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)絹碓絻A向于將所有的處理過程數(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,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)系起來的橋梁,其作用越來越重要,對(duì)其性能的要求也越來越高。

　　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,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［5］。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)上來說主要有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［1］。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[2]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年代初開始的,通過借鑒光通信的時(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,通過并行處理的方式來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,無疑是粗鄙的,但它開創(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)

       它采用若干集成的馬赫－曾德爾干涉儀組成陣列,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”。可采用的另一種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［4］。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［5］。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)［6］（見圖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［7］（見圖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,從原理上來說,它們都依然擺脫不了半波電壓帶來的限制,總的說來性能也沒有能夠超過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)［8］,其核心思想是通過增加少量比較器,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