[发明专利]一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换方法及装置。

背景技术

数字信号系统具有灵活、抗干扰能力强、易处理、变换、加密和集成等诸多优势，然而自然界中的大部分信号都以模拟信号形式存在，为了充分利用数字系统的优势，人们常常用模数转换器(ADC，Analog-to-digital converter)将模拟信号转换成数字信号，再在数字系统中进行信号的处理、传输和存储。于是，ADC成为了构建数字化系统的关键，特别是在骨干网、电子系统中，对数字化处理的精度、速率和带宽提出了很高的要求。然而，由于载流子的迁移速率存在物理极限，电子ADC受到诸如采样时间抖动、采样保持电路设置时间、比较器不确定性、晶体管阈值失配等因素限制，采样速率每增加一倍，有效位数下降一位(R.H.Walden,Analog-to-digital converter survey and analysis,IEEE.J.Select.Areas Commun.,Vol.17,1999:539-550)，导致其始终很难取得在10GHz以上带宽前提下的高精度突破。例如，目前最高速的电子模数转换器为美国Tektronix的16GHz带宽ADC，以及日本Fujitsu的15GHz带宽ADC，但它们的有效位数均低于6位。

光学ADC技术利用光脉冲高速、宽带、高稳定性等优点，完成高速、高精度的采样量化，被视为同时实现宽带、高精度模数转换的有效途径。按照光学技术在模数变换中所承担的角色，一般将光学ADC分为光学采样型、光学量化型、光学辅助型和光学采样量化型四种。其中，光学辅助型ADC是利用光子技术对模拟电信号进行预处理，再用电子ADC进行采样、量化和编码。光学预处理的目的在于改善电子ADC带宽、速率、量化精度等性能指标。

在光学辅助ADC技术中，最受业界关注的是光学时间拉伸ADC(TS-ADC)，该方案于1998年由美国加州大学洛杉矶分校的Jalali教授首次提出，它利用光学色散效应对微波信号进行降频预处理，从而有效提高电子ADC的模拟带宽和采样速率。例如，在拉伸倍数为M的情况下，电子ADC的模拟带宽B和采样速率S分别提高到和。基本原理是利用色散效应将线性啁啾光脉冲展宽，从而将调制在光脉冲上的微波信号同步拉伸降频，再用低速的电子ADC完成拉伸后微波信号的数字化。目前，单通道瞬态信号处理系统已实现了高达250倍的拉伸系数，以及10TS/s的有效采样速率，有效位数达4.5bits(J.Chou,O.Boyraz,et al.Femtosecond real-time single-shot digitizer.Applied Physics Letters,2007,91(16):161105)。

然而，TS-ADC仍然存在技术性的关键问题有待解决，其中首要问题就是脉冲包络的非均匀性。为了提高系统的有效位数，必须去除脉冲包络的非均匀性和脉冲与脉冲间包络形状变化的影响。目前，最常用的方法是利用双输出MZM双端口的互补特性，将两个输出端口信号做差分处理。为了用一段色散介质实现两路互补信号的独立拉伸，需要在其中一个输出端加二分之一重复周期的时延后，再把两路耦合、同步拉伸。如此针对每一个脉冲进行差分处理就解决了包络随时间变化的问题。2003年，Jalali教授团队利用该方法，成功对一个采样速率高达120GS/s,模拟带宽24GHz的光学时间拉伸系统数据，进行了去包络处理(Y.Han,B.Jalali.Differential photonic time-stretch analog-to-digital converter.Conference on Lasers and Electro-Optics Optical Society of America,2003)。对于连续时间的光学时间拉伸模数转换系统，待数字化的连续微波信号调制在由线性啁啾脉冲首尾相连构成的连续光载波上，再用色散效应将信号与光载波同步拉伸，利用波分复用器将降频后的信号切割，分别经由光电探测器和电子模数转换器完成光电变换和数字化转换。然而，连续时间系统的拉伸倍数受限于波分复用的通道数，这是因为拉伸倍数若大于波分复用的通道数，拉伸后，前后两个脉冲将因为同一波长分量在时间上的重叠而无法分辨。因此，如果将Jalali团队的差分去包络技术应用于连续时间系统，最大拉伸倍数是未应用差分去包络系统的一半。即此时最大有效带宽为，最大有效采样速率为。由此可见，虽然Jalali团队的差分去包络方案解决了系统包络非均匀性的技术问题，但却以牺牲拉伸倍数为代价，限制了系统有效带宽和有效采样速率的提升。