基于MZ干涉結(jié)構(gòu)的光子模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)研究進(jìn)展

池 灝,張秋林,楊淑娜

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)是連接客觀世界和數(shù)字系統(tǒng)之間不可或缺的橋梁。隨著數(shù)據(jù)采集、無線通信和國防領(lǐng)域所需處理信號帶寬的不斷提高，對ADC的性能提出了越來越高的要求。由于受采樣保持電路帶寬和采樣時鐘抖動等因素的影響，電子ADC已經(jīng)難以同時滿足高采樣率(10 GS/s以上)和高轉(zhuǎn)換精度(8 bit以上)的需求。隨著光子技術(shù)的迅速發(fā)展，利用光子技術(shù)的優(yōu)勢來實現(xiàn)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換已受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

光子技術(shù)在模數(shù)轉(zhuǎn)換中的作用體現(xiàn)在采樣、量化、編碼、預(yù)處理等方面。鎖模激光器作為脈沖源具有超低時間抖動特性，其典型值比電子時鐘源低一個數(shù)量級，可作為良好的光采樣時鐘源[1-2]。典型的預(yù)處理方案包括光子時間拉伸技術(shù)，其主要原理是基于光脈沖在色散介質(zhì)中展寬的特性，通過兩段色散介質(zhì)實現(xiàn)輸入電信號在時域上拉伸，然后交由后續(xù)的電子ADC進(jìn)行采樣量化和編碼[3]，加州大學(xué)洛杉磯分校的課題組利用光子時間拉伸技術(shù)實現(xiàn)的ADC等效采樣率高達(dá)1 TS/s?；诠夥蔷€性的ADC是一類典型的光量化方案[4-5]，其主要原理是利用光學(xué)非線性效應(yīng)(如超連續(xù)譜效應(yīng)和光孤子自頻移效應(yīng))將輸入電信號的幅度信息轉(zhuǎn)化為光脈沖的頻譜信息(頻譜展寬或移位)，然后利用光濾波器組識別頻譜信息，從而得到數(shù)字化的信號幅度信息。

本文主要介紹基于馬赫曾德爾(Mach-Zehnder，MZ)干涉結(jié)構(gòu)的光量化編碼方案，將從Taylor提出的量化編碼方案開始，討論各類典型改進(jìn)方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理和特性，結(jié)合作者所在小組的研究成果討論該類光ADC的研究進(jìn)展。

1 Taylor方案

圖1 Taylor提出的基于MZ調(diào)制器陣列實現(xiàn)光量化編碼的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)注：馬赫曾德爾調(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)。

Taylor于1975年首次提出一種基于MZ調(diào)制器陣列的光子ADC方案[6]。該方案利用MZ調(diào)制器調(diào)制曲線的周期特性對輸入信號進(jìn)行量化。通過設(shè)定MZ調(diào)制器陣列電極長度的倍增來實現(xiàn)對輸入信號的量化編碼，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。鎖模激光器產(chǎn)生的光脈沖作為采樣脈沖源，光脈沖接入具有不同電極長度的MZ調(diào)制器陣列對輸入待轉(zhuǎn)換射頻信號進(jìn)行采樣和調(diào)制。每個MZ調(diào)制器的輸出分別連接光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再接入比較器。設(shè)定比較器的判決閾值為調(diào)制器最大輸出的一半，當(dāng)比較器輸入電壓大于閾值時輸出信號“1”，小于閾值時輸出“0”，從而將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字編碼。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心是一組電極長度呈倍數(shù)增長的MZ調(diào)制器陣列，即第n路調(diào)制器的電極長度為Ln=2n-1L1，其中L1是第一路調(diào)制器的電極長度。當(dāng)外加電壓作用于調(diào)制器電極上時，會引起調(diào)制器兩臂的光信號之間產(chǎn)生相位差。在輸入模擬電壓的作用下，第n路調(diào)制器的兩臂間產(chǎn)生的相位差為φs=πVs/Vπ，其中Vπ=Vm/2n-1表示第n路調(diào)制器的半波電壓，Vs為輸入射頻信號，Vm表示最大半波電壓。第n路調(diào)制器輸出的光強(qiáng)可表示為：

(1)

圖2 4個馬赫曾德爾(MZ)調(diào)制器的調(diào)制曲線及量化編碼原理

其中I0為輸入光強(qiáng)，φbn=πVbn/Vπ是外加偏置電壓Vbn引起的偏置相移。每一路光通道輸出的信號強(qiáng)度與輸入模擬電壓之間的關(guān)系可通過該通道的傳遞函數(shù)來表示，各光通道對應(yīng)的傳遞函數(shù)曲線及其量化編碼方案如圖2所示。

圖3 光學(xué)Folding-flash量化編碼結(jié)構(gòu)圖注：馬赫曾德爾調(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)。

利用MZ調(diào)制器半波電壓幾何級數(shù)遞減可實現(xiàn)量化和編碼，如圖2所示，輸出的二進(jìn)制編碼為格雷碼(相鄰碼字只有一位的差別)，半波電壓最大和最小的調(diào)制器輸出分別對應(yīng)最高有效位(Most Significant Bit, MSB)和最低有效位(Least Significant Bit, LSB)。在滿幅工作條件下，實現(xiàn)的量化比特位數(shù)等于所用調(diào)制器的個數(shù)。Taylor方案結(jié)構(gòu)簡單，編碼效率高，但該方案也有不足，即提高量化精度需要成倍降低調(diào)制器的半波電壓，如果要實現(xiàn)精度為3比特以上的ADC，則要求調(diào)制器的最小半波電壓要小于1 V，目前的工藝水平難以達(dá)到這樣的程度，因此限制了實際可實現(xiàn)的比特精度。

2 MZ調(diào)制器級聯(lián)方案

為了克服Taylor方案中需要調(diào)制器半波電壓成倍遞減的不足，不同研究小組分別提出了基于電極分割的單抽頭MZ調(diào)制器方案[7]、分布式的PM調(diào)制器方案[8]以及MZ調(diào)制器級聯(lián)方案[9]等改進(jìn)型方案，這些方案技術(shù)細(xì)節(jié)不同，但實質(zhì)上都等同于將相同的MZ調(diào)制器級聯(lián)以實現(xiàn)等效的長電極以及半波電壓的降低。典型的如Jalali于1995年提出的光學(xué)Folding-Flash方案[9]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該系統(tǒng)通過MZ調(diào)制器級聯(lián)的方式來實現(xiàn)，無需調(diào)制器本身的半波電壓遞減，MSB和MSB-1對應(yīng)的通道只需要一個MZ調(diào)制器,MSB-2對應(yīng)的通道需要兩個相同的MZ調(diào)制器級聯(lián)，對于一個N比特的系統(tǒng)，LSB對應(yīng)的光通道需要2N-1個MZ調(diào)制器級聯(lián)實現(xiàn)。該方案實現(xiàn)了相鄰光通道調(diào)制曲線的周期遞減，避免了系統(tǒng)每增加一個比特精度，相應(yīng)調(diào)制器的電極長度就需要增加一倍的限制，有效解決了Taylor方案中對調(diào)制器半波電壓要求過低的難題。但是該方案中需要級聯(lián)數(shù)量繁多的MZ調(diào)制器，使得整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。該方案中，波導(dǎo)延遲會限制轉(zhuǎn)換速率，另外，分布式結(jié)構(gòu)也會引起電信號和光信號同步的問題，因此，該方案也難以同時滿足高采樣率和高轉(zhuǎn)換精度的要求。

3 移相光量化方案

3.1 空間光干涉結(jié)構(gòu)

圖4 基于光空間干涉移相光量化方案結(jié)構(gòu)圖注：相位調(diào)制器(Phase Modulator，PM)。

圖5 移相光量化編碼原理(以三通道為例)

2005年，瑞典Chalmers理工大學(xué)的學(xué)者提出了一種基于空間光干涉實現(xiàn)量化編碼的模數(shù)轉(zhuǎn)換方案[10]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該方案中，光脈沖輸入空間MZ干涉儀，在其中一臂放置一相位調(diào)制器(phase modulator, PM)，輸入模擬信號經(jīng)調(diào)制器后加載到光載波上，與另一臂中未被調(diào)制的光信號發(fā)生干涉，之后將輸出光信號投射到空間光探測器陣列上。通過調(diào)節(jié)空間探測器的位置從而控制不同傳遞函數(shù)傳輸曲線的附加相移量。以3路光通道系統(tǒng)為例，每個探測器所接受到的傳輸特性曲線如圖5所示。利用這樣一組周期相同、相鄰兩路相位差為π/N(N為通道數(shù))的傳輸特性，通過設(shè)定判決閾值為輸出光強(qiáng)最大值的一半，可實現(xiàn)對輸入模擬信號的量化編碼。

和Taylor方案利用MZ調(diào)制器陣列調(diào)制曲線周期遞減實現(xiàn)量化編碼不同，該方案利用傳遞函數(shù)曲線的相移不同實現(xiàn)對輸入信號的量化編碼，即所謂的移相光量化。跟Taylor方案相比，移相光量化編碼輸出也為格雷碼，但是N路輸出可以實現(xiàn)的量化等級數(shù)為2N，而非2N，因而對應(yīng)量化比特數(shù)為log2(2N)，跟Taylor方向比，編碼效率較低。如要提高量化精度，需要通過增大通道個數(shù)和減小相鄰?fù)ǖ乐g的相位差來實現(xiàn)。

2006年，Stigwall等通過實驗對1.25 GHz正弦信號進(jìn)行數(shù)字化，實現(xiàn)了40 GS/s的采樣率和3.6-bit的有效位[11]。相比于Taylor方案，移相光量化方案避免了對調(diào)制器半波電壓成倍減小的要求，只需要增加量化通道個數(shù)和減小相鄰?fù)ǖ纻鬟f函數(shù)調(diào)制曲線的相移量即可實現(xiàn)。在該方案中，只使用一個普通的相位調(diào)制器，從而簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。但該方案基于空間光干涉結(jié)構(gòu)，并通過光探測器陣列的特定放置來實現(xiàn)傳遞函數(shù)之間所需的相移量，工藝要求較高且易受環(huán)境的影響。

3.2 光偏振干涉結(jié)構(gòu)

2007年，清華大學(xué)研究團(tuán)隊提出一種利用光的偏振干涉實現(xiàn)移相光量化的方案[12]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。在該方案中，激光器輸出的光脈沖通過偏振控制器產(chǎn)生兩個幅度相同，偏振態(tài)正交的光脈沖序列。模擬射頻信號通過相位調(diào)制器對該脈沖序列進(jìn)行調(diào)相，使具有不同偏振態(tài)的脈沖序列的相位差與射頻信號的幅度成正比。調(diào)制后的信號被光分束器分為N個光通道，并通過可調(diào)光相移器陣列在已調(diào)光信號的兩個偏振態(tài)之間引入相位差，兩個偏振分量在相移器輸出端經(jīng)由檢偏器發(fā)生干涉，從而實現(xiàn)不同光通道傳遞函數(shù)所需的相移量。

第i個光通道的輸出光強(qiáng)為：

(2)

其中，Io表示輸入光強(qiáng)大小，Δφ=T/(2N)表示相鄰兩個通道間的固定相移，T為傳遞函數(shù)周期，Vπ表示相位調(diào)制器的半波電壓。

圖6 基于相位調(diào)制和偏振干涉結(jié)構(gòu)的移相光量化結(jié)構(gòu)圖注：相位調(diào)制器(Phase Modulator ，PM)；偏振控制器(Polarization Controller，PC)；可調(diào)光移相器Tunable Optical Phase Shifter，TOPS)。

與空間光干涉移相光量化方案不同，該方案基于全光纖系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較為緊湊，利用相位調(diào)制器中兩個正交偏振分量共路干涉代替空間MZ雙臂干涉結(jié)構(gòu)。同時繼承了空間光干涉方案的優(yōu)點，無論實現(xiàn)多少比特精度系統(tǒng)都只需要一個相位調(diào)制器，避免了多調(diào)制器之間的同步問題。應(yīng)用偏振干涉方案，該課題組于2007年實現(xiàn)了對2.5 GHz信號的直流光量化，獲得了有效比特4.1-bit的量化結(jié)果，于2009年實現(xiàn)了采樣率40 GS/s、有效位3.45-bit的量化結(jié)果。

2012年，清華大學(xué)提出利用附加調(diào)制器改進(jìn)相移光量化的光子量化方案[13]，該方案在使用一個PM的基礎(chǔ)上額外增加一個MZM，實現(xiàn)了量化級數(shù)加倍的效果。2013年，該課題組還提出一種基于偏振調(diào)制器和保偏光纖實現(xiàn)的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換方案[14]，該方案利用不同波長的光脈沖經(jīng)偏振模色散后具有不同的模式雙折射，可得到具有不同相位偏置的調(diào)制傳遞函數(shù)。同年，北京交通大學(xué)團(tuán)隊也提出一種基于偏振調(diào)制和波長相關(guān)雙折射的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換方案[15]，利用偏振分束器將調(diào)制后的信號分為兩束信號后再進(jìn)行平衡探測，從而實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的過程。

3.3 基于等半波電壓MZ調(diào)制器陣列結(jié)構(gòu)

圖7 基于等半波電壓MZ調(diào)制器陣列的移相光量化編碼結(jié)構(gòu)圖注：馬赫曾德爾調(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)。

2008年，作者所在的浙江大學(xué)和渥太華大學(xué)課題組提出一種基于等半波電壓MZ調(diào)制其陣列的量化編碼方案[16]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。激光器輸出的采樣光脈沖通過N個并行且具有等電極長度(意味著等半波電壓)的MZ調(diào)制器陣列，并受到輸入待轉(zhuǎn)換信號的調(diào)制。經(jīng)調(diào)制后每個MZ調(diào)制器輸出端的光信號強(qiáng)度可以表示為：

Io=0.5Ii[1+cos(φs+φb)]

(3)

該方案的量化編碼原理與前述的移相光量化方案的原理形同，輸出也為格雷碼，即任意相鄰碼字只有一個比特位變化，當(dāng)輸入信號電平在比較器判決點附近時，這種特性將有效減小系統(tǒng)誤碼發(fā)生的概率。和空間光干涉方案以及偏振干涉方案相比，該方案結(jié)構(gòu)較為簡單。該方案最主要的優(yōu)點在于，系統(tǒng)所采用的各調(diào)制器的半波電壓相同，完全克服了Taylor方案中半波電壓過低的限制，利用現(xiàn)有的光波導(dǎo)和集成光子學(xué)的工藝水平，可在單片硅光芯片上完成調(diào)制器陣列的集成，并有望與后續(xù)的電光調(diào)制器和比較器實現(xiàn)光電混合集成。

3.4 基于非對稱MZ調(diào)制器的結(jié)構(gòu)

2010年，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校團(tuán)隊提出了一種基于非對稱MZ調(diào)制器(Unbalanced Mach-Zehnder modulator, UMZM)的移相光量化方案[17]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。輸入波長不同的連續(xù)光經(jīng)復(fù)用器后接入UMZM，在此MZM中受輸入待轉(zhuǎn)換射頻信號的調(diào)制，對應(yīng)于第i個波長的調(diào)制器輸出光強(qiáng)可表示為：

圖8 基于非對稱MZ調(diào)制器(UMZM)的移相量化編碼方案結(jié)構(gòu)圖注：連續(xù)波(Continuous Wave，CW)；復(fù)用器/解復(fù)用器(Multiplexer/ Demultiplexer，MUX/ DEMUX)；非對稱馬赫曾德爾調(diào)制器(Unbalanced Mach-Zehnder Modulator，UMZM)。

(4)

其中2πnΔL/λi表示由臂長差引起的兩臂相移，當(dāng)兩臂長差ΔL固定時，不同的波長對應(yīng)于不同相位差，從而可實現(xiàn)等效的移相光量化編碼。UMZM輸出的調(diào)制信號再經(jīng)過解復(fù)用器分為N路，每一路經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后接入比較器進(jìn)行閾值判決，從而實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。該方案的優(yōu)點是只需要一個UMZM，結(jié)構(gòu)相對簡單。需要指出的是，由于系統(tǒng)中使用了非等臂長的MZ調(diào)制器，該方案無法使用光脈沖作為輸入光信號(會導(dǎo)致光脈沖在時域上分離)，也即無法同時實現(xiàn)光采樣和光量化編碼功能，采樣必須在電光轉(zhuǎn)換后通過電學(xué)方法實現(xiàn)，這是本方案的最大缺陷。

3.5 基于相位調(diào)制器和延遲線干涉儀的差分編碼方案

圖9 基于相位調(diào)制器和延遲線干涉儀的差分編碼ADC結(jié)構(gòu)圖注：相位調(diào)制器(Phase Modulator，PM)；延遲線干涉儀(Delay-Line Lnterferometers，DLIs)。

2011年，作者所在課題組提出一種利用相位調(diào)制器和延遲線干涉儀(delay-line interferometers，DLI)陣列實現(xiàn)差分編碼的光子ADC方案[18]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示，采樣光脈沖接入一相位調(diào)制器，在此調(diào)制器中輸入待轉(zhuǎn)換射頻信號調(diào)制到光載波上，已調(diào)光信號通過一光分束器分為N路光，每個光通道接入一個DLI，DLI的輸出信號接入光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，后接入比較器進(jìn)行判決輸出。系統(tǒng)中每個DLI具有相同的延遲，但相移不同，其中延遲大小和光脈沖的重復(fù)周期相同，相移量由一臂上的偏置電壓控制。每路輸出的電流信號可表示為：

i(t)=0.5A|g(t)|2{1+cos[φs(t)-φs(t-τ)+φb]}

(5)

其中g(shù)(t)代表重復(fù)周期為τ的光脈沖串，φs(t)-φs(t-τ)表示由差分信號Vs(t)-Vs(t-τ)引起的相移，φb表示偏置相移。由式(5)可以看出，通過調(diào)節(jié)φb可實現(xiàn)不同傳遞函數(shù)所需的相移量，從而實現(xiàn)移相光量化。值得注意的是該方案不是對輸入信號直接編碼，而是對差分信號Vs(t)-Vs(t-τ)進(jìn)行編碼，從而實現(xiàn)差分編碼輸出。

由于差分信號的峰-峰值通常遠(yuǎn)小于原始信號的峰-峰值，在實現(xiàn)相同比特精度的情況下，差分編碼數(shù)字信號的量化噪聲要遠(yuǎn)小于直接編碼數(shù)字信號的量化噪聲，因此通過對差分信號進(jìn)行編碼能夠極大的提升系統(tǒng)的比特精度。此外，該方案只需一個相位調(diào)制器，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

同時，作者團(tuán)隊還提出將多波長脈沖光作為系統(tǒng)采樣源，利用一個PM和一個DLI實現(xiàn)差分編碼的光子ADC方案[19]，該方案還提出利用平衡探測的自適應(yīng)閾值設(shè)置，可有效降低幅度噪聲對系統(tǒng)性能的影響。

4 移相光量化ADC的比特精度提升方案

為了改進(jìn)移相光量化方案中比特精度較低的問題2009年，作者所在課題組提出一種基于對稱數(shù)字系統(tǒng)(symmetrical number system，SNS)編碼的光子模數(shù)轉(zhuǎn)換方案[20]。在該方案中，每個光信道使用多個不同閾值的比較器，利用SNS理論對已調(diào)光信號進(jìn)行量化和編碼，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。該方案中，采樣光脈沖接入N個并行且具有等電極長度的MZ調(diào)制器。每一路已調(diào)光信號通過一個光分束器分為M個光通道，每個光通道都連接一光電探測器和比較器，最后由組合邏輯模塊將比較器輸出轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼。該方案通過增加比較器的方法，在不增加調(diào)制器數(shù)量的基礎(chǔ)上可以顯著提高系統(tǒng)的比特精度：對于N通道系統(tǒng)，移相光量化方案實現(xiàn)2N個量化級，而利用SNS編碼方案可以實現(xiàn)2NM個量化級(M為每個光通道對應(yīng)的比較器個數(shù))，量化級數(shù)顯著提升。此外該系統(tǒng)通過調(diào)整調(diào)制器的偏置電壓來實現(xiàn)所需相移。

2018年，作者團(tuán)隊提出一種改進(jìn)型基于等臂長MZ調(diào)制器陣列的ADC方案[21]，其結(jié)構(gòu)如圖11所示，該方案利用邏輯電路實現(xiàn)對探測信號的線性組合，從而可等效實現(xiàn)增加量化通道數(shù)的目的。該方案的特點是光調(diào)制器陣列的復(fù)雜度顯著降低，通過邏輯電路的組合操作等效實現(xiàn)多通道的傳遞函數(shù)，從而實現(xiàn)正確的量化編碼，因而，如何提升邏輯電路的帶寬是該方案的關(guān)鍵。

圖10 基于等半波電壓和多個比較器的量化編碼方案結(jié)構(gòu)圖

圖11 使用3個MZ調(diào)制器和邏輯組合電路實現(xiàn)4 bit ADC結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)束語

基于MZ干涉結(jié)構(gòu)的光量化編碼技術(shù)，除了本文涉及的典型方案，近期還出現(xiàn)了基于信號折疊、正交矢量疊加等改進(jìn)型的移相量化方案。由于需求的驅(qū)動，光子模數(shù)轉(zhuǎn)換是近十年來國內(nèi)外的研究熱點，近年來，光采樣和光預(yù)處理技術(shù)逐漸成熟，而光量化編碼技術(shù)還處在摸索階段，還沒有真正成熟的技術(shù)，需要更多的研究工作。我們認(rèn)為，以下幾點值得關(guān)注：一是新型高性能光量化編碼方案，要便于光集成；二是要同時滿足高速采樣和高轉(zhuǎn)換精度的要求；三是光量化編碼方案與光采樣技術(shù)必須兼容。