高速高精度光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)研究進(jìn)展①

李政凱，張旨遙*，李和平，劉 永

(電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610000)

0 引言

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)具有分辨率高、靈活性高以及抗噪性好等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)精確信號(hào)處理的首選方法[1]。然而自然界中普遍存在的是時(shí)間和幅度上連續(xù)的模擬信號(hào)，作為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的橋梁，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digital converter,ADC)對(duì)信號(hào)采集和處理系統(tǒng)的運(yùn)作起到了至關(guān)重要的作用。例如：寬帶雷達(dá)和電子偵察等應(yīng)用場(chǎng)景迫切需要模擬帶寬覆蓋數(shù)十GHz、采樣速率高達(dá)數(shù)十GS/s以上的高精度ADC，以實(shí)現(xiàn)高頻寬帶信號(hào)的直接數(shù)字化。現(xiàn)有的ADC主要基于電子學(xué)半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如硅基ADC，由于載流子遷移速率存在物理極限，單核ADC的模擬帶寬低于數(shù)GHz，同時(shí)為了保證轉(zhuǎn)換精度，采樣速率通常僅能達(dá)到1-2GS/s[2]。轉(zhuǎn)換精度作為ADC的重要性能指標(biāo)，通常用有效位數(shù)(Effective Number of Bits,ENOB)來(lái)表示，根據(jù)Walden對(duì)ADC的調(diào)研報(bào)告[3]，單核ADC的轉(zhuǎn)換精度主要受限于時(shí)間抖動(dòng)噪聲(百fs量級(jí))、熱噪聲和比較器不確定性等因素，且會(huì)隨著采樣速率和帶寬的增加而嚴(yán)重惡化，在采樣率達(dá)到數(shù)十GHz時(shí)有效位數(shù)通常不超過(guò)6位。目前，高速電子ADC通常采用多個(gè)低速ADC核進(jìn)行時(shí)間交織采樣實(shí)現(xiàn)，這樣可以使單核ADC工作在較低的采樣速率，從而避免比較器不確定性帶來(lái)的精度惡化，同時(shí)單核ADC所需時(shí)鐘頻率較低，時(shí)間抖動(dòng)較小，可以保證足夠高的有效位數(shù)[4]。然而，通過(guò)時(shí)間交織采樣實(shí)現(xiàn)的高速電子ADC，其模擬帶寬取決于單核ADC的模擬帶寬，并不能通過(guò)時(shí)間交織采樣方式得以提升，并且ADC核數(shù)量的增加還會(huì)引入晶體管增益失配、時(shí)鐘相位誤差等問(wèn)題，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換精度下降。當(dāng)前國(guó)外最先進(jìn)的高速示波器采用高遷移率半導(dǎo)體材料和遷移率提升技術(shù)來(lái)提升單核ADC的輸入帶寬和采樣速率，并通過(guò)時(shí)間交織采樣的方式，最終能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)十GHz的模擬帶寬和上百GS/s的采樣速率，然而相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)均對(duì)我國(guó)進(jìn)行嚴(yán)格的封鎖。因此，具有大模擬帶寬的高速、高精度ADC是數(shù)字信號(hào)處理發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。

自上世紀(jì)七十年代起，鎖模激光器的發(fā)展和光子學(xué)技術(shù)的成熟促使人們開(kāi)始將注意力集中于借助光信號(hào)處理技術(shù)的超高速、大帶寬等天然優(yōu)勢(shì)來(lái)提升電子ADC的性能。例如：鎖模激光器可以產(chǎn)生重復(fù)頻率達(dá)數(shù)十GHz、脈寬為ps至fs量級(jí)的低時(shí)間抖動(dòng)光脈沖，可以用于產(chǎn)生高精度光學(xué)時(shí)鐘以及實(shí)現(xiàn)高速單路直接光學(xué)采樣；電光調(diào)制器的3dB帶寬已經(jīng)突破100GHz，可以保證超寬帶光學(xué)采樣的實(shí)現(xiàn)；光學(xué)時(shí)分/波分復(fù)用技術(shù)的成熟為高速光學(xué)采樣與低速電學(xué)量化的匹配搭建起了橋梁。上述這些技術(shù)的突破使得借助光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換成為可能，為寬帶、高速、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展提供了可行的解決方案和有力的技術(shù)支撐。

光學(xué)ADC技術(shù)在實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)的數(shù)字化方面的作用日漸凸顯，在此背景下，本文回顧了光學(xué)ADC技術(shù)的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了光學(xué)時(shí)間拉伸ADC以及光采樣ADC這兩類(lèi)主要光學(xué)ADC技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方案，并概述了光量化技術(shù)的發(fā)展，展望了光學(xué)ADC的發(fā)展趨勢(shì)。

1 光學(xué)ADC

光學(xué)ADC是指在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)采樣、量化和編碼等一項(xiàng)或多項(xiàng)模數(shù)轉(zhuǎn)換基本功能，或利用光學(xué)方法對(duì)待采信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，從而提升電子ADC性能的一種技術(shù)。光學(xué)ADC能夠充分發(fā)揮光子學(xué)技術(shù)超高速、超寬帶等天然優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)高速、高精度數(shù)字化最具潛力的發(fā)展方向之一，在超寬帶無(wú)線(xiàn)通信、高速信號(hào)采集、高載頻寬帶雷達(dá)、電子偵察等民用和國(guó)防領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。按照光子學(xué)技術(shù)在模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中所發(fā)揮的作用，光學(xué)ADC可以分為以下四種類(lèi)型：光采樣電量化型、電采樣光量化型、全光采樣量化型和光學(xué)輔助型[5]。目前，光量化技術(shù)還處在研究探索階段，量化精度不高，實(shí)用性有待提升，相比之下電量化技術(shù)更加成熟且量化精度更高。因此，光學(xué)預(yù)處理技術(shù)(包括光學(xué)采樣技術(shù))與電學(xué)量化技術(shù)相結(jié)合的光電混合型ADC在現(xiàn)階段有著更好的應(yīng)用前景，其中典型的代表包括光學(xué)輔助型ADC和光采樣電量化型ADC兩大類(lèi)。

1.1 光學(xué)輔助型ADC

光學(xué)輔助型ADC先在光域內(nèi)對(duì)待采樣的模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理或利用光學(xué)方法產(chǎn)生采樣時(shí)鐘，再利用電子ADC對(duì)預(yù)處理后的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和量化，從而提升電子ADC的性能。其中，光學(xué)時(shí)鐘型ADC是一種利用光學(xué)手段產(chǎn)生低時(shí)間抖動(dòng)的采樣電時(shí)鐘的方案[6]，然而受限于模擬帶寬以及重復(fù)頻率和時(shí)間抖動(dòng)的相互制約，其性能難以進(jìn)一步提升。時(shí)間交織型ADC將待處理信號(hào)復(fù)制為多個(gè)樣本并在光域內(nèi)經(jīng)過(guò)精確延時(shí)處理，再利用同步的電子ADC完成數(shù)字化[7]，該方案雖然大大提高了電子ADC的采樣速率，但并不能提升電子ADC的模擬帶寬，因此難以用于寬帶信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。光學(xué)信道化下變頻型ADC將寬帶微波信號(hào)在光域內(nèi)進(jìn)行頻譜切割，再經(jīng)過(guò)下變頻后利用電子ADC完成數(shù)字化[8]，該方案解決了時(shí)間交織型ADC面臨的高精確模擬濾波器組和低噪聲本振的同步問(wèn)題，能夠降低電ADC的采樣率需求，但對(duì)光濾波器性能要求苛刻，通道間串?dāng)_嚴(yán)重。

光學(xué)時(shí)間拉伸型ADC是在眾多光學(xué)輔助型ADC中受到廣泛關(guān)注的一類(lèi)方案[9]。光學(xué)時(shí)間拉伸型ADC在電學(xué)采樣和量化前先在光域內(nèi)對(duì)待采樣的模擬信號(hào)進(jìn)行降頻和帶寬壓縮處理，從而降低對(duì)后端電子ADC采樣速率和模擬帶寬的要求，減小時(shí)間抖動(dòng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換性能的影響，其基本原理如圖1所示。超短光脈沖首先經(jīng)過(guò)一段色散補(bǔ)償光纖，在群速度色散的作用下，光脈沖發(fā)生展寬并引入了線(xiàn)性啁啾，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)到時(shí)間的映射，隨后輸入微波信號(hào)通過(guò)電光強(qiáng)度調(diào)制器加載在線(xiàn)性啁啾光脈沖的強(qiáng)度包絡(luò)上，不同時(shí)刻的微波信號(hào)對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的光載波，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間到波長(zhǎng)的映射，加載了微波信號(hào)的線(xiàn)性啁啾光脈沖進(jìn)入第二段色散補(bǔ)償光纖，在群速度色散的作用下進(jìn)一步展寬，使得微波信號(hào)也一同被拉伸，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波信號(hào)的降頻和帶寬壓縮，最后光電探測(cè)器恢復(fù)出降頻和帶寬壓縮后的微波信號(hào)。降頻和帶寬壓縮的倍數(shù) 取決于兩段色散補(bǔ)償光纖的色散量。

(1)

其中D1和D2分別為兩段色散補(bǔ)償光纖的色散量。當(dāng)采用電子ADC對(duì)處理后的微波信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，相當(dāng)于電子ADC的采樣率和模擬帶寬提升了相應(yīng)的倍數(shù)。

圖1 有限時(shí)間光學(xué)時(shí)間拉伸ADC原理

2012年，美國(guó)休斯頓研究實(shí)驗(yàn)室提出了一種大拉伸倍數(shù)、高有效位數(shù)的光學(xué)時(shí)間拉伸型ADC[10]，其方案如圖2所示。該方案中啁啾光纖光柵充當(dāng)了第二段色散補(bǔ)償光纖的角色，拉伸倍數(shù)達(dá)到41.365倍，待采樣的10GHz模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)后被降頻為242.3MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的有效位數(shù)達(dá)到8.27bits。

圖2 美國(guó)休斯頓研究實(shí)驗(yàn)室提出的光學(xué)時(shí)間拉伸ADC

在光學(xué)時(shí)間拉伸系統(tǒng)中，為了在提升時(shí)間孔徑(即：進(jìn)入電光調(diào)制器的啁啾光脈沖寬度)的同時(shí)保證拉伸倍數(shù)，通常需要非常大的群速度色散量，這勢(shì)必會(huì)在微波光子鏈路中引入色散功率代價(jià)的影響；同時(shí)，電光調(diào)制器本身的非線(xiàn)性特性會(huì)使模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果中存在諧波失真；此外，啁啾光脈沖包絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化也會(huì)給模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程帶來(lái)額外的失真，上述因素都會(huì)造成轉(zhuǎn)換精度不同程度的惡化。2017年，電子科技大學(xué)提出了基于互補(bǔ)平行單邊帶調(diào)制結(jié)構(gòu)的光學(xué)時(shí)間拉伸ADC[11]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。兩個(gè)電光強(qiáng)度調(diào)制器分別偏置在傳輸曲線(xiàn)上升沿和下降沿的正交點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)單邊帶調(diào)制。在仿真中，結(jié)合相位補(bǔ)償算法、差分運(yùn)算和arcsine算法，包絡(luò)被去除，色散功率代價(jià)的影響減小了16.6dB，噪底降低了約10dB，且偶數(shù)階失真被抑制到噪底以下。

圖3 基于互補(bǔ)平行單邊帶調(diào)制結(jié)構(gòu)的光學(xué)時(shí)間拉伸ADC

由于傳統(tǒng)孤子鎖模激光器的光譜為雙曲正割型，經(jīng)過(guò)展寬形成的線(xiàn)性啁啾光脈沖時(shí)域不平坦，直接限制了模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。此外，傳統(tǒng)孤子鎖模激光器的最大脈沖能量有限，通常需要使用光放大器來(lái)保證時(shí)間拉伸后足夠高的信號(hào)功率，這樣就難免會(huì)引入放大器的自發(fā)輻射噪聲，進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)換精度。2018年，廣東工業(yè)大學(xué)和電子科技大學(xué)共同提出了利用耗散孤子被動(dòng)鎖模激光器來(lái)提高光學(xué)時(shí)間拉伸型ADC的轉(zhuǎn)換精度[12]，結(jié)構(gòu)如圖4所示。耗散孤子光源相比傳統(tǒng)孤子光源具有更平坦和更寬的頻譜以及更高的能量譜密度，因此有利于降低脈沖包絡(luò)引起的信號(hào)失真、提高時(shí)間帶寬積和信噪比。且其頻譜邊緣陡峭，還可以最大限度地減少相鄰脈沖之間的交疊。實(shí)驗(yàn)中利用自制的耗散孤子光源在100GS/s采樣速率下實(shí)現(xiàn)了4.1bits有效位數(shù)。

圖4 基于耗散孤子光源的光學(xué)時(shí)間拉伸ADC

雖然光學(xué)時(shí)間拉伸型ADC已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)百倍的拉伸倍數(shù)，但大多是基于有限時(shí)間信號(hào)的研究。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，通常需要精確控制時(shí)延使相鄰的超短光脈沖形成首尾相連的啁啾光脈沖，再在其上加載輸入微波信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)間拉伸，并在拉伸后解復(fù)用為多個(gè)并行通道分別處理。2011年，新加坡南洋理工大學(xué)基于偏振調(diào)制結(jié)合平衡探測(cè)技術(shù)提出了一種新的連續(xù)時(shí)間信號(hào)光學(xué)時(shí)間拉伸ADC[13]，如圖5所示。該方案中通過(guò)精確設(shè)計(jì)色散量，使得時(shí)域交疊的光脈沖在頻域不交疊，從而在無(wú)需額外時(shí)延控制的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)間拉伸，最終在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了模擬帶寬4GHz、采樣率8GS/s、有效位數(shù)3.56bits的連續(xù)時(shí)間拉伸系統(tǒng)。

圖5 新加坡南洋理工大學(xué)提出的光學(xué)時(shí)間拉伸ADC

光學(xué)時(shí)間拉伸ADC最大的優(yōu)勢(shì)在于利用光學(xué)技術(shù)超高速、大寬帶的特性極大地提升了電子ADC的采樣速率和模擬帶寬，但受限于超短光脈沖光譜非理想的平坦度，以及光電器件及鏈路的非線(xiàn)性特性，通常會(huì)以犧牲有效位數(shù)為代價(jià)。因此在保證采樣速率和模擬帶寬的基礎(chǔ)上提升轉(zhuǎn)換精度是光學(xué)時(shí)間拉伸ADC的研究重點(diǎn)。

1.2 光采樣電量化型ADC

光采樣電量化型ADC主要是利用超短光脈沖源代替電脈沖，在光域內(nèi)對(duì)模擬電信號(hào)進(jìn)行采樣，而量化依然通過(guò)電子ADC來(lái)完成。用于光采樣ADC中的超短光脈沖源主要包括主動(dòng)鎖模激光器[14]、被動(dòng)鎖模激光器[15]以及無(wú)諧振腔型超短光脈沖源[16]，被動(dòng)鎖模激光器的時(shí)間抖動(dòng)可以低至10fs以下，但重復(fù)頻率很難超過(guò)1GHz，而主動(dòng)鎖模激光器和無(wú)諧振腔型超短光脈沖源的時(shí)間抖動(dòng)主要取決于外部時(shí)鐘(50fs以下)，雖然略高于被動(dòng)鎖模激光器，但低于目前電子ADC的最好水平(大于100fs)，且單路重復(fù)頻率可以達(dá)到數(shù)十GHz，通過(guò)復(fù)用技術(shù)能夠達(dá)到百GHz以上。由于光采樣ADC的時(shí)間抖動(dòng)由超短光脈沖源的時(shí)間抖動(dòng)決定，而采樣速率取決于超短光脈沖源的重復(fù)頻率，因此光采樣ADC相比傳統(tǒng)電子ADC具有高采樣速率和低時(shí)間抖動(dòng)的特性。光采樣ADC的基本原理如圖6所示，輸入模擬信號(hào)通過(guò)電光強(qiáng)度調(diào)制器加載在超短光脈沖序列的強(qiáng)度包絡(luò)上，將模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化，在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)光學(xué)采樣，再經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器將采樣光脈沖序列拍頻轉(zhuǎn)換到電域內(nèi)結(jié)合后端速率匹配的電子ADC完成量化編碼等后續(xù)處理。

圖6 光采樣ADC原理

光采樣ADC能夠發(fā)揮超短光脈沖源高重復(fù)頻率的特性，實(shí)現(xiàn)超高的采樣速率，然而由于電子ADC的速率受限，為了使超短光脈沖序列與后端電子ADC速率匹配，往往要先將單路高重復(fù)頻率的采樣光脈沖序列解復(fù)用至多路低速脈沖序列再由多個(gè)電子ADC并行處理。2013年，意大利CNIT提出了基于超短光脈沖源結(jié)合時(shí)分解復(fù)用的光采樣ADC[17]，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。被動(dòng)鎖模激光器輸出時(shí)間抖動(dòng)僅為10fs、重復(fù)頻率為400MHz的超短光脈沖序列，三個(gè)偏置在正交透射點(diǎn)的雙輸出馬赫曾德?tīng)栯姽庹{(diào)制器作為兩級(jí)光開(kāi)關(guān)，將一路重復(fù)頻率400MHz的高速采樣光脈沖串解復(fù)用為四路100MHz的低速光脈沖序列，四路光信號(hào)分別經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后由采樣速率100MS/s的電子ADC完成數(shù)據(jù)采集與處理，最終在40GHz工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了7bits有效位數(shù)。

圖7 基于時(shí)分解復(fù)用的光采樣ADC

時(shí)分復(fù)用技術(shù)除了可以用于給光脈沖序列降速，還可以結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)提高超短光脈沖序列的重復(fù)頻率，從而提升系統(tǒng)采樣速率。2012年，美國(guó)麻省理工大學(xué)聯(lián)合英特爾等十余家單位和機(jī)構(gòu)共同提出了結(jié)合時(shí)分復(fù)用和波分復(fù)用的光采樣ADC[18]，結(jié)構(gòu)如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中，將重復(fù)頻率1.05GHz的被動(dòng)鎖模激光器通過(guò)雙通道結(jié)構(gòu)復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)41GHz信號(hào)的數(shù)字化，采樣速率2.1GS/s、有效位數(shù)7bits。此外還研制了雙通道硅基光采樣ADC芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)10GHz信號(hào)的數(shù)字化，有效位數(shù)3bits。2016年，阿聯(lián)酋馬斯達(dá)爾學(xué)院針對(duì)此方案研制了四通道光脈沖時(shí)間波長(zhǎng)交織器芯片[19]，通道間串?dāng)_優(yōu)于-24dB，該技術(shù)指標(biāo)足以在不經(jīng)過(guò)后續(xù)處理的情況下滿(mǎn)足10bits有效位數(shù)的需求。

圖8 美國(guó)麻省理工大學(xué)提出的光采樣ADC

被動(dòng)鎖模激光器由于重復(fù)頻率相對(duì)較低，通常在1GHz以下，要進(jìn)一步提高采樣速率就需要增加復(fù)用通道數(shù)，這將大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，并引入額外的失真。而主動(dòng)鎖模激光器和無(wú)腔超短光脈沖源雖然時(shí)間抖動(dòng)略高于被動(dòng)鎖模激光器，但能夠提供更高的重復(fù)頻率，實(shí)現(xiàn)超高的采樣速率。2015年，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校提出了一種基于無(wú)腔超短光脈沖源的光采樣ADC[20]，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。連續(xù)光激光器連續(xù)經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)的相位調(diào)制器與強(qiáng)度調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光譜展寬與脈沖成型，再經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償光纖實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的壓縮，由此產(chǎn)生重復(fù)頻率10GHz、脈寬3.5ps的超短光脈沖序列，首次實(shí)現(xiàn)了在40GHz工作頻段內(nèi)有效位數(shù)超過(guò)8bits的光采樣ADC，且在整個(gè)5GHz瞬時(shí)帶寬下有效位數(shù)也超過(guò)了7bits。

圖9 基于無(wú)腔超短光脈沖源的光采樣ADC

在光采樣ADC中，電光強(qiáng)度調(diào)制器作為將模擬電信號(hào)加載在采樣光脈沖上實(shí)現(xiàn)光采樣的關(guān)鍵器件，往往由于自身的非線(xiàn)性工作特性而產(chǎn)生諧波失真。當(dāng)外加直流電壓將電光強(qiáng)度調(diào)制器偏置于線(xiàn)性工作點(diǎn)時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)換精度影響最嚴(yán)重的干擾成分為三階諧波，此時(shí)往往利用雙輸出調(diào)制器兩個(gè)輸出端的互補(bǔ)特性，在數(shù)字化處理中利用arcsine算法對(duì)三階諧波進(jìn)行抑制。2020年北京大學(xué)針對(duì)光采樣下變頻系統(tǒng)中的arcsine算法第一次進(jìn)行了詳細(xì)分析與推導(dǎo)[21]，結(jié)果表明該算法消除了系統(tǒng)的共模噪聲，在整個(gè)工作帶寬內(nèi)信噪比都能獲得3dB的提升，且在一定頻率范圍內(nèi)能夠有效地抑制大調(diào)制深度下的非線(xiàn)性失真。

光采樣電量化型ADC最顯著的優(yōu)點(diǎn)在于模擬帶寬很大，可以實(shí)現(xiàn)高頻微波信號(hào)的直接數(shù)字化，并且已經(jīng)有系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例，如2014年意大利CNIT提出的世界上第一款微波光子雷達(dá)[22]，其利用光采樣ADC實(shí)現(xiàn)了無(wú)需變頻的直接數(shù)字化接收。但是，在高速光學(xué)采樣與低速電學(xué)量化編碼的串行轉(zhuǎn)并行接口處會(huì)引入較嚴(yán)重的精度劣化，因此同時(shí)提升采樣速率和轉(zhuǎn)換精度仍然是光采樣電量化型ADC未來(lái)的研究方向，此外，開(kāi)展集成化、小型化的光采樣電量化型ADC研究是此類(lèi)光學(xué)ADC走向?qū)嵱没谋亟?jīng)之路

2 光量化技術(shù)

光學(xué)時(shí)間拉伸ADC利用光學(xué)手段對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行降頻、壓縮帶寬的預(yù)處理，間接提升了電子ADC的采樣速率與模擬帶寬、減小了時(shí)間抖動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響；光采樣ADC利用超短光脈沖源重復(fù)頻率高、時(shí)間抖動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合大帶寬的電光調(diào)制器，可以實(shí)現(xiàn)高采樣速率、低時(shí)間抖動(dòng)和大模擬帶寬的模數(shù)轉(zhuǎn)換，兩者都是目前技術(shù)最成熟、實(shí)用價(jià)值最高的光學(xué)ADC，且已經(jīng)逐步向著集成化的方向發(fā)展[29,18]。然而兩者都需要借助電學(xué)量化技術(shù)，并結(jié)合光學(xué)時(shí)分/波分解復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道并行結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)較為復(fù)雜。

在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)量化可以克服電子比較器速率的限制，實(shí)現(xiàn)單通道高速量化，大大簡(jiǎn)化模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。光量化即利用光子學(xué)器件或光學(xué)效應(yīng)在光域內(nèi)對(duì)具有不同峰值功率的采樣光脈沖進(jìn)行有規(guī)律的映射。目前實(shí)現(xiàn)高精度光量化的研究主要集中于利用光纖或光波導(dǎo)中的非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)，例如孤子自頻移效應(yīng)[23]、交叉相位調(diào)制效應(yīng)[24]及自相位調(diào)制效應(yīng)[25]等等。其中，孤子自頻移效應(yīng)是指孤子脈沖在光纖中傳輸時(shí)脈沖的高頻能量不斷被抽運(yùn)到低頻的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可以將采樣光脈沖的功率映射到波長(zhǎng)域，從而能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)單通道超快光量化。2015年，日本大阪大學(xué)提出了結(jié)合孤子自頻移和周期性濾波的光量化方案[26]，實(shí)現(xiàn)了3bits量化精度。自相位調(diào)制效應(yīng)能夠使不同幅度的超短光脈沖序列發(fā)生不同程度的展寬和分裂，從而通過(guò)功率值判決實(shí)現(xiàn)功率到功率的映射。2019年，香港城市大學(xué)提出了一種新型的CMOS兼容的硅波導(dǎo)，并結(jié)合自相位調(diào)制效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了一種新型光量化結(jié)構(gòu)[27]，在實(shí)驗(yàn)中達(dá)到了2bits量化精度，且精度可以通過(guò)級(jí)聯(lián)量化結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步擴(kuò)展。

利用光量化技術(shù)的光學(xué)ADC主要有兩大類(lèi)，分別是電采樣光量化型ADC和全光采樣量化型ADC。兩者的不同之處在于電采樣光量化型ADC主要是利用電采樣保持電路產(chǎn)生的階梯電壓波形來(lái)驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)可調(diào)諧的激光器或中心波長(zhǎng)可調(diào)諧的濾波器從而在電域內(nèi)實(shí)現(xiàn)采樣[28]，而全光采樣量化型ADC的采樣部分類(lèi)似于光采樣ADC[29]。電采樣光量化型ADC由于在采樣部分受限于波長(zhǎng)可調(diào)諧器件的性能且長(zhǎng)期難有突破，因此提出后研究并不多。全光ADC在光域內(nèi)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的全部功能，能夠完全擺脫電子元器件性能的束縛，并且無(wú)需多通道并行結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全光單路直接采樣量化，是非常理想的超寬帶、超高速模數(shù)轉(zhuǎn)換方案，但是目前量化精度不高、穩(wěn)定性不夠，還處在理論研究階段。

3 結(jié)論

目前，由于單核電子ADC的采樣速率受到半導(dǎo)體材料載流子遷移率的限制，且轉(zhuǎn)換精度隨著采樣率的提高而嚴(yán)重惡化，因此高速電子ADC通常采用多個(gè)低速單核ADC通過(guò)時(shí)間交織的方式實(shí)現(xiàn)，然而在采樣速度提升的同時(shí)，模擬帶寬與時(shí)間抖動(dòng)并不能得到優(yōu)化，還將引入相位誤差等電路性能問(wèn)題影響轉(zhuǎn)換精度。光學(xué)ADC能夠充分發(fā)揮光子學(xué)技術(shù)高速、寬帶等優(yōu)勢(shì)，突破電子ADC速率瓶頸，并具有低時(shí)間抖動(dòng)、大帶寬的特性，是實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)高速、高精度數(shù)字化最有潛力的技術(shù)手段。隨著光學(xué)ADC研究的不斷深入，在其性能不斷提升的同時(shí)，對(duì)小型化和集成化的探索也將提上日程。未來(lái)，高性能、低功耗、小尺寸的光學(xué)ADC必將在超寬帶無(wú)線(xiàn)通信、超高速實(shí)時(shí)測(cè)量、高精度雷達(dá)探測(cè)等方面發(fā)揮舉足輕重的作用。

致謝

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高精度光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片”(2019YFB2203800)，國(guó)家自然科學(xué)基金(61927821)。