聯(lián)構(gòu)成第四級M-Z強度調(diào)制器陣列。步驟5b把步驟4a中經(jīng)過Y分支器分出的第二路光用光放大器放大16倍后，進入第四級M-Z強度調(diào)制器陣列進行強度調(diào)制。步驟5c第四級M-Z強度調(diào)制器陣列輸出的光再經(jīng)Y分支器平均分為兩路，其中第一路光作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第四位輸出；第二路光作為第五位的輸入。步驟5d第四級M-Z強度調(diào)制器陣列中的第一個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb41＝-0.5Vπ；第二個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb42＝0.5Vπ，得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第四位的輸出光強<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mn>16</mn><msub> <mi>I</mi> <mn>3</mn></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>π</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>π</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi></msub><msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>·</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>π</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步驟6第五位的參數(shù)設(shè)置及光強輸出步驟6a使用四個M-Z強度調(diào)制器級聯(lián)構(gòu)成第五級M-Z強度調(diào)制器陣列。步驟6b把步驟5a中經(jīng)過Y分支器分出的第二路光用光放大器放大256倍后，進入第五級M-Z強度調(diào)制器陣列進行強度調(diào)制。步驟6c第五級M-Z強度調(diào)制器陣列輸出的光再經(jīng)Y分支器平均分為兩路，其中第一路光作為電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第五位輸出；第二路光作為第六位的輸入。步驟6d第五級M-Z強度調(diào)制器陣列中的第一個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb51＝0.25Vπ；第二個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb52＝-0.25Vπ；第三個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb53＝0.75Vπ；第四個M-Z強度調(diào)制器的直流偏置電壓設(shè)置為Vb54＝-0.75Vπ，得到電光模數(shù)轉(zhuǎn)換的第五位的輸出光強<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>5</mn></msub><mo>=</mo><mn>256</mn><msub> <mi>I</mi> <mn>4</mn></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>π</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mi>π</mi><mn>8</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> 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<mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub><mo>=</mo><msup> <mn>2</mn> <msup><mn>2</mn><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup></msup><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>π</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mi>π</mi><msup> <mn>2</mn> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow></msup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>π</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><mi>π</mi><msup> <mn>2</mn> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow></msup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>π</mi> <msub><mi>V</mi><mi>in</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>2</mn> 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</mrow>]]></math></maths>步驟8數(shù)字信號輸出步驟8a根據(jù)步驟2b、步驟3b、步驟4c、步驟5d、步驟6d、步驟7c得到n bit的LiNbO3波導(dǎo)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換對應(yīng)位的輸出光強函數(shù)。步驟8b將光閾值設(shè)置為光脈沖強度的1/2，與步驟2b、步驟3b、步驟4c、步驟5d、步驟6d、步驟7c得到的各位輸出光強進行比較，得到nbit的光采樣的相位編碼。步驟8c把電子比較器的門限電壓設(shè)為與光脈沖強度的1/2對應(yīng)的電壓值；把由步驟2b、步驟3b、步驟4c、步驟5d、步驟6d、步驟7c得到的輸出光強經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為電壓信號，與比較器門限電壓比較，得到對應(yīng)的數(shù)字信號輸出，從而完成nbit的模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出碼型為格雷碼。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于級聯(lián)LiNbO<sub>3</sub>波導(dǎo)M-Z強度調(diào)制器陣列的電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，它是通過設(shè)置級聯(lián)M-Z強度調(diào)制器陣列中的M-Z強度調(diào)制器個數(shù)和直流偏置，從而獲得對應(yīng)位的輸出光強函數(shù)；在級聯(lián)M-Z強度調(diào)制器陣列的各個M-Z調(diào)制器上施加相同的調(diào)制信號電壓，對采樣光脈沖進行強度調(diào)制，從而獲得調(diào)制信號的光采樣；通過光閾值的設(shè)置來獲得采樣光脈沖的相位編碼，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和比較獲得該相位編碼，從而實現(xiàn)電光模數(shù)轉(zhuǎn)換。本發(fā)明提出的級聯(lián)LiNbO<sub>3</sub>波導(dǎo)M-Z強度調(diào)制器陣列電光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，通過增加級聯(lián)的強度調(diào)制器陣列的個數(shù)來提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，克服了泰勒方案對采樣精度的限制，這種限制主要是由于調(diào)制器電極長度隨位數(shù)增加指數(shù)增長而導(dǎo)致的。另一方面，又繼承了光采樣的高采樣速率的特點，因而具有高采樣精度和高采樣速率的特點。
文檔編號G02F7/00GK101630106SQ20091005888
公開日2010年1月20日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)明者永 劉, 劉永智, 周曉麗, 張尚劍, 張謙述, 戴基智, 李和平, 楊亞培, 段嬪香 申請人:電子科技大學(xué)