微波信號(hào)光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的研究.pdf

1、光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速模擬信號(hào)數(shù)字化和突破電子瓶頸最有前景的技術(shù)。盡管全世界對(duì)光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器已經(jīng)進(jìn)行了三十多年的研究，提出了多種方法，但無(wú)論是各個(gè)單元部分，還是整體方案均未取得突破性進(jìn)展，還沒有較為完善的實(shí)現(xiàn)超高速采樣、高精度量化的整體方案，它依然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題。因此，本論文以微波信號(hào)光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法為研究對(duì)象。在介紹國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，從相位采樣、偏振采樣和波長(zhǎng)采樣的角度，研究和建立一種新的高速信號(hào)模數(shù)

2、轉(zhuǎn)換方法。
　　 首先，從光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本概念出發(fā)，得到了各種噪聲與采樣速率和量化精度的函數(shù)關(guān)系。以量化噪聲作為判決標(biāo)準(zhǔn)，在其他光學(xué)器件性能理想的條件下，深入研究了模擬光學(xué)系統(tǒng)CNR和采樣光脈沖的強(qiáng)度噪聲、平均功率、定時(shí)抖動(dòng)、脈沖寬度對(duì)有效位數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，光學(xué)系統(tǒng)CNR和光脈沖強(qiáng)度噪聲、平均功率只影響模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化精度；而定時(shí)抖動(dòng)、脈沖寬度不僅影響模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化精度，而且限制了采樣速率的提高?，F(xiàn)有鎖模激光技術(shù)將光學(xué)模數(shù)

3、轉(zhuǎn)換器的性能限制在10GS/s、10bits左右。
　　 其次，研究了Taylor相位編碼光采樣方法的基本原理，得到了渡越時(shí)間限制采樣速率和量化精度的理論關(guān)系式。利用該關(guān)系式，估算出Taylor方法將相位編碼光采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換的性能限制在1GS/s@4 bits左右。針Taylor方法的局限性，提出了電壓電極綜合加倍的改進(jìn)方法，使相同采樣速率下的量化精度比Taylor方法提高約2 bits。通過調(diào)整M-Z直流偏置電壓，克服了現(xiàn)有Li

4、NbO3 M-Z調(diào)制器的半波電壓過高的缺點(diǎn)，進(jìn)行了2 bits相位編碼模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)，得到了2GS/s、2 bits的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　 第三，利用SOA的非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，建立起一種新型的高速偏振采樣的方法。通過求解SOA中兩個(gè)偏振方向的載流子速率方程，建立了偏振采樣的理論模型，用于描述信號(hào)光功率與采樣脈沖光的偏振角間的關(guān)系。利用偏振采樣的理論模型，通過優(yōu)化輸入偏振角及SOA注入電流值，得到了偏振采樣的最佳傳輸特性曲線，并數(shù)字

5、仿真了高速偏振采樣的過程。理論分析表明，利用SOA的偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)上百GS/s速率的偏振采樣和低精度量化。
　　 第四，利用光波長(zhǎng)在傳輸過程中幾乎不受噪聲及干擾影響的特點(diǎn)，提出并建立了一種新型的波長(zhǎng)采樣與量化的光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。該模數(shù)轉(zhuǎn)換方法以電光調(diào)諧的窄帶光濾波器為波長(zhǎng)采樣器，以AWG作為波長(zhǎng)量化器，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)采樣與量化功能。以量化噪聲為標(biāo)準(zhǔn)，理論分析了波長(zhǎng)采樣與量化方法的性能，得到了以下結(jié)果：1）波長(zhǎng)采樣與量化方法的采

6、樣速率取決于光脈沖重頻，而量化精度受到采樣光脈沖定時(shí)抖動(dòng)和脈沖寬度的限制；2）光波長(zhǎng)采樣與量化方法的性能不受光源強(qiáng)度噪聲及系統(tǒng)CNR的影響；3）現(xiàn)有高重頻鎖模激光技術(shù)將波長(zhǎng)采樣與量化ADC的性能限制在10GS/s、10 bits左右；4）由于實(shí)際器件的性能非理想，波長(zhǎng)采樣與量化ADC的量化精度主要受到調(diào)諧范圍的限制。
　　 波長(zhǎng)采樣與量化ADC的核心器件是高速調(diào)諧光濾波器，其調(diào)諧速度決定了波長(zhǎng)采樣的速率，調(diào)諧范圍和帶寬決定了波長(zhǎng)

7、量化的精度。因此，本論文提出并設(shè)計(jì)了電光調(diào)諧的對(duì)稱雙波導(dǎo)LPWG可調(diào)諧濾波器。從模耦合理論出發(fā)，推導(dǎo)并建立了對(duì)稱雙波導(dǎo)LPWG耦合結(jié)構(gòu)的耦合方程，通過拉普拉斯反演變換求解，得到了輸出光功率函數(shù)和耦合系數(shù)的計(jì)算公式。利用長(zhǎng)周期波導(dǎo)光柵相位匹配條件，研究了對(duì)稱雙波導(dǎo)LPWG耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)濾波的原理。
　　 本論文采用電光有機(jī)聚合物作為波導(dǎo)材料，設(shè)計(jì)了電光調(diào)諧的對(duì)稱雙波導(dǎo)LPWG可調(diào)諧濾波器。與傳統(tǒng)的光濾波器相比，該濾波器具有ns量級(jí)的

8、調(diào)諧速度、大調(diào)諧范圍、窄帶寬三個(gè)特點(diǎn)，能同時(shí)輸出互補(bǔ)的帶通和帶阻濾波結(jié)果。建立了電光調(diào)諧對(duì)稱雙波導(dǎo)LPWG可調(diào)諧濾波器的理論模型，深入研究了LPWG光柵周期、光柵長(zhǎng)度、光柵刻蝕深度及耦合系數(shù)對(duì)濾出波長(zhǎng)、3dB帶寬及耦合效率的影響。提出利用弱耦合壓縮3dB帶寬的方法。數(shù)字仿真結(jié)果表明，對(duì)稱雙波導(dǎo)LPWG可調(diào)諧濾波器能在30nm范圍，實(shí)現(xiàn)帶寬0.8nm的高速、線性、連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)諧。
　　 為了準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)稱雙波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù)，本論