Оптоэлектронные АЦП

Широкое использование цифровых вычислительных средств для обработки информации в различных областях науки и техники делает актуальным создание аналого-цифровых преобразователей (АЦП), обеспечивающих сопряжение датчиков информация с цифро­выми вычислителями. Современные АЦП на базе кремниевых интегральных схем не позволяют достичь быстродействия свыше 400 млн 5-разрядных выборок в секунду. Поэтому используется возможность применения различных физических эффектов и методов для построения высокоскоростных АЦП: эффекта Ганна, эффекта Джозефсона, отклонения луча, бомбардирующего полупроводнико­вую мишень, и оптоэлектронных методов.

Проблема повышения быстродействия АЦП связана с решением задач формирования короткого импульса выборки, высокоскоростного многоуровневого квантования, а также осуществления широкополосной связи с цифровыми вычислительными средствами. Применение оптоэлектронных методов позволяет решить эти задачи. Общим признаком оптоэлектронных (ОЭ) АЦП является использование когерентного излучения в виде коротких световых импульсов, которое модулируется входным аналоговым сигналом. Очевидно, что эту операцию можно рассматривать как эквивалентную операцию взятия выборки. При этом в области оптических частот возможна как генерация коротких световых импульсов (10 пс)_, например, с помощью эффекта связывания мод, так и передача их без искажений по оптическим волноводам. Кроме того, как будет показано при описания конкретных схем, с помощью 0Э АЦП можно решить проблему высокоскоростного многоуровневого квантования либо уменьшением компараторов до числа, равного числу разрядов, либо заменой компараторов на безынерционное голографическое кодирующее устройство.

Использование, оптической несущей предопределяет необхо­димость переноса изменения уровня входного аналогового сигнала в изменение одной из характеристик оптического излучения, а именно интенсивности, частоты, фазы или поляризации. Необходимый перенос осуществляется с помощью известных физических эффектов, таких, как магнитооптический, электрооптический и акустооптический.

Оптоэлектронные АЦП разделяют на два типа: интерференционные и дефлекторные.

В интерференционных ОЭ АЦП для преобразования сигнала а цифровой код используют интерферометрические модуляторы, интенсивность света на выходе которых характеризуется периодической зависимостью от приложенного электрического напряжения. Как будет показано, чередование максимума и минимума интенсивности аналогично чередованию в одном разряде нуля и единицы. При этом частота чередования нуля и единицы в младшем разряде должна быть в два раза больше, чем у ближайшего старшего порядка. Соединяя интерферометрические модуляторы так, чтобы частота изменения интенсивности света в каждом последующем модуляторе была в два раза больше, чем в предыдущем, можно создать р -разрядный оптоэлектронный АЦП.

Поскольку интерференционные явления в оптических модуляторах могут происходить при изменении как фазы, так и поляризации световых волн, интерференционные АЦП можно разделить еще на два вида - фазовые и поляризационные. Фазовые и поляризационные АЦП в зависимости от физических эффектов, используемых для переноса изменения входного аналогового сигнала в соответствующее изменение фазы или поляризации, могут быть, в свою очередь, разделены на магнитооптические и электрооптические.

В дефлекторных АЦП используют отклонение светового луча на угол, пропорциональный амплитуде входного сигнала, который кодируется в цифровые слова. Один из спосо­бов отклонения светового луча основан на создании линейного сдвига фаз световой волны по апертуре дефлектора. При этом входное напряжение непосредственно определяет величину фазо­вого сдвига. Оптоэлектронные АЦП на основе такого отклонения будем называть фазовыми дефлекторными АЦП. Возможно также ис­пользование акустооптических дефлекторов. Однако при этом не­обходимы дополнительные устройства, осуществляющие преобразование изменения амплитуды входного аналогового сигнала в изменение частоты. Такие 0Э АЦП будем называть частотными дефлекторными АЦП. Так как в настоящее время устройства, осуществляющие преобразование амплитуды сигнала в частоту, не обладают высокой скоростью преобразования, частотные дефлекторные АЦП как низкоскоростные подробно не рассматриваются. В зависимости от физических эффектов, используемых для переноса изменения входного аналогового сигнала в соответствующее изменение характеристики световой волны, дефлекторные АЦП также можно разделить на акустооптические л электрооптические. Условная классификация 0Э АЦП приведена на рис. 5.5.

Упрощенная структурная схема 0Э АЦП показана на рис.5.6. На первый вход его оптического преобразователя 2 поступает изменяющееся во времени аналоговое напряжение V(t), а на второй вход - импульсы света от когерентного источника I. С помощью оптического преобразователя (квантователя) - модуля­тора или дефлектора (в зависимости от схемы ОЭ АЦП) - аналоговый сигнал вводится в оптический тракт 5.

Выборка входного сигнала осуществляется в дискретные моменты времени источником I когерентного света, генерирующим короткие световые импульсы длительностью, равной времени выборки , и синхронизированного по моменту запуска от внешнего источника управляющих сигналов. Аналоговые выборочные значения полученные после детектирования оптического сигнала фотоприемника 3, преобразуются кодирующим устройством 4 в цифровые выходные сигналы . Существует возможных уровней квантования V, где n - число разрядов, определяющих точность АЦП. Каждый из уровней может быть выражен как соответствующее ему двоичное число в виде (нуль и единица). Для того чтобы ошибка преобразования не превышала шага квантования, необхо­димо выполнение очевидного условия:

(5.14)

где время запаздывания сигнала в оптическом тракте, - скорость света в вакууме; - максимальная длина оптического пути; - длительность импульса выборки; - период следования импульсов выборки; - полоса частот преобразуемого сигнала.

Рис. 5.5. Структурированная классификация 0Э АЦП

(5.13)

Рис. 5.6. Структурная схема простого ОЭ АЦП

Работа АЦП этого типа основана на изменении поляризации света как функции приложенного напряжения V(t).Схема такого устройства приведена на рис. 5.7.

На кристалле, обладающем электрооптическим эффектом, электроды а нанесены на две противоположные грани кристалла b и таким образом создается модулятор М. К каждому каналу модулятора подводится напряжение V. Длина области электрооптического взаимодействия для m-го канала модулятора зависит от длины электрода и составляет

, m=1,2,3,……n. (5.15)

Рис. 5.7. Структура поляризационного АЦП и эпюры напряжений

на выходных каналах

Интенсивность световой волны, поляризованной под углом 45° к оптической оси кристалла модулятора, расположенного ме­жду скрещенными поляризаторами и анализаторами, на выходе каждого из каналов определяется выражением:

, (5.16)

где - показатель преломления материала; - эффективный электрооптический коэффициент; - длина волны света;

-расстояние между электродами; - статистический фа­зовый сдвиг; – полуволновое напряжение модулятора.

Для устранения постоянного фазового сдвига в устройстве используются фазовые компенсаторы. Двоичное представление вхо­дного сигнала основано на сравнении выходных напряжений фотоприемников с заданным уровнем. Принцип формирования выходного сигнала АЦП с использованием кода Грея показан на рис. 5.7, б.

Возможна также реализация этой схемы на основе интегральной оптики. В этом случае преобразователь представляет собой решетку диэлектрических волноводов d на монокристалл-лической подложке из линейного электрооптического материала (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Структура интегрально-оптического поляризационного АЦП

Каждый волновод, способный "поддерживать" одну ТЕ- и одну ТМ-моду, возбуждается линейно-поляризованным светом от лазера непрерывного действия. Длина электродов l опреде­ляет длину электрооптического взаимодействуя в m -м канале.

Относительный сдвиг фазы между колебаниями ТЕ- и ТМ-мод для m -го волновода равен

, (5.17)

где V - приложенное напряжение; - длина электрода первого канала; К - коэффициент, зависящий от длины волны света, межэлектродного расстояния и электрооптических параметров кристалла.

Свет от каждого волновода d пропускается через поля­ризационный расщепитель I (например, призму Рошона или Валастона), две ортогонально-поляризованные компоненты детектируются раздельно:

,

,

где - статический фазовый сдвиг; А_т - глубина модуляции; В_т С_т - постоянные составляющие, которые можно устранить из сигналов детектора фильтрацией или вычитанием.

Двоичное представление V основано на сравнении выход­ных напряжений детекторов 2 с заданным уровнем. Например, при двоичный код со смещением получается формиро­ванием единицы для первого разряда, если , и единицы для m -го разряда (m =2,3……, n), если . Необходимая величина получается подачей смещения на дополнительные электроды с. На рис. 5.9 показаны изменения и соответствующего им двоичного кода со смещением в зависимости от V для трехразрядного устройства.

Число значащих разрядов n связано с длиной сигнального электрода модулятора l как: , где - максимальная длина, необходимая для достижения электрооптического фазового сдвига на 180°, d - межэлектродное расстояние; V _max - максимальное значение приложенного напряжения. Уровень квантования (чувствительности) в ОЭ АЦП этого типа определяется как

, (5.18)

где - максимальная длина электрода модулятора младшего разряда; в случае использования в АЦП объемного модулятора и при использовании волноводного модулятор.

Рис. 5.9. Зависимость токов на выходе ЭО АЦП от входного

напряжения V

Основной составной частью АЦП этого типа является волноводный модулятор на основе интерферометра Маха-Цендера, схема которого показана на рис. 5.10, а. Он содержит пьезоэлектрический кристалл а (например, LiNbO₃, LiTaO₃),на котором выполнен одномодовый волновод b, делящий с помощью Y-разветвителя мощность оптического сигнала на две составляющие. Каждая составляющая светового сигнала проходит одинаковый путь перед сложением со вторым Y-разветвителем. При отсутствии напряжения на кристалле составляющие света при сложении имеют одинаковую фазу, а выходной сигнал - максимальную величину. При подаче напряжения к одному плечу модулятора с помощью компланарных электродов с, фазовая скорость распространения света в этом плече изменяется из-за линейного электрооптического эффекта, что приводит к появлению разности фаз световых сигналов, проходящих через два плеча модулятора перед их сложением. В результате выходной сигнал уменьшается и в предельном случае при разности фаз 18О° он равен нулю.

Использование трехполюсной схемы (рис. 5.10, б), один из полюсов которой находится между двумя волноводами, а два других - с их внешней стороны, позволяет снизить вдвое напряжение V, необходимое для получения заданной разности фаз .

Интенсивность выходного сигнала модулятора равна

, (5.19)

где - для двухполюсной схемы электродов;

- для трехполюсной схемы электродов.

Формируя на монокристаллической подложке из пьезоэлектрического материала а несколько таких модуляторов, как пока­зано на рис. 5.11, а можно построить АЦП, для которого на каж­дый двоичный разряд требуется только один модулятор. Аналоговый сигнал при этом подается параллельно на все модуляторы.

Длина сигнальных электродов в каждом модуляторе рассчитывается по основной формуле , m =1,2… n.

Рис. 5.10. Схематическое изображение волноводных модуляторов

на основе интерферометров Маха-Цендера

Зависимость интенсивности выходного сигнала от напряже­ния приведена на рис. 5.11, б. Двоичный код также получается сравнением выходных сигналов модуляторов, вырабатываемых фотоприемниками I на каждом выходе, с опорным сигналом от того же источника светового сигнала. Как показано на рис. 5.11, б, при интенсивности выходного сигнала, превышающей или меньшей порогового значения , вырабатывается "I" или "0" соответственно. На этом рисунке также показан соответствующий код Грея.

Число значащих разрядов в электрооптическом АЦП этого типа такое же, как в случае поляризационного АЦП, а уровень квантования - V_с для - для двухполюсной схемы эле­ктродов и - для трехполюсной схемы электродов.

Для того чтобы уменьшить потери электрической мощности, оптические потери и время распространения света, необходимо уменьшить длину модулятора, соответствующую наименьшему

значащему разряду. Уменьшить длину в 2 раза можно, пропуская выходной сигнал модулятора, соответствующий наименьшему значащему разряду, через фильтр верхних частот и цепь двухполупериодного выпрямления. Усиленный выходной сигнал выпрямителя управляет затем компаратором. При использовании

Рис. 5.11. Схематическое изображение четырехразрядного ОЭ АЦП на основе интерферометров Маха-Цендера (а) и эпюры напряжений на выходах компараторов (б)

двухполупериодной схемы выходной сигнал (рис. 5.12) является периодической функцией приложенного напряжения с периодом в 2 раза меньшим, чем выходной сигнал фотоприемника.

Рис. 5.12. Диаграммы напряжений на входе компаратора (а) и выходные сигналы (б)

В результате такого изменения происходит уменьшение длины модулятора наименьшего разряда и, следовательно, длины всего устройства в 2 раза.

Используемые в электрооптическом АЦП (рис. 5.11) модуляторы имеют излучательные потери в точке разветвления волноводов. Один из способов преодоления трудностей, связанных с изготовлением разветвленных волноводов с низкими потерями, состоит в использовании направленных ответвителей для деления надвое входного сигнала и сложения модулированных волн. На рис.5.13,а показана схема волноводного электрооптического мо-дулятора с направленными ответвителями (балансный мостовой модулятор).

В балансном мостовом модуляторе входной световой сигнал, поступающий в любой из двух волноводов b, делится поровну в трех-децибельном направленном ответвителе с и вводится в два параллельных волноводных плеча, в каждом плече сигналы модулируются по фазе электрооптическим способом с помощью электродов, расположенных в фазовращательной области d над волноводами (электроды типа "кобра").

Рис. 5.13. Балансный волноводный модулятор

После прохождения фазовращательной области d эти две волны интерферируют между собой во втором направленном ответвителе. Выходной сигнал такого модулятора в случае использования света ТМ поляризации и электрооптического кристалла Z -среза также оказывается модулированным по интенсивности в за­висимости от разности фаз. Для лучшего разделения оптического сигнала между двумя волноводами трех-децибельный направленный ответвитель может содержать подстроечные электроды b.

Оптическая связь между волноводами в фазовращательной области устраняется либо травлением канала между ними, либо сильным рассогласованием за счет двойной диффузии в волноводах. Схема балансного мостового модулятора для двухразрядного фазового электрооптического АЦП приведена на рис. 5.13, б. Уровень квантования в электрооптическом АЦП с балансными модуляторами Vo определяется для .

Как показано ранее, выходной сигнал модуляторов, изменя-ющийся по синусоидальному закону, в зависимости от величины V преобразуется электронными компараторами каждого разряда в последовательность прямоугольных импульсов ("нули" и "единицы"). Учитывая, что эта последовательность аппроксимируется рядом Фурье

, (5.20)

синусоидальный выходной сигнал в каждом канале интерференционного оптоэлектронного АЦП может быть легко преобразован в последовательность прямоугольных импульсов сложением выходных сигналов двух и более модуляторов.

На рис. 5.14 изображена схема одного канала фазового ин­терференционного АЦП.

В каждом канале используются два дополнительных модуля­тора, выходные сигналы которых имеют вид

, (5.21)

, (5.22)

Рис.5.14. Схема одного канала фазового интерференционногоАЦП

где -электрооптический индуцированный фазовый сдвиг в m -м канале фазового интерференционного АЦП; , - статические фазовые сдвиги, соответственно, во втором и третьем модуляторах m -го канала.

Необходимая величина интенсивности в каждом модуляторе устанавливается подбором коэффициентов связи в связанных волноводах. Суммируя затем выходные сигналы трех модуляторов так, чтобы , , получаем

(5.23)

Работа электрооптических АЦП, рассмотренных ранее, основана на использовании периодической зависимости интенсивности света на выходе электрооптического модулятора от приложенного напряжения и длины его кристалла. Однако для работы с высокой разрешающей способностью при низком управляющем напряжении необходимо значительно увеличивать длину кристалла (с возрастанием числа разрядов длина кристалла возрастает в геометрической прогрессии). Практически достижимая длина кристалла составляет несколько сантиметров. Поэтому предложен новый тип оптоэлектронного АЦП - гибридный АЦП, в котором увеличение числа биений продетектированного сигнала модулятора достигается за счет введения электронных диодных схем.

Структурная схема трехразрядного гибридного поляризаци­онного АЦП, в случае использования объемного электрооптического модулятора приведена на рис. 5.15. Интенсивность излучения на выходе объемного электрооптического модулятора 4, помещенного между скрещенными поляризаторами 2 и анализатором 5, определяется . Если световой луч, прошедший через эле­ктрооптический кристалл, расщепить на три луча и в каждом из трех каналов установить постоянные фазовые сдвиги ; ; с помощью фазовых компенсаторов 3, то интенсивности света на выходах соответствующих каналов будут следующими:

;

;

.

На рис. 5.16 показаны графики зависимости интенсивностей от приложенного напряжения и их цифровые преобразования в код Грея, получаемые с помощью компараторов при пороговом уровне . Поскольку сигнал пересекает пороговый

Рис. 5.15. Структурная схема трехразрядного гибридного поляризационного АЦП с использованием объемного электрооптического модулятора

уровень при V=0, то цифровой сигнал соот­ветствует "I" при и "0" при . Сигнал , соответствует "I" при и "0" - во всех остальных случаях. Для формирования третьего разряда сигналы и подводят к диодам, смещенным в прямом направлении, а выходы диодов объединяют. За счет нелинейности характеристик диодов малый уровень входного сигнала подавляется, а высокий повышается. Результирующее число импульсов в канале получается вдвое большим, чем в канале . Третий разряд можно получить также при сложении сигнала с инвертированным сигналом , как показано на рис. 5.16.

Для сигнала получают "I" при

; . (5.24)

Суммируя оба сигнала, показанные на рис.5.16, формируют разряд четвертого порядка, у которого получают "I" при

; (5.25)

; . (5.26)

В процессе, описанном выше, два оптических противофазных сигнала создаются модулятором. Но обращенный сигнал можно получить и другим способом, например, с помощью фазового инвертора. В этом случае число оптических каналов, а также расщепителей луча, оптических фазовых компенсаторов, фотодетекторов можно уменьшить в 2 раза.

Чтобы получить более высокие разряды, необходимо увеличить число оптических сигналов и уменьшить относительную разность фаз. В общем случае n -й двоичный разряд () получается из оптических сигналов с разностью фаз в соседних каналах . На рис. 5.17 приведены зависимости количества оптических сигналов m и разности фаз между соседними каналами (зависимость 2) от числа разрядов n.

Штриховая линия 3 показывает количество каналов в АЦП, где увеличение числа биений продетектированного оптического сигнала достигается за счет увеличения длины модулятора, например, в фазовом электрооптическом АЦП. Как видно из рис. 5.17, для гибридный электрооптический АЦП проще, но для конструкция гибридного АЦП усложняется из-за быстрого возрастания числа оптических сигналов.

Наряду с объемными модуляторами а ОЭ АЦП этого типа можно использовать также волноводные модуляторы. При этом возможны схемы как на основе одного модулятора с разделением светового сигнала по оптическим каналам и созданием необходимых фазовых сдвигов в них оптическими элементами, так и на основе многоканального, например волноводного, интерферометрического модулятора с сигнальными электродами одинаковой длины и подстроечными электродами, обеспечивающими необходимый фазовый сдвиг в каждом канале. Минимальный уро­вень квантования в гибридном электрооптическом АЦП

(5.27)

где l –длина модулятора; в случае использования объемного модулятора; в случае волноводного поляризационного модулятора; в случае волноводного интерферометрического модулятора с трехполюсной системой электродов.

Рис. 5.16. Графики зависимости интенсивностей выходных сигналов от приложенного напряжения и их цифровые

преобразования

Рис. 5.17. Зависимость количества сигналов и разности фаз от

разрядности кода

Вопросы для самопроверки

1. Методы оптической обработки информации

2.Описание оптического сигнала

3. Методы Фурье-анализа сигналов

4. Частотный спектр одномерных сигналов

5. Разложение оптического сигнала в пространственно-

временной спектр

6. Двумерный оптический сигнал и его информационная структура

7. Дискретизация оптического сигнала

8. Дискретное двумерное преобразование Фурье

9. Аналоговые оптические процессоры

10. Акустоооптические процессоры и их применение

11. Оптический процессор двумерного преобразования Фурье

12. Поляризационные электрооптические АЦП

13. Фазовые электрооптические АЦП

14. Гибридные электрооптические АЦП

Дата добавления: 2015-07-11