微波信號光學模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的研究.pdf

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

2、轉(zhuǎn)換方法。
　　 首先，從光學模數(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準，在其他光學器件性能理想的條件下，深入研究了模擬光學系統(tǒng)CNR和采樣光脈沖的強度噪聲、平均功率、定時抖動、脈沖寬度對有效位數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，光學系統(tǒng)CNR和光脈沖強度噪聲、平均功率只影響模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化精度；而定時抖動、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，進行了2 bits相位編碼模數(shù)轉(zhuǎn)換的實驗，得到了2GS/s、2 bits的實驗結(jié)果。
　　 第三，利用SOA的非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應，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)效應可以實現(xiàn)上百GS/s速率的偏振采樣和低精度量化。
　　 第四，利用光波長在傳輸過程中幾乎不受噪聲及干擾影響的特點，提出并建立了一種新型的波長采樣與量化的光學模數(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采樣器，以AWG作為波長量化器，實現(xiàn)了波長采樣與量化功能。以量化噪聲為標準，理論分析了波長采樣與量化方法的性能，得到了以下結(jié)果：1）波長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抖動和脈沖寬度的限制；2）光波長采樣與量化方法的性能不受光源強度噪聲及系統(tǒng)CNR的影響；3）現(xiàn)有高重頻鎖模激光技術(shù)將波長采樣與量化ADC的性能限制在10GS/s、10 bits左右；4）由于實際器件的性能非理想，波長采樣與量化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)諧速度決定了波長采樣的速率，調(diào)諧范圍和帶寬決定了波長

7、量化的精度。因此，本論文提出并設(shè)計了電光調(diào)諧的對稱雙波導LPWG可調(diào)諧濾波器。從模耦合理論出發(fā)，推導并建立了對稱雙波導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)的計算公式。利用長周期波導光柵相位匹配條件，研究了對稱雙波導LPWG耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)濾波的原理。
　　 本論文采用電光有機聚合物作為波導材料，設(shè)計了電光調(diào)諧的對稱雙波導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量級的

8、調(diào)諧速度、大調(diào)諧范圍、窄帶寬三個特點，能同時輸出互補的帶通和帶阻濾波結(jié)果。建立了電光調(diào)諧對稱雙波導LPWG可調(diào)諧濾波器的理論模型，深入研究了LPWG光柵周期、光柵長度、光柵刻蝕深度及耦合系數(shù)對濾出波長、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，對稱雙波導LPWG可調(diào)諧濾波器能在30nm范圍，實現(xiàn)帶寬0.8nm的高速、線性、連續(xù)波長調(diào)諧。
　　 為了準確計算對稱雙波導耦合結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù)，本論