一、引 言
当今世界是一个高度数字化的世界，体系规划者们越来越倾向于将一切的处理进程数字化，这是因为数字技能的许多吸引人之处，如：速度快、灵活性大、系列化、可靠性高档。这样一来，模数转化器作为将实践的模仿世界和数字化的世界联络起来的桥梁，其效果越来越重要，对其功能的要求也越来越高。
高功能的模数转化器是模仿传感器（例如雷达、通讯设备和电子战设备）和数字信号处理体系之间联络的必不可少的环节。近年来，一方面，跟着电子计算机的遍及使用及检测自动化程度的不断进步，对模数转化器的功能（比特精度、采样速率等）提出了更高的要求。宽带雷达、电子侦查、电子对抗、核武器监控、扩频通讯等信号处理体系都要求Gsps以上的高转化速率。例如：一个相位阵列天线，抱负状况下需求上百个甚至上千个低功耗模数转化器，典型状况下，每一个要求 100 MHz带宽和16 bit精度。虽然这些器材或许仅占整个体系的很小一部分，却或许是影响整个体系功能的瓶颈要素。另一方面，并行计算结构及其技能的展开，发生了具有100GHz浮点运算才能的数字处理器， 但因为ADC功能的约束而使其不能被充分使用。如果能得到采样速率在10～100 Gsps的模数转化器，不光可以改善现有体系的功能，并且将具有新的使用远景。
现在，模数转化器从选用的技能上来说首要有3种：电子半导体模数转化器、超导资料模数转化器和光学模数转化器（OADC）。超导资料因为需求低温条件，在很大程度上约束它的使用范畴。现在，使用最为广泛的是电子模数转化器，它具有适用规模广泛、制造技能老练、本钱较低一级许多长处。但在高功能模数转化器范畴，它存在着先天的缺乏。当采样速率大于2 Msps时，因为受孔径颤动的影响，而导致的采样时刻具有不确定性。其改动趋势是，当采样速率每添加一倍，其比特精度就大约下降1 bit。在曩昔的近10年时刻中，在给定采样速率下，电子模数转化器的比特精度的进步均匀只要1．5个比特。现在，电子模数转化器可以到达的最快采样速率为8 Gsps，精度为3 bit；在8 bit精度下，可以到达4 Gsps的采样速率。但这现已根本挨近其理论的极限，即便采样速率可以再进步，但其相应的比特精度也会相应的下降。因此，要到达实践使用的要求，即在10 Gsps以上的采样速率，并且具有适宜的比特精度（4 bit以上），就必须寻求新的打破。选用光学模数转化器技能，现已成为高转化速率、高比特精度模数转化器的展开趋势。
二、光学模数转化器的首要技能指标
光学模数转化器和其它的模数转化器相同，其首要技能指标包括：标定精度（Stated Resolution，以编码后的二进制数字的位数N表明，通常以比特数来代表）、采样速率（以每秒采样次数表明，samples／s或sps）、信噪比（SNR）、无寄生动态规模（SFDR，即Spu－rious－free Dynamic Range）和功率耗费（Pdiss）等，其间标定精度和采样速率是其首要的功能指标。模数转化器的另一个常用技能指标为有用比特精度（Neff），有用比特精度是指在输出的标定精度的比特位中，又多少位是实践有用的，它可以用信噪比表明，其转化关系为
三、光学模数转化器的研讨进展
光学模数转化技能开端由S.Wright等人于1974年提出，这往后在选用的技能上先后形成了2人干流的研讨阶段，一个是70年代中后期到80年代中期，首要选用集成光学技能，其首要的器材办法为LiNbO3波导Mach－Zehnder干与仪阵列、平衡桥式调制器和通道光波导Fabry－Perot调制器阵列3种办法。二是从90年代初开端的，经过学习光通讯的时分复用和波分复用的技能方案，开端选用光电混合办法的时分或波分办法的模数转化器，经过并行处理的办法来下降所需求的采样速率。
Wright提出的光学模数转化器是将模仿信号电压V加在建立在电光资料衬底上的叉指（Interdigi－tal）电极上，对经过衬底的激光束的波前进行空间周期相位调制，结果在远场得到不同衍射级。经过调理零阶和一阶阈值，可以得到2 bit格林码输出，并可以经过使用第三个比较器，将符号位包括进去。这一方案同这往后的各个方案比较，无疑是粗俗的，但它创始了光学模数转化器的先河，其提出的选用电光调制器、光勘探器等原则在今日仍是适用的。
真实对光学模数转化器的展开发生广泛影响的是Taylor在1975年提出的选用集成光学的Mach－Zehnder干与仪阵列的模数转化器，如图1所示。
它选用若干集成的马赫－曾德尔干与仪组成阵列，要被数字化的模仿电压V一起加在每一个调制器的电极上，电极的长度Ln按二进制序列（2n）改动。当输入强度为I0的激光经过其间一个调制器时，由两臂组成的输出光强In因为干与而发生改动，其改动可以表明为
式中 ψn为因为外加电压V引起的两臂之间的附加光相位差；
ψn为两臂不对称所造成的两臂之间的静态相位差。
各个调制器的输出光强被光电勘探器接纳后，经过与相同的阈值电压比较，将光强值量化为二进制数码“0”或“1”。可选用的另一种办法是略微改动比较器阵列的规划，包括对一些调制器设定固定的相位，以发生格雷码格局的输出，其输出办法如图2所示。之所以要挑选格雷码，是因为其在每一个量化级上仅发生一位比特码的改动，不象移位二进制码，在一些特定的量化级有多个比特位的改动。
式（2）中的φn可以表明为
而 
最低有用位的电极长度），这样当比特位添加时，半波电压很快就削减到工艺水平所能到达的程度，这也是约束光学模数转化器比特精度进步的一个首要方面。
Tayler的方案办法简略，可以直接发生格雷码输出，并且一切器材原则上可以集成到一个芯片上。选用该方案的其间一种器材做到了1 GHz的采样速率、4 bit码转化，有500 MHz的信号带宽。可是对这种方案的一个根本的约束是每添加一个比特需求比最低有用位的调制器电极的长度添加一倍。以LiNbO3为例，当其有用位为6 bit时，渡越时刻的约束使其采样数率大约为1 GHz。并且跟着比特数的添加，Y分路器也相应添加，这样将导致总的插入损耗增大，相同也约束了比特精度的进步。
平衡桥式光学模数转化器用3 dB耦合器替代Y分支波导（见图3），以下降传输损耗，并且因为调制器后的比较器的2个输入端遭到相同的效果，因此即便光源的强度发生崎岖也不致于引起显着的转化差错。但该结构工艺上比较严苛，并且同Mach－Zehnder型模数转化器比较，需求2倍的比较器。
通道光波导Fabry－Perot调制器（见图4）不需求制造杂乱的Y分叉波导，而只需求制造直的通道波导，避免了技能上的杂乱性并且削减了器材的总长度，下降了光插入损耗。可是每一比特位就需求一个激光器，这就影响了它的比特位的进步
上述2种器材都是由Taylor的方案改善、演化而来，从原理上来说，它们都仍然摆脱不了半波电压带来的约束，总的说来功能也没有可以超越Mach－Zehnder型的光学模数转化器的功能约束。但Taylor提出的方案具有很深远的影响，进入90年代往后，还有人对其进一步加以改善，以期能进步它的功能。这儿值得一提的有2种办法。一种办法提出了一种对称数字体系，其间心思维是经过添加少数比较器，得到多个不同的量化级，然后明显的添加了比特精度，其编码方案如图5所示。该办法选用3个干与仪，39个比较器，可完成 11 bit的精度。但这种办法进步的是标称精度，对有用比特位进步远不如标称精度那么大。另一种办法经过优化波导的规划，提出了一种光学folding－ flash模数转化器，免除了每添加一个比特位，就需求添加电极长度一倍的约束，其波导规划如图6所示。可是其Y分支波导图6 光学folding－flash模数转化器示意图的规划无疑将愈加杂乱。上述2种办法各有其约束，但其思维办法仍是很值得咱们学习的。总的说来，对第一代光学模数转化器的研讨，在进入90年代往后，已根本趋于阻滞。这儿一方面是因为第一代光学模数转化器自身原理上的约束，另一方面也是因为电子模数转化器的进一步展开，其功能现已超越了第一代光学模数转化器所能到达的水平。
在90年代，人们面临着这样一种状况：一方面模数转化器仍然是许多体系功能进一步进步的瓶颈要素，另一方面电子模数转化器和第一代光学模数转化器的功能都不能满足要求。这迫使人们活跃寻觅新的模数转化器技能。这时的光通讯技能的逐渐老练，以及其飞速展开，为人们展开光学模数转化器技能供给了新的思路。人们开端学习光通讯中的时分复用、波分复用等办法，使用激光的高速率、时刻精度高档特性来进行采样，使用光通讯的复用器材，将采样后的信号并行化，以下降量化所需求的高速率。这些方案在器材上大多与电子技能相结合，使用电子模数转化器进行后期的量化处理。较早提出的是2种比较简略的方案，第一种是用选用时分复用的技能，使用锁模激光器的高重复率脉冲经过调制器对电信号进行采样，经过光开关进行光时分复用，将不一起序上的信号分配到不同的光路上，经过光电改换后，再经过电子模数转化器进行量化（如图7）。第二种是选用多个激光器，经过准确操控各个不同激光脉冲的时序，让各个波长的激光脉冲顺次对模仿信号进行采样，然后经过波分复用后，将不同波长的采样信号分配到不同的光路上，这往后的处理一起分复用相同（如图8）。这2种模数转化器都具有比第一代光学模数转化器更高的采样速和比特精度，但2种方案都需求杂乱、准确的守时设备，这一点无疑进步了体系的杂乱性。别的，时分复用方案的采样速率的进步还要依赖于光开关的速率的进步，波分复用方案的比特精度的进步是以添加激光器的数量为价值的，这些都是约束这2种方案功能进步的瓶颈要素。
在上述2种方案的基础上，人们持续展开研讨，提出了一种根据光学延时的模数转化器，它吸收了上述2种方案的长处，又省去了杂乱的守时电路。其间的一种完成方案如图9所示，它选用超接连（SuperconTInnum）的宽光谱的EDFL光纤激光器（谱宽为几十纳米，脉冲宽度为亚皮秒，重复率为吉赫兹左右），经时一段光纤的传输后，首要经过一个偏振分束器（PBS），然后将偏振光经过一个WDM 器材，将其分红若干个波长，各个波长各自经过不同长度的保偏光纤后，由法拉第镜将各个波长的光反射回去，再次经过WDM和偏振分束器后，组成一路包括不同波长光的脉冲序列，经过一个调制器对射频信号进行采样，采样后的脉冲序列再经过另一个WDM器材，将其按波长分配到不同的光路上，完成了并行处理。选用这种方案的一种器材做到了18 Gsps的采样速率和7 bit的采样精度。
相对于国外光学模数转化器的飞速展开，国内涵光学模数转化器范畴的研讨起步较晚，在80年代晚期才开端这一方面的研讨。上海交通大学使用物理系在90年代初期对Mach－Zehnder型集成光学模数转化器做了研讨，沈阳工业学院和中科院长春物理研讨所协作在1994年研发了LiNbO3质子交流光波导Fabry－Perot型4位电光模数转化器。现在国内没有有对第二阶段的光学模数转化器进行研讨。
四、光学模数转化器的使用
光学模数转化器在许多方面有着重要使用，现在对光学模数转化器的研讨，首要会集在需求高速信息收集处理的体系中的使用上，其间最首要的使用是微波数字雷达。众所周知，现在的微波数字接纳器要求将接纳到的模仿信号经过几步的混频和滤波，以将信号频率降到电子模数转化器的基带规模内，这一进程不只贵重，并且又约束了体系的可靠性和瞬时带宽，一起也添加了体系的尺度和分量。别的，每一次的混频进程，都会带来信号的失真，添加电磁搅扰。如果能研发出一个高速、高动态规模的的模数转化器，使其可以直接对射频信号进行数字化，这样就会极大地改善数字接纳器的功能。据《简氏世界防务谈论》1998年6月报导：美国国防高档研讨方案局方案在往后4年中在“光电模－数转化器技能”上花费约4 000万美元，其意图是供给能处理高达1 000 Gsps采样速率的设备。“光电模－数转化器”方案的意图是经过使用先进的光电部件（例如激光器、调制器、勘探器以及微电子和光电子器材）来克服过 去选用的电子电路的局限性。这将答应在军事体系感兴趣的整个频谱规模内涵信号源处对信号进行直接的模－数转化，然后在以下几方面取得功能改善：改善数字波形成形以按捺搅扰；具有较宽的动态规模以便勘探杂波中的方针；具有较宽的瞬时带宽以便改善对方针的辨认，例如，当采样速率到达1 000 Gsps时，或许会发生对毫米波信号进行直接宽带模－数转化的新才能。
五、结 语
光学模数转化器技能除了上述说到的干流技能外，还有着各式各样的非干流和辅佐技能，如选用SEED的光学模数转化器、选用声光热调制的光学模数转化器和使用光学过采样技能（∑Δ技能）以进步模数转化器的有用比特精度等等。这些技能的存在，一方面说明晰光学模数转化技能还处于探究阶段，是一种还没有真实老练的技能，另一方面也说明晰光学模数转化器具有宽广的研讨远景。从光学模数转化器的展开趋势来看，体系趋于杂乱，要完成现采样速率超越100 Gsps的有用模数转化器还要依托器材及资料上有新的打破。
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