ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Измерения [Контроль
: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
Главный редактор — д-р техн. наук, проф. В. Ю. Кнеллер
УДК 621.3.087.92:53.082.5
ОПТИЧЕСКОЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ1
Х.-К. Найтцерт, д-р, проф. (Италия)
Скорость преобразования чисто электронных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) ограничена несколькими Гп/с (п/с — преобразований в секунду). Один из способов существенного повышения этой скорости — использование фотонных схем в качестве входного каскада АЦП. В статье сравниваются различные подходы к оптическому аналого-цифровому преобразованию с упором на характеристики ключевых оптоэлектронных элементов, применяемых при реализации тех или иных концепций. В частности, рассматривается состояние дел в области разработки оптоэлектронных модуляторов, устройств с электрооптическим самоэффектом и фотодиодов; обсуждаются ограничения схем преобразования, определяемые характеристиками применяемых устройств.
1. ВВЕДЕНИЕ
Сегодня основным ограничением для значительного числа задач обработки изображений, радиолокации и связи стала скорость используемых при их решении аналого-цифровых преобразователей (АЦП). На рис. 1 изображена зависимость скорости преобразования от числа разрядов для серийных высокоскоростных электронных АЦП четырех различных производителей. Прямая линия на рисунке соответствует экспоненциальной зависимости вида
СУ = 7,3- 105ехр(-0,77Щ>, (1)
имеющей место в диапазоне скоростей преобразования 1 Мп/с...1,5 Гп/с для АЦП с разрешением
1 Neitzert Н. С. Optical analog-to-digital conversion, the state of the
art // Proc. XVI IMEKO World Congress. Vienna, Austria. Sept.
25-28 2000. Vol. X. P. 243...248. — Доклад на 5-м Евросеминаре
"Моделирование и испытание АЦП", приуроченному к XVI
Всемирному конгрессу ИМЕКО. г. Вена, Австрия. 25—28 сентября 2000. Печатается с разрешения ИМЕКО.
автоматизация
от 8 до 16 бит, где С5* — максимальная скорость преобразования (Мп/с) при заданном разрешении преобразователя, а ВЫ — число двоичных разрядов в преобразователе.
Один из возможных способов преодоления этого ограничения — применение фотонных методов.
10000 i 1000 ; 100 10 1
I ' ' ' i 1 1 1 I 1 1 1 I 1 1 1 1 1 ' 1 I
m М1
о М2
А МЗ
А М4
0,1
I I . I I ... I , I . I
10
12
14
16
18
Рис. 1. Зависимость скорости преобразования промышленных АЦП от разрешения преобразователя:
по оси абсцисс — разрешение (бит), по оси ординат — скорость преобразования (Мп/с)
42
Sensors & Systems • № 5.2001
Ниже мы сравним различные фотонные подходы, используемые для повышения скорости преобразования, и, в частности, дадим обзор современного состояния разработок основных оптоэлектрон-ных компонентов, необходимых для этого.
2. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ОПТИЧЕСКОГО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Большинство предлагаемых принципов построения АЦП с использованием оптических или оптоэлектронных методов, можно разделить на две группы. Первая имеет дело с применением преобразователя, понижающего частоту светового сигнала, в качестве входного каскада с последующим использованием традиционного высокоскоростного АЦП. К этой группе относятся, например, фотонные АЦП с растяжением во времени [1, 2], преобразующие оптический сигнал сверхвысокой скорости в серию параллельных оптических сигналов меньшей частоты. На входе фотонных преобразователей такого типа в качестве преобразователя электрического сигнала в оптический должен стоять быстродействующий электрооптический модулятор, а на выходе — относительно малосветосильный фотодиод для связи фотонного понижающего преобразователя с последующим чисто электронным преобразователем световых импульсов.
Вторая группа схем фотонных АЦП использует оптоэлектронные компоненты в самом процессе аналого-цифрового преобразования. В частности, предлагается использовать устройства с электрооптическим самоэффектом (Self-Electrooptic Effect Devices — SEED) [4] и интеллектуальные пикселы на основе оптоэлектронных тиристоров [5] в качестве компараторов в фотонных АЦП. К этой категории преобразователей относятся и оптические свертывающе-проблесковые (folding-flash) АЦП [6] на базе интерферометра Маха — Цавдера (МЦ).
Ниже будут более детально описаны эти две концепции, рассмотрены их скоростные ограничения и определены критические оптоэлектронные компоненты.
2.1. Фото н н ы й п реоб разо вател ь с растяжением во времени
Преобразователь этого типа содержит генератор сверхкоротких оптических импульсов, обычно реализуемый с использованием волоконного лазера легированного эрбием. Оптический импульс рассеивается, например, по оптоволокну длиной в несколько километров, и полученный чирпирован-ный оптический импульс затем интенсивно модулируется по интенсивности с использованием преобразуемого сверхбыстрого электрического сигнала в качестве управляющего напряжения электрооптического модулятора. После пропускания полученного оптического сигнала снова через оптическое волокно с рассеиванием растянутый теперь во времени оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал фотодиодным приемником и подается на вход последующего электронного АЦП. Эффективная ширина входной полосы пропускания АЦП в этой системе умножается на коэффициент растяжения (М). Недостаток такой схемы заключается, однако, в необходимости в сложно реализуемых быстродействующих электрических переключателях для разделения на сегменты и разведения аналогового входного сигнала на М параллельных каналов перед растяжением во времени в целях преобразования непрерывных во времени сигналов [2].
Интересный вариант описанной схемы растяжения во времени заключается в использовании мультиплексирующего элемента с частотным разделением, например, оптической решетки, вместо второго рассеивающего элемента после модулятора. Таким способом удается избавиться от входного электрического переключателя, который весьма сложно реализовать из-за требований по высокой частоте. Каждый выход мультиплексора с частотным разделением (МЧР) дискретизирует часть оптического спектра, и каждая часть спектра соответствует определенному временному диапазону аналогового входного сигнала [1, 2]. Конфигурация устройства показана на рис. 2.
Генератор оптических импульсов
Электрооптический модулятор
Рис. 2. Принципиальная схема фотонного АЦП с растяжением во времени и мультиплексором с частотным разделением
МЧР / \ АЦП
Фотодиоды
Аналоговый входной сигнал
Датчики и Системы • № 5.2001
43
Рис. 3. Принципиальная схема устройства К-8КК1), реализованного с помощью электрооптического модулятора Ванье—Штарка на основе 1пСаАя/1пР:
1 — 1пР р-типа; 2 — внутренняя 1пСаАз/1пР-сверхрешетка; 3 — 1пР п-типа; 4— подложка п-1пР
С учетом возможного быстродействия фотонных систем с растяжением во времени прогнозируется ширина входной полосы до 50 ГГц; для систем на основе МЧР уже достигнуты скорости преобразования до 10 Гп/с [2]. Ограничивающими опто-электронными элементами являются, главным образом, электрооптические модуляторы и устройства мультиплексирования с частотным разделением (в случае использования соответствующего подхода). Отметим, что уже реализованы интегральные оптические решетки с более чем 30 выходными каналами для передачи волоконно-оптических данных [7].
2.2. Устройство с электрооптическим самоэффектом на основе полностью оптического аналого-цифрового преобразования
Полностью оптический АЦП (ОАЦП) на основе устройства с электрооптическим самоэффектом (УЭС) предназначен для применения там, где тре-
буется, чтобы сам цифровой выходной сигнал был оптическим. Разумеется, при использовании входного быстродействующего электрооптического модулятора и фотодиодных входных преобразователей оптической величины в электрическую можно осуществить и электрическое аналого-цифровое преобразование.
УЭС обычно представляют собой электрооптические модуляторы с обратным смещением, использующие положительную обратную связь через индуцированный фототок для получения области отрицательного дифференциального сопротивления на вольтамперных характеристиках при облучении. Различают несколько типов УЭС, например, в зависимости от конфигурации электрической нагрузки или от структуры активной области собственной проводимости. Наиболее распространены УЭС с активным модулирующим /-слоем на основе мультиквантовой ямы, где модуляция основана на эффекте Штарка с квантовым удерживанием [8, 9] или /-слоем в виде сверхрешетки, где используется эффект Ванье-Штарка [10, 11]. Простейшая конфигурация нагрузки — И.-8ЕЕО — включает в себя электрооптический модулятор типа рч-п-диода, где обратное смещение подается через внешний резистор. На рис. 3 изображена схема Я-БЕЕО с /-слоем в виде 1пР/1пСаА8-сверхрешетки, а на рис. 4 — результирующая оптическая передаточная функция для различных условий электрического смещения. Наблюдается широкий открытый гистерезис, например, при длине волны 1550 нм, если приложить смещение —45 В через сопротивление 4МОм. Это можно использовать, в частности, для реализации оптической памяти. При незначительном изменении условий смещения (—25 В, 2МОм) мы наблюдаем пороговое срабатывание без гистерезиса. Следует отметить, что
0,2
0,1
1-1-1-1-1-г
Rblas = 2 МОм |_ Vblas = -25V
J_I_I_I_I_L
0
3,7 3,8 3,9 4 4,1 4,2 4,3 4,4 Э)
Рис. 4. Оптические передаточные функции для поперечно электрически поляризованного света с длиной волны 1550 нм для основанного на эффекте Ванье — Штарка устройства R-SEED при различных условиях смещения:
по осям абсцисс — оптическая входная мощность (мкВт), по осям ординат — передаваемая оптическая мощность (мкВт); « ~ vbias = "25 В, Rbias = 2 МОм; б - Vbias = -45 В, Rbias = 4 МОм
44 _ Sensors & Systems • № 5.2001
УЭС, несмотря на применение встроенной схемы электрического смещения, представляет собой полностью оптическое нелинейное устройство. Было показано, что, изменяя условия электрического смещения (Я, КЬ1а!,) и длину волны падающего света, можно реализовать широкий набор различных оптических передаточных функций [12].
В предложенной в работе [4] схеме ОАЦП используется симметричная конфигурация УЭС, на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.