Интегрально-оптические аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Интегрально-оптические АЦП (ИО-АЦП) являются многообещающими устройствами для таких областей применения, как широкополосная связь, радиолокация, радиопротиводействие, где требуется высокая частота дискретизации (примерно 10⁹ отсчет/с) для преобразования широкополосных аналоговых сигналов. Наиболее перспективны ИО-АЦП на основе волноводных электрооптических модуляторов интерферометрического типа (интерферометров Маха - Цандлера).

Схема 4-разрядного электрооптического АЦП на основе волноводных модуляторов типа Маха - Цандлера приведена на рис. 5.5. Аналоговый сигнал U (t)подается на матрицу волноводных злектрооптических модуляторов, каждый из которых соответствует двоичному разряду преобразователя. Выходные сигналы модулятора воспринимаются фотоприемниками и с помощью быстродействующих электронных компараторов сравниваются с опорным сигналом, поступающим от общего источника оптического излучения. Для каждого разряда генерация бинарного сигнала (единицы или нуля) зависит соответственно от того, превышает выходной сигнал модулятора значение опорного сигнала, которое выбрано равным Ι ₀/2 (где Ι ₀ - максимальная интенсивность выходного сигнала модулятора), или он меньше его. Аналоговый сигнал дискретизируется оптическим методом с помощью последовательности коротких оптических импульсов с требуемой частотой повторения, которые одновременно поступают на модуляторы и в опорный канал.

Такое цифровое представление аналогового сигнала является кодом Грея, который используется во многих типах АЦП. В этом коде на каждом шаге квантования цифровой сигнал меняется только в одном разряде, следовательно, малые погрешности при переходе от числа к числу не могут привести к накоплению ошибок преобразования на нескольких шагах. В этом случае напряжение U_q,соответствующее шагу квантования, для N -разрядного преобразователя равно половине полуволнового напряжения U _1/2 канала младшего значащего разряда (МЗР):

,

где L_N - длина сигнальных электродов в канале МЗР. С ростом значимости разряда значение U _1/2последовательно увеличивается в 2 раза для каждого последующего разряда, а длина электродов соответственно в 2 раза уменьшается. Таким образом, в общем случае длина сигнальных электродов L_n:

,

где п = 1 соответствует старшему значащему разряду (СЗР), п = 2 - второму значащему разряду (ВЗР), п = N -1 - предпоследнему значащему разряду (ПЗР), а п = N - МЗР. Достоинством кода Грея является и то, что для его реализации АЦП требует в 2 раза меньшее напряжение, чем при эквивалентном двоично-взвешенном коде.

Статические сдвиги фаз Ф_{0 п} , необходимые для реализации кода Грея, обеспечиваются подачей к электродам смещений напряжений, удовлетворяющих следующим условиям: Ф₀₁= π /2 при п = 1, Ф₀₂ = 0 при п = 2 и Ф_{0 п} = π при п > 2. В рассматриваемой схеме преобразования единице соответствует выходная интенсивность I > I₀ /2. Инвертированием значений каждого разряда и применением сигналов одной полярности можно добиться того, чтобы во всех каналах, кроме СЗР, напряжения смещений были бы равны нулю. На практике постоянные смещения во всех каналах ИО-АЦП используются также для компенсации разбаланса фаз, возникающего в плечах волноводных модуляторов.

Максимальное преобразуемое напряжение аналогового сигнала определяется выражением

.

Требования к основным элементам ИО-АЦП рассматриваемого типа. Каждый отсчет в АЦП является по сути дела средним значением входного напряжения за малый, но конечный интервал времени. В электрооптическом АЦП происходят два процесса усреднения по времени. Первый обусловлен конечным временем прохождения оптического импульса через матрицу модуляторов, а второй - его конечной длительностью. Максимально допустимое время усреднения непосредственно связано с минимальным временем τ _мзр, в течение которого происходит изменение МЗР. При полной амплитуде напряжения аналогового сигнала и максимальной частоте, соответствующей полосе Δ f:

.

Величина τ _мзр при неизменной полосе пропускания Δ f уменьшается с увеличением числа битов информации. Максимально допустимое время распространения τ _N должно удовлетворять условию

.

Электрические ИО-АЦП имеют ряд преимуществ перед другими методами аналого-цифрового преобразования:

1. достаточно простая конструкция (на каждый двоичный разряд в этом случае требуется только по одному модулятору и одному фотоприемнику);

2. обеспечение развязки аналогового сигнала от оптических импульсов, осуществляющих выборку (устраняет нежелательные искажения сигналов);

3. высокое быстродействие ИО-АЦП с очень короткими импульсами выборки обеспечивается при применении полупроводниковых лазеров с синхронизацией мод.

Разработаны ИО-АЦП и других типов: ИО-АЦП на основе матрицы волноводных модуляторов поляризационного типа или матрицы волноводных электрооптически управляемых модуляторов Фабри - Перо, а также на основе волноводных акустооптических дефлекторов, которые могут быть выполнены в виде составных волноводов на кремниевой подложке. Общий принцип построения ИО-АЦП остается прежним, изменяется лишь метод преобразования аналогового электрического сигнала в ОИС.

Наряду с ИО-АЦП разрабатываются и ИО-ЦАП. Для их построения используются волноводные электрооптические модуляторы на основе интерферометра Маха - Цандера и пространственные электрооптические модуляторы на дифракционных решетках в планарном волноводе.

В схеме ИО-ЦАП на электрооптических дифракционных решетках электрический вход каждого дифракционного элемента пространственного модулятора выполнен так, что при одном и том же приложенном напряжении дифракционные эффективности смежных элементов различаются в 2 раза. Интенсивность излучения в планарном волноводе пропорциональна аналоговому представлению поступившего на модулятор цифрового кода. Быстродействие таких ИО-ЦАП определяется собственной емкостью системы сигнальных электродов устройства и может достигать нескольких ГГц.

Дата добавления: 2014-01-15