一、引　言

當(dāng)今世界是一個(gè)高度數(shù)字化的世界，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們?cè)絹?lái)越傾向于將所有的處理過(guò)程數(shù)字化，這是由于數(shù)字技術(shù)的諸多吸引人之處，如：速度快、靈活性大、系列化、可靠性高等。這樣一來(lái)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為將現(xiàn)實(shí)的模擬世界和數(shù)字化的世界聯(lián)系起來(lái)的橋梁，其作用越來(lái)越重要，對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高。

高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬傳感器（例如雷達(dá)、通信設(shè)備和電子戰(zhàn)設(shè)備）和數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)之間聯(lián)系的必不可少的環(huán)節(jié)。近年來(lái)，一方面，隨著電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用及檢測(cè)自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能（比特精度、采樣速率等）提出了更高的要求。寬帶雷達(dá)、電子偵察、電子對(duì)抗、核武器監(jiān)控、擴(kuò)頻通信等信號(hào)處理系統(tǒng)都要求Gsps以上的高轉(zhuǎn)換速率。例如：一個(gè)相位陣列天線，理想情況下需要上百個(gè)乃至上千個(gè)低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，典型情況下，每一個(gè)要求 100 MHz帶寬和16 bit精度。盡管這些器件可能僅占整個(gè)系統(tǒng)的很小一部分，卻可能是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的瓶頸因素。另一方面，并行計(jì)算結(jié)構(gòu)及其技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了具有100GHz浮點(diǎn)運(yùn)算能力的數(shù)字處理器， 但由于ADC性能的限制而使其不能被充分利用。如果能得到采樣速率在10～100 Gsps的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不但可以改善現(xiàn)有系統(tǒng)的性能，而且將具有新的應(yīng)用前景。

目前，模數(shù)轉(zhuǎn)換器從采用的技術(shù)上來(lái)說(shuō)主要有3種：電子半導(dǎo)體模數(shù)轉(zhuǎn)換器、超導(dǎo)材料模數(shù)轉(zhuǎn)換器和光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（OADC）。超導(dǎo)材料由于需要低溫條件，在很大程度上限制它的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，應(yīng)用最為廣泛的是電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有適用范圍廣泛、制造技術(shù)成熟、成本較低等諸多優(yōu)點(diǎn)。但在高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，它存在著先天的不足。當(dāng)采樣速率大于2 Msps時(shí)，由于受孔徑抖動(dòng)的影響，而導(dǎo)致的采樣時(shí)間具有不確定性。其變化趨勢(shì)是，當(dāng)采樣速率每增加一倍，其比特精度就大約下降1 bit。在過(guò)去的近10年時(shí)間中，在給定采樣速率下，電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比特精度的提高平均只有1．5個(gè)比特。目前，電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到的最快采樣速率為8 Gsps，精度為3 bit；在8 bit精度下，可以達(dá)到4 Gsps的采樣速率。但這已經(jīng)基本接近其理論的極限，即使采樣速率可以再提高，但其相應(yīng)的比特精度也會(huì)相應(yīng)的下降。因此，要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，即在10 Gsps以上的采樣速率，并且具有合適的比特精度（4 bit以上），就必須尋求新的突破。采用光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)，已經(jīng)成為高轉(zhuǎn)換速率、高比特精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢(shì)。

二、光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和其它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器一樣，其主要技術(shù)指標(biāo)包括：標(biāo)定精度（Stated Resolution，以編碼后的二進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)N表示，通常以比特?cái)?shù)來(lái)代表）、采樣速率（以每秒采樣次數(shù)表示，samples／s或sps）、信噪比（SNR）、無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍（SFDR，即Spu－rious－free Dynamic Range）和功率消耗（Pdiss）等，其中標(biāo)定精度和采樣速率是其主要的性能指標(biāo)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)常用技術(shù)指標(biāo)為有效比特精度（Neff），有效比特精度是指在輸出的標(biāo)定精度的比特位中，又多少位是實(shí)際有效的，它可以用信噪比表示，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為

三、光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究進(jìn)展

光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)最初由S.Wright等人于1974年提出，其后在采用的技術(shù)上先后形成了2人主流的研究階段，一個(gè)是70年代中后期到80年代中期，主要采用集成光學(xué)技術(shù)，其主要的器件形式為L(zhǎng)iNbO3波導(dǎo)Mach－Zehnder干涉儀陣列、平衡橋式調(diào)制器和通道光波導(dǎo)Fabry－Perot調(diào)制器陣列3種形式。二是從90年代初開(kāi)始的，通過(guò)借鑒光通信的時(shí)分復(fù)用和波分復(fù)用的技術(shù)方案，開(kāi)始采用光電混合方式的時(shí)分或波分方式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)并行處理的方式來(lái)降低所需要的采樣速率。

Wright提出的光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)電壓V加在建立在電光材料襯底上的叉指（Interdigi－tal）電極上，對(duì)通過(guò)襯底的激光束的波前進(jìn)行空間周期相位調(diào)制，結(jié)果在遠(yuǎn)場(chǎng)得到不同衍射級(jí)。通過(guò)調(diào)節(jié)零階和一階閾值，可以得到2 bit格林碼輸出，并可以通過(guò)應(yīng)用第三個(gè)比較器，將符號(hào)位包括進(jìn)去。這一方案同其后的各個(gè)方案相比，無(wú)疑是粗鄙的，但它開(kāi)創(chuàng)了光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的先河，其提出的采用電光調(diào)制器、光探測(cè)器等原則在今天仍是適用的。

真正對(duì)光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展產(chǎn)生廣泛影響的是Taylor在1975年提出的采用集成光學(xué)的Mach－Zehnder干涉儀陣列的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。

它采用若干集成的馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x組成陣列，要被數(shù)字化的模擬電壓V同時(shí)加在每一個(gè)調(diào)制器的電極上，電極的長(zhǎng)度Ln按二進(jìn)制序列（2n）變化。當(dāng)輸入強(qiáng)度為I0的激光通過(guò)其中一個(gè)調(diào)制器時(shí)，由兩臂合成的輸出光強(qiáng)In由于干涉而發(fā)生變化，其變化可以表示為

式中 ψn為由于外加電壓V引起的兩臂之間的附加光相位差；

ψn為兩臂不對(duì)稱所致兩臂之間的靜態(tài)相位差。

各個(gè)調(diào)制器的輸出光強(qiáng)被光電探測(cè)器接收后，經(jīng)過(guò)與相同的閾值電壓比較，將光強(qiáng)值量化為二進(jìn)制數(shù)碼“0”或“1”?？刹捎玫牧硪环N方式是稍微改變比較器陣列的設(shè)計(jì)，包括對(duì)一些調(diào)制器設(shè)定固定的相位，以產(chǎn)生格雷碼格式的輸出，其輸出形式如圖2所示。之所以要選擇格雷碼，是因?yàn)槠湓诿恳粋€(gè)量化級(jí)上僅產(chǎn)生一位比特碼的變化，不象移位二進(jìn)制碼，在一些特定的量化級(jí)有多個(gè)比特位的變化。

式（2）中的φn可以表示為

而 最低有效位的電極長(zhǎng)度），這樣當(dāng)比特位增加時(shí)，半波電壓很快就減少到工藝水平所能達(dá)到的程度，這也是限制光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器比特精度提高的一個(gè)主要方面。

Tayler的方案形式簡(jiǎn)單，可以直接產(chǎn)生格雷碼輸出，并且所有器件原則上可以集成到一個(gè)芯片上。采用該方案的其中一種器件做到了1 GHz的采樣速率、4 bit碼轉(zhuǎn)換，有500 MHz的信號(hào)帶寬。但是對(duì)這種方案的一個(gè)基本的限制是每增加一個(gè)比特需要比最低有效位的調(diào)制器電極的長(zhǎng)度增加一倍。以LiNbO3為例，當(dāng)其有效位為6 bit時(shí)，渡越時(shí)間的限制使其采樣數(shù)率大約為1 GHz。并且隨著比特?cái)?shù)的增加，Y分路器也相應(yīng)增加，這樣將導(dǎo)致總的插入損耗增大，同樣也限制了比特精度的提高。

平衡橋式光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器用3 dB耦合器代替Y分支波導(dǎo)（見(jiàn)圖3），以降低傳輸損耗，而且由于調(diào)制器后的比較器的2個(gè)輸入端受到相同的作用，因而即使光源的強(qiáng)度發(fā)生起伏也不致于引起明顯的轉(zhuǎn)換誤差。但該結(jié)構(gòu)工藝上比較苛刻，而且同Mach－Zehnder型模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，需要2倍的比較器。

通道光波導(dǎo)Fabry－Perot調(diào)制器（見(jiàn)圖4）不需要制作復(fù)雜的Y分叉波導(dǎo)，而只需要制作直的通道波導(dǎo)，避免了技術(shù)上的復(fù)雜性并且減少了器件的總長(zhǎng)度，降低了光插入損耗。但是每一比特位就需要一個(gè)激光器，這就影響了它的比特位的提高

上述2種器件都是由Taylor的方案改進(jìn)、演化而來(lái)，從原理上來(lái)說(shuō)，它們都依然擺脫不了半波電壓帶來(lái)的限制，總的說(shuō)來(lái)性能也沒(méi)有能夠超過(guò)Mach－Zehnder型的光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能限制。但Taylor提出的方案具有很深遠(yuǎn)的影響，進(jìn)入90年代以后，還有人對(duì)其進(jìn)一步加以改進(jìn)，以期能提高它的性能。這里值得一提的有2種方法。一種方法提出了一種對(duì)稱數(shù)字系統(tǒng)，其核心思想是通過(guò)增加少量比較器，得到多個(gè)不同的量化級(jí)，從而顯著的增加了比特精度，其編碼方案如圖5所示。該方法采用3個(gè)干涉儀，39個(gè)比較器，可實(shí)現(xiàn) 11 bit的精度。但這種方法提高的是標(biāo)稱精度，對(duì)有效比特位提高遠(yuǎn)不如標(biāo)稱精度那么大。另一種方法通過(guò)優(yōu)化波導(dǎo)的設(shè)計(jì)，提出了一種光學(xué)folding－ flash模數(shù)轉(zhuǎn)換器，免除了每增加一個(gè)比特位，就需要增加電極長(zhǎng)度一倍的限制，其波導(dǎo)設(shè)計(jì)如圖6所示。但是其Y分支波導(dǎo)圖6　光學(xué)folding－flash模數(shù)轉(zhuǎn)換器示意圖的設(shè)計(jì)無(wú)疑將更加復(fù)雜。上述2種方法各有其限制，但其思想方法還是很值得我們借鑒的。總的說(shuō)來(lái)，對(duì)第一代光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究，在進(jìn)入90年代以后，已基本趨于停滯。這里一方面是由于第一代光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器本身原理上的限制，另一方面也是由于電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的進(jìn)一步發(fā)展，其性能已經(jīng)超過(guò)了第一代光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的水平。

在90年代，人們面臨著這樣一種情況：一方面模數(shù)轉(zhuǎn)換器仍然是許多系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高的瓶頸因素，另一方面電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第一代光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能都不能滿足要求。這迫使人們積極尋找新的模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)。這時(shí)的光通信技術(shù)的逐步成熟，以及其飛速發(fā)展，為人們發(fā)展光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)提供了新的思路。人們開(kāi)始借鑒光通信中的時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用等方法，利用激光的高速率、時(shí)間精度高等特性來(lái)進(jìn)行采樣，利用光通信的復(fù)用器件，將采樣后的信號(hào)并行化，以降低量化所需要的高速率。這些方案在器件上大多與電子技術(shù)相結(jié)合，利用電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行后期的量化處理。較早提出的是2種比較簡(jiǎn)單的方案，第一種是用采用時(shí)分復(fù)用的技術(shù)，利用鎖模激光器的高重復(fù)率脈沖通過(guò)調(diào)制器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)進(jìn)行光時(shí)分復(fù)用，將不同時(shí)序上的信號(hào)分配到不同的光路上，經(jīng)過(guò)光電變換后，再經(jīng)過(guò)電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行量化（如圖7）。第二種是采用多個(gè)激光器，通過(guò)精確控制各個(gè)不同激光脈沖的時(shí)序，讓各個(gè)波長(zhǎng)的激光脈沖依次對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后經(jīng)過(guò)波分復(fù)用后，將不同波長(zhǎng)的采樣信號(hào)分配到不同的光路上，其后的處理同時(shí)分復(fù)用相同（如圖8）。這2種模數(shù)轉(zhuǎn)換器都具有比第一代光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器更高的采樣速和比特精度，但2種方案都需要復(fù)雜、精確的定時(shí)裝置，這一點(diǎn)無(wú)疑提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性。另外，時(shí)分復(fù)用方案的采樣速率的提高還要依賴于光開(kāi)關(guān)的速率的提高，波分復(fù)用方案的比特精度的提高是以增加激光器的數(shù)量為代價(jià)的，這些都是限制這2種方案性能提高的瓶頸因素。

在上述2種方案的基礎(chǔ)上，人們繼續(xù)開(kāi)展研究，提出了一種基于光學(xué)延時(shí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它吸收了上述2種方案的優(yōu)點(diǎn)，又省去了復(fù)雜的定時(shí)電路。其中的一種實(shí)現(xiàn)方案如圖9所示，它采用超連續(xù)（Supercontinnum）的寬光譜的EDFL光纖激光器（譜寬為幾十納米，脈沖寬度為亞皮秒，重復(fù)率為吉赫茲左右），經(jīng)時(shí)一段光纖的傳輸后，首先經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振分束器（PBS），然后將偏振光通過(guò)一個(gè)WDM 器件，將其分成若干個(gè)波長(zhǎng)，各個(gè)波長(zhǎng)各自通過(guò)不同長(zhǎng)度的保偏光纖后，由法拉第鏡將各個(gè)波長(zhǎng)的光反射回去，再次經(jīng)過(guò)WDM和偏振分束器后，合成一路包含不同波長(zhǎng)光的脈沖序列，通過(guò)一個(gè)調(diào)制器對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣后的脈沖序列再經(jīng)過(guò)另一個(gè)WDM器件，將其按波長(zhǎng)分配到不同的光路上，實(shí)現(xiàn)了并行處理。采用這種方案的一種器件做到了18 Gsps的采樣速率和7 bit的采樣精度。

相對(duì)于國(guó)外光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)在光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的研究起步較晚，在80年代末期才開(kāi)始這一方面的研究。上海交通大學(xué)應(yīng)用物理系在90年代初期對(duì)Mach－Zehnder型集成光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器做了研究，沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院和中科院長(zhǎng)春物理研究所合作在1994年研制了LiNbO3質(zhì)子交換光波導(dǎo)Fabry－Perot型4位電光模數(shù)轉(zhuǎn)換器。目前國(guó)內(nèi)尚未有對(duì)第二階段的光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行研究。

四、光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器在許多方面有著重要應(yīng)用，目前對(duì)光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究，主要集中在需要高速信息采集處理的系統(tǒng)中的應(yīng)用上，其中最主要的應(yīng)用是微波數(shù)字雷達(dá)。眾所周知，現(xiàn)在的微波數(shù)字接收器要求將接收到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)幾步的混頻和濾波，以將信號(hào)頻率降到電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基帶范圍內(nèi)，這一過(guò)程不僅昂貴，而且又限制了系統(tǒng)的可靠性和瞬時(shí)帶寬，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的尺寸和重量。另外，每一次的混頻過(guò)程，都會(huì)帶來(lái)信號(hào)的失真，增加電磁干擾。如果能研制出一個(gè)高速、高動(dòng)態(tài)范圍的的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使其能夠直接對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，這樣就會(huì)極大地改善數(shù)字接收器的性能。據(jù)《簡(jiǎn)氏國(guó)際防務(wù)評(píng)論》1998年6月報(bào)道：美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局計(jì)劃在今后4年中在“光電模－數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)”上花費(fèi)約4 000萬(wàn)美元，其目的是提供能處理高達(dá)1 000 Gsps采樣速率的裝置?！肮怆娔＃瓟?shù)轉(zhuǎn)換器”計(jì)劃的目的是通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的光電部件（例如激光器、調(diào)制器、探測(cè)器以及微電子和光電子器件）來(lái)克服過(guò) 去采用的電子電路的局限性。這將允許在軍事系統(tǒng)感興趣的整個(gè)頻譜范圍內(nèi)在信號(hào)源處對(duì)信號(hào)進(jìn)行直接的模－數(shù)轉(zhuǎn)換，從而在以下幾方面獲得性能改進(jìn)：改進(jìn)數(shù)字波形成形以抑制干擾；具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍以便探測(cè)雜波中的目標(biāo)；具有較寬的瞬時(shí)帶寬以便改進(jìn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別，例如，當(dāng)采樣速率達(dá)到1 000 Gsps時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)毫米波信號(hào)進(jìn)行直接寬帶模－數(shù)轉(zhuǎn)換的新能力。

五、結(jié)　語(yǔ)

光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)除了上述提到的主流技術(shù)外，還有著各種各樣的非主流和輔助技術(shù)，如采用SEED的光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采用聲光熱調(diào)制的光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和利用光學(xué)過(guò)采樣技術(shù)（∑Δ技術(shù)）以提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的有效比特精度等等。這些技術(shù)的存在，一方面說(shuō)明了光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)還處于探索階段，是一種還沒(méi)有真正成熟的技術(shù)，另一方面也說(shuō)明了光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有廣闊的研究前景。從光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，系統(tǒng)趨于復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)采樣速率超過(guò)100 Gsps的實(shí)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器還要依靠器件及材料上有新的突破。

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