Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации - Семенов А.С.
ISBN 5-256-00738-6
Скачать (прямая ссылка):
Максимальное преобразуемое напряжение аналогового сигнала определяется выражением [80]
Utaax = 2"-' Uq. (7.6)
На рис. 7.6,6 приведены зависимости интенсивности оптического излучения на выходе матрицы модуляторов и сигналов компараторов для каждого канала АЦП от амплитуды аналогового сигнала U в пределах — Umax. В ИО-АЦП (в отличие от обычных АЦП) напряжение аналогового сигнала U не должно превышать ?/тах, так как при \и\>итях цифровой код становится неоднозначным. В электрооптическом АЦП величина Umix для СЗР не зависит от значения Uу2 при U^2 (СЗР) > Umax. Канал СЗР дает информацию лишь о знаке сигнала, так как интенсивность выходного сигнала модулятора, равная /о/2, соответствует нулевому напряжению сигнала компаратора. В этом случае при выборе f/i/2(C3P) =Umax получаем f/,/2(C3P) =f/i/2(B3P). Тогда сигнальные электроды в каналах СЗР и ВЗР имеют одинаковую длину (см- рис. 7.6,6). Это обеспечивает максимальную крутизну зависимости интенсивности оптического сигнала от напряжения в окрестности точки U=0, что уменьшает ошибки преобразования аналогового сигнала. Из равенства напряжений LV2 (СЗР) и U1/2 (ВЗР) следует, что выход за границы диапазона напряжений J U j Umax приводит к многозначности уровней квантования, интервалы между которыми равны 2Um3x. Такой большой фиксированный интервал неоднозначности может оказаться полезным в ря-
.177 де случаев, так как частичная корреляция последовательных отсчетов сигнала позволяет разрешить указанную неоднозначность [80].
Детальный теоретический анализ и методика расчета ИО-АЦП на основе электрооптических волноводных модуляторов типа Маха— Цендера приведены в [80, 187]. Не вдаваясь в подробности, сформулируем 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 TМЗР > в течение которого происходит изменение МЗР. При полной амплитуде напряжения аналогового сигнала и максимальной частоте, соответствующей полосе А/,
т«зр=1/2*ЯД/. (7.7)
Величина %мзр при неизменной полосе пропускания Af уменьшается с увеличением числа битов информации. Максимально допустимое время распространения xN должно удовлетворять условию
Т„<22-"/2/яд/ = 22+"/2Тмзр_ (7.8)
Для 4-разрядного АЦП при Д/ = 500 МГц тмзр=40 пс, tjv=640 пс. В реальном ИО-АЦП на основе ниобата лития Tjv= 175 пс и, как показывает теоретический анализ, для входного сигнала с частотой / = 500 МГц спад частотной характеристики не превышает 0,1 дБ, а среднеквадратичная ошибка составляет всего 0,02 Uq. Это следует из (7.8) в предположении, что время прохождения опти-, ческим сигналом расстояния до середины сигнальных электродов одинаково для всех разрядов. Данное условие легко обеспечивается размещением сигнальных электродов всех модуляторов на общей средней линии (см. рис. 7.6,а)- Длительность лазерного импульса выборки на уровне половины максимальной амплитуды должна удовлетворять условию
тл = 8 (N ~ I)1 P- In 2/2" п2 Д / = 8 (N - I)1 п In 2. тШР/я. (7.9)
Для 4-разрядного АЦП длительность импульса тл должна быть меньше 0,06 периода сигнала, т. е. менее 120 пс для сигнала с частотой / = 500 МГц. На самом деле (7.9) ограничивает длительность импульса диапазоном значений от половины периода до полного периода колебаний интенсивности в канале МЗР.
Для того чтобы полностью использовать все разряды электрооптического АЦП, аналоговый входной усилитель должен при соответствующей линейности амплитудно-частотной характеристики обеспечивать выходное напряжение с амплитудои zhUmax на емкости всех сигнальных электродов матрицы модуляторов в диапазоне частот до верхней границы спектра аналогового сигнала. Анализ показывает, что применительно к параметрам реальных
.178 приборов при высоких частотах дискретизации число разрядов ИО-АЦП ограничивается длительностью лазерных импульсов тл (рис. 7.7), а при меньших частотах дискретизации ограничивающим фактором может оказаться реально достижимая мощность входного электрического сигнала (рис. 7.8). При этом полагается, что частота дискретизации вдвое больше верхней частоты спектра аналогового сигнала, а значение Ln согласовано с импедансом источника, равным 50 Ом.
Экспериментальные образцы ИО-АЦП, выполненные на основе волноводных модуляторов интерферометрического типа на канальных OB в ниобате лития, имеют число разрядов N = 4, скорость выборки порядка 1 ГГц, полосу пропускания 500 МГц, электрическая мощность аналогового сигнала имеет значение до 2,5 Вт. При этом для обеспечения нормальной работы лавинных фотодиодов оптическая мощность (для X = 0,85 мкм) на выходе каждого модулятора должна быть не менее 1,5мкВт. Электрооптический двухразрядный ИО-АЦП может быть выполнен на волноводных модуляторах, объединенных в одну ОИС с помощью направленных ответвите-лей. Несмотря на более сложную структуру, такой ИО-АЦП имеет ряд преимуществ перед ранее рассмотренным преобразователем, в частности более низкий уровень вносимых потерь (<10 дБ), высокий контраст, а также более низкий уровень ошибок преобразования [83].
