基于MZ干涉结构的光子模数转换技术研究进展

池 灏,张秋林,杨淑娜

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)是连接客观世界和数字系统之间不可或缺的桥梁。随着数据采集、无线通信和国防领域所需处理信号带宽的不断提高，对ADC的性能提出了越来越高的要求。由于受采样保持电路带宽和采样时钟抖动等因素的影响，电子ADC已经难以同时满足高采样率(10 GS/s以上)和高转换精度(8 bit以上)的需求。随着光子技术的迅速发展，利用光子技术的优势来实现高速模数转换已受到国内外的广泛关注。

光子技术在模数转换中的作用体现在采样、量化、编码、预处理等方面。锁模激光器作为脉冲源具有超低时间抖动特性，其典型值比电子时钟源低一个数量级，可作为良好的光采样时钟源[1-2]。典型的预处理方案包括光子时间拉伸技术，其主要原理是基于光脉冲在色散介质中展宽的特性，通过两段色散介质实现输入电信号在时域上拉伸，然后交由后续的电子ADC进行采样量化和编码[3]，加州大学洛杉矶分校的课题组利用光子时间拉伸技术实现的ADC等效采样率高达1 TS/s。基于光非线性的ADC是一类典型的光量化方案[4-5]，其主要原理是利用光学非线性效应(如超连续谱效应和光孤子自频移效应)将输入电信号的幅度信息转化为光脉冲的频谱信息(频谱展宽或移位)，然后利用光滤波器组识别频谱信息，从而得到数字化的信号幅度信息。

本文主要介绍基于马赫曾德尔(Mach-Zehnder，MZ)干涉结构的光量化编码方案，将从Taylor提出的量化编码方案开始，讨论各类典型改进方案的系统结构、工作原理和特性，结合作者所在小组的研究成果讨论该类光ADC的研究进展。

1 Taylor方案

图1 Taylor提出的基于MZ调制器阵列实现光量化编码的系统结构注：马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)。

Taylor于1975年首次提出一种基于MZ调制器阵列的光子ADC方案[6]。该方案利用MZ调制器调制曲线的周期特性对输入信号进行量化。通过设定MZ调制器阵列电极长度的倍增来实现对输入信号的量化编码，其具体结构如图1所示。锁模激光器产生的光脉冲作为采样脉冲源，光脉冲接入具有不同电极长度的MZ调制器阵列对输入待转换射频信号进行采样和调制。每个MZ调制器的输出分别连接光电探测器进行光电转换，再接入比较器。设定比较器的判决阈值为调制器最大输出的一半，当比较器输入电压大于阈值时输出信号“1”，小于阈值时输出“0”，从而将输入模拟信号转换成对应的数字编码。

该系统结构的核心是一组电极长度呈倍数增长的MZ调制器阵列，即第n路调制器的电极长度为Ln=2n-1L1，其中L1是第一路调制器的电极长度。当外加电压作用于调制器电极上时，会引起调制器两臂的光信号之间产生相位差。在输入模拟电压的作用下，第n路调制器的两臂间产生的相位差为φs=πVs/Vπ，其中Vπ=Vm/2n-1表示第n路调制器的半波电压，Vs为输入射频信号，Vm表示最大半波电压。第n路调制器输出的光强可表示为：

(1)

图2 4个马赫曾德尔(MZ)调制器的调制曲线及量化编码原理

其中I0为输入光强，φbn=πVbn/Vπ是外加偏置电压Vbn引起的偏置相移。每一路光通道输出的信号强度与输入模拟电压之间的关系可通过该通道的传递函数来表示，各光通道对应的传递函数曲线及其量化编码方案如图2所示。

图3 光学Folding-flash量化编码结构图注：马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)。

利用MZ调制器半波电压几何级数递减可实现量化和编码，如图2所示，输出的二进制编码为格雷码(相邻码字只有一位的差别)，半波电压最大和最小的调制器输出分别对应最高有效位(Most Significant Bit, MSB)和最低有效位(Least Significant Bit, LSB)。在满幅工作条件下，实现的量化比特位数等于所用调制器的个数。Taylor方案结构简单，编码效率高，但该方案也有不足，即提高量化精度需要成倍降低调制器的半波电压，如果要实现精度为3比特以上的ADC，则要求调制器的最小半波电压要小于1 V，目前的工艺水平难以达到这样的程度，因此限制了实际可实现的比特精度。

2 MZ调制器级联方案

为了克服Taylor方案中需要调制器半波电压成倍递减的不足，不同研究小组分别提出了基于电极分割的单抽头MZ调制器方案[7]、分布式的PM调制器方案[8]以及MZ调制器级联方案[9]等改进型方案，这些方案技术细节不同，但实质上都等同于将相同的MZ调制器级联以实现等效的长电极以及半波电压的降低。典型的如Jalali于1995年提出的光学Folding-Flash方案[9]，其结构如图3所示。该系统通过MZ调制器级联的方式来实现，无需调制器本身的半波电压递减，MSB和MSB-1对应的通道只需要一个MZ调制器,MSB-2对应的通道需要两个相同的MZ调制器级联，对于一个N比特的系统，LSB对应的光通道需要2N-1个MZ调制器级联实现。该方案实现了相邻光通道调制曲线的周期递减，避免了系统每增加一个比特精度，相应调制器的电极长度就需要增加一倍的限制，有效解决了Taylor方案中对调制器半波电压要求过低的难题。但是该方案中需要级联数量繁多的MZ调制器，使得整体结构较为复杂。该方案中，波导延迟会限制转换速率，另外，分布式结构也会引起电信号和光信号同步的问题，因此，该方案也难以同时满足高采样率和高转换精度的要求。

3 移相光量化方案

3.1 空间光干涉结构

图4 基于光空间干涉移相光量化方案结构图注：相位调制器(Phase Modulator，PM)。

图5 移相光量化编码原理(以三通道为例)

2005年，瑞典Chalmers理工大学的学者提出了一种基于空间光干涉实现量化编码的模数转换方案[10]，其系统结构如图4所示。该方案中，光脉冲输入空间MZ干涉仪，在其中一臂放置一相位调制器(phase modulator, PM)，输入模拟信号经调制器后加载到光载波上，与另一臂中未被调制的光信号发生干涉，之后将输出光信号投射到空间光探测器阵列上。通过调节空间探测器的位置从而控制不同传递函数传输曲线的附加相移量。以3路光通道系统为例，每个探测器所接受到的传输特性曲线如图5所示。利用这样一组周期相同、相邻两路相位差为π/N(N为通道数)的传输特性，通过设定判决阈值为输出光强最大值的一半，可实现对输入模拟信号的量化编码。

和Taylor方案利用MZ调制器阵列调制曲线周期递减实现量化编码不同，该方案利用传递函数曲线的相移不同实现对输入信号的量化编码，即所谓的移相光量化。跟Taylor方案相比，移相光量化编码输出也为格雷码，但是N路输出可以实现的量化等级数为2N，而非2N，因而对应量化比特数为log2(2N)，跟Taylor方向比，编码效率较低。如要提高量化精度，需要通过增大通道个数和减小相邻通道之间的相位差来实现。

2006年，Stigwall等通过实验对1.25 GHz正弦信号进行数字化，实现了40 GS/s的采样率和3.6-bit的有效位[11]。相比于Taylor方案，移相光量化方案避免了对调制器半波电压成倍减小的要求，只需要增加量化通道个数和减小相邻通道传递函数调制曲线的相移量即可实现。在该方案中，只使用一个普通的相位调制器，从而简化了系统的结构。但该方案基于空间光干涉结构，并通过光探测器阵列的特定放置来实现传递函数之间所需的相移量，工艺要求较高且易受环境的影响。

3.2 光偏振干涉结构

2007年，清华大学研究团队提出一种利用光的偏振干涉实现移相光量化的方案[12]，其系统结构如图6所示。在该方案中，激光器输出的光脉冲通过偏振控制器产生两个幅度相同，偏振态正交的光脉冲序列。模拟射频信号通过相位调制器对该脉冲序列进行调相，使具有不同偏振态的脉冲序列的相位差与射频信号的幅度成正比。调制后的信号被光分束器分为N个光通道，并通过可调光相移器阵列在已调光信号的两个偏振态之间引入相位差，两个偏振分量在相移器输出端经由检偏器发生干涉，从而实现不同光通道传递函数所需的相移量。

第i个光通道的输出光强为：

(2)

其中，Io表示输入光强大小，Δφ=T/(2N)表示相邻两个通道间的固定相移，T为传递函数周期，Vπ表示相位调制器的半波电压。

图6 基于相位调制和偏振干涉结构的移相光量化结构图注：相位调制器(Phase Modulator ，PM)；偏振控制器(Polarization Controller，PC)；可调光移相器Tunable Optical Phase Shifter，TOPS)。

与空间光干涉移相光量化方案不同，该方案基于全光纤系统，结构较为紧凑，利用相位调制器中两个正交偏振分量共路干涉代替空间MZ双臂干涉结构。同时继承了空间光干涉方案的优点，无论实现多少比特精度系统都只需要一个相位调制器，避免了多调制器之间的同步问题。应用偏振干涉方案，该课题组于2007年实现了对2.5 GHz信号的直流光量化，获得了有效比特4.1-bit的量化结果，于2009年实现了采样率40 GS/s、有效位3.45-bit的量化结果。

2012年，清华大学提出利用附加调制器改进相移光量化的光子量化方案[13]，该方案在使用一个PM的基础上额外增加一个MZM，实现了量化级数加倍的效果。2013年，该课题组还提出一种基于偏振调制器和保偏光纤实现的全光模数转换方案[14]，该方案利用不同波长的光脉冲经偏振模色散后具有不同的模式双折射，可得到具有不同相位偏置的调制传递函数。同年，北京交通大学团队也提出一种基于偏振调制和波长相关双折射的全光模数转换方案[15]，利用偏振分束器将调制后的信号分为两束信号后再进行平衡探测，从而实现模拟信号转变为数字信号的过程。

3.3 基于等半波电压MZ调制器阵列结构

图7 基于等半波电压MZ调制器阵列的移相光量化编码结构图注：马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)。

2008年，作者所在的浙江大学和渥太华大学课题组提出一种基于等半波电压MZ调制其阵列的量化编码方案[16]，其系统结构如图7所示。激光器输出的采样光脉冲通过N个并行且具有等电极长度(意味着等半波电压)的MZ调制器阵列，并受到输入待转换信号的调制。经调制后每个MZ调制器输出端的光信号强度可以表示为：

Io=0.5Ii[1+cos(φs+φb)]

(3)

该方案的量化编码原理与前述的移相光量化方案的原理形同，输出也为格雷码，即任意相邻码字只有一个比特位变化，当输入信号电平在比较器判决点附近时，这种特性将有效减小系统误码发生的概率。和空间光干涉方案以及偏振干涉方案相比，该方案结构较为简单。该方案最主要的优点在于，系统所采用的各调制器的半波电压相同，完全克服了Taylor方案中半波电压过低的限制，利用现有的光波导和集成光子学的工艺水平，可在单片硅光芯片上完成调制器阵列的集成，并有望与后续的电光调制器和比较器实现光电混合集成。

3.4 基于非对称MZ调制器的结构

2010年，美国加州大学圣芭芭拉分校团队提出了一种基于非对称MZ调制器(Unbalanced Mach-Zehnder modulator, UMZM)的移相光量化方案[17]，其系统结构如图8所示。输入波长不同的连续光经复用器后接入UMZM，在此MZM中受输入待转换射频信号的调制，对应于第i个波长的调制器输出光强可表示为：

图8 基于非对称MZ调制器(UMZM)的移相量化编码方案结构图注：连续波(Continuous Wave，CW)；复用器/解复用器(Multiplexer/ Demultiplexer，MUX/ DEMUX)；非对称马赫曾德尔调制器(Unbalanced Mach-Zehnder Modulator，UMZM)。

(4)

其中2πnΔL/λi表示由臂长差引起的两臂相移，当两臂长差ΔL固定时，不同的波长对应于不同相位差，从而可实现等效的移相光量化编码。UMZM输出的调制信号再经过解复用器分为N路，每一路经光电转换后接入比较器进行阈值判决，从而实现模拟信号到数字信号的转换。该方案的优点是只需要一个UMZM，结构相对简单。需要指出的是，由于系统中使用了非等臂长的MZ调制器，该方案无法使用光脉冲作为输入光信号(会导致光脉冲在时域上分离)，也即无法同时实现光采样和光量化编码功能，采样必须在电光转换后通过电学方法实现，这是本方案的最大缺陷。

3.5 基于相位调制器和延迟线干涉仪的差分编码方案

图9 基于相位调制器和延迟线干涉仪的差分编码ADC结构图注：相位调制器(Phase Modulator，PM)；延迟线干涉仪(Delay-Line Lnterferometers，DLIs)。

2011年，作者所在课题组提出一种利用相位调制器和延迟线干涉仪(delay-line interferometers，DLI)阵列实现差分编码的光子ADC方案[18]，其系统结构如图9所示，采样光脉冲接入一相位调制器，在此调制器中输入待转换射频信号调制到光载波上，已调光信号通过一光分束器分为N路光，每个光通道接入一个DLI，DLI的输出信号接入光电探测器进行光电转换，后接入比较器进行判决输出。系统中每个DLI具有相同的延迟，但相移不同，其中延迟大小和光脉冲的重复周期相同，相移量由一臂上的偏置电压控制。每路输出的电流信号可表示为：

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

(5)

其中g(t)代表重复周期为τ的光脉冲串，φs(t)-φs(t-τ)表示由差分信号Vs(t)-Vs(t-τ)引起的相移，φb表示偏置相移。由式(5)可以看出，通过调节φb可实现不同传递函数所需的相移量，从而实现移相光量化。值得注意的是该方案不是对输入信号直接编码，而是对差分信号Vs(t)-Vs(t-τ)进行编码，从而实现差分编码输出。

由于差分信号的峰-峰值通常远小于原始信号的峰-峰值，在实现相同比特精度的情况下，差分编码数字信号的量化噪声要远小于直接编码数字信号的量化噪声，因此通过对差分信号进行编码能够极大的提升系统的比特精度。此外，该方案只需一个相位调制器，简化了系统结构，提高了系统的稳定性。

同时，作者团队还提出将多波长脉冲光作为系统采样源，利用一个PM和一个DLI实现差分编码的光子ADC方案[19]，该方案还提出利用平衡探测的自适应阈值设置，可有效降低幅度噪声对系统性能的影响。

4 移相光量化ADC的比特精度提升方案

为了改进移相光量化方案中比特精度较低的问题2009年，作者所在课题组提出一种基于对称数字系统(symmetrical number system，SNS)编码的光子模数转换方案[20]。在该方案中，每个光信道使用多个不同阈值的比较器，利用SNS理论对已调光信号进行量化和编码，其系统结构如图10所示。该方案中，采样光脉冲接入N个并行且具有等电极长度的MZ调制器。每一路已调光信号通过一个光分束器分为M个光通道，每个光通道都连接一光电探测器和比较器，最后由组合逻辑模块将比较器输出转换为二进制码。该方案通过增加比较器的方法，在不增加调制器数量的基础上可以显著提高系统的比特精度：对于N通道系统，移相光量化方案实现2N个量化级，而利用SNS编码方案可以实现2NM个量化级(M为每个光通道对应的比较器个数)，量化级数显著提升。此外该系统通过调整调制器的偏置电压来实现所需相移。

2018年，作者团队提出一种改进型基于等臂长MZ调制器阵列的ADC方案[21]，其结构如图11所示，该方案利用逻辑电路实现对探测信号的线性组合，从而可等效实现增加量化通道数的目的。该方案的特点是光调制器阵列的复杂度显著降低，通过逻辑电路的组合操作等效实现多通道的传递函数，从而实现正确的量化编码，因而，如何提升逻辑电路的带宽是该方案的关键。

图10 基于等半波电压和多个比较器的量化编码方案结构图

图11 使用3个MZ调制器和逻辑组合电路实现4 bit ADC结构示意图

5 结束语

基于MZ干涉结构的光量化编码技术，除了本文涉及的典型方案，近期还出现了基于信号折叠、正交矢量叠加等改进型的移相量化方案。由于需求的驱动，光子模数转换是近十年来国内外的研究热点，近年来，光采样和光预处理技术逐渐成熟，而光量化编码技术还处在摸索阶段，还没有真正成熟的技术，需要更多的研究工作。我们认为，以下几点值得关注：一是新型高性能光量化编码方案，要便于光集成；二是要同时满足高速采样和高转换精度的要求；三是光量化编码方案与光采样技术必须兼容。