מקור: Photonic ADCs

התקדמות בטכנולוגיות פוטוניות עיצבו מחדש את הנוף של המרת נתונים במהירות גבוהה.בין החידושים המשפיעים ביותר הוא התפתחות של ממירים אנלוגיים מהירים-דיגיטליים (ADCs) שמנצלים את מהירות האור כדי להתגבר על רוחב הפס והמגבלות התזמון הטמונות של מעגלים אלקטרוניים מסורתיים של ADCs הם אמצעי קריטי עבור מערכות תקשורת הדור הבא, הגנה, ניטור, וקצב מדעי שבו הם מופחתים לכדי ספקטרום אופטיים (אורד) תהליכים אופטיים (אומטרידים) אפילו לכדי הפרעות אחרות של תאים אופטיים (DGreperic) או חיתוך) ו-C) במהירויות של תאים קצרים (DGS) ו-Cs (DGreperic) כדי להשיג באופן משמעותי של תאים קצרים יותר ויותר (DGreperic) ו-DGreperic) ב-Demicd) קיבולת של תאים קצרים יותר ויותר (DGS) ו-DGrempentralating (Demic) הם מאפשרים חומרים קצרים יותר ויותר (Dignicdouticives) ב-aDC) ב-DGreperic) ב-aDCs) ב-aDCs) הם מאפשרים קריטיים ל-DDCs (DG

ADCs אלקטרונית האמנה מוגבלים על ידי מהירויות המעבר הסופיות של טרנזיסטורים, המסחר-off בין החלטה וקצב הדגימה, ואת צריכת הכוח הגוברת בתדרים גבוהים יותר. Photonic גישות לעקוף את צווארי הבקבוק האלה על ידי שימוש בסיסמאות אופטיות מהירות כמו שעון דגימה, מודולטורים אופטיים כדי לקוד את האות אנלוגי על נושאת אופטית, ו phototec כדי להמיר את האור המואר לתוך תצורה זו של פורמטים פשוט עם תבניות אלקטרו-אלקטרוניות.

אימוץ טכנולוגיית ADC פוטוניקה הוא מאיץ כמו פוטוניקה משולבת בוגר, כמו הביקוש רוחב פס גבוה יותר ב 5G/6G רשתות, לוחמה אלקטרונית, והתפלגות מפתח קוונטית גדל. מאמר זה מספק מחקר מעמיק של עקרונות, אדריכלות, יתרונות, אתגרים של פוטוניקה ADCs, יחד עם מבט על כיוונים מחקר מבטיח ביותר יישומים אמיתיים.

עקרונות של Photonic ADCs

Photonic ADCs בדרך כלל לעקוב אחר שרשרת אות ארבעה שלבים: דגימה, קוונטיזציה, סיבולת, ו decoding.ההבדל הקריטי של ADCs אלקטרונית שקרים בשני השלבים הראשונים, שבו תופעות אופטיות מהירות להחליף קומפוטורים אלקטרוניים ועיגולים לזיהוי עוקב אחר ו-Hide-and-hold. אבני הבניין הבסיסיות כוללות קוד הדופק או קוד לייזר מתמשך, אלקטרו-אופטימיטור אופטי, תמונה אופטית, ומדודה אופטית, לאחר מכן, או ספירת גבוהה של חומרת, או חומרת, או חומרת, או חומרת, או חומרת, או חומרת, הוא חומרת, או חומרת אור.

טכניקות רגישות אופטיות

הנפיחות ב- ADCs photonic מושגת על ידי שימוש ברכבת של הדופקים אופטיים קצרים (שלבי או משך זמן שניות) כדי לחקור את האות האנלוגיה.גישה זו, המכונה sampling אופטי, מציעה שני יתרונות עיקריים: רוחב הדופק קובע את אות הסימפלינג או קצב הדופק השני של הרגע המהיר ביותר, אשר יכול להיות קצר מאוד (sub שניות) כדי להשיג פתרון זמני גבוה, ו-reperactreperto-repertancedance) עם קצב תגובה אופטית גבוהה, 000 של מחזורית גבוהה, 000 של לחץ דם גבוה יותר, 000 גבוהה.

המונחים: Optical Quantization and Demultiplexing

לאחר דגימה, הדופקים אופטיים מודולו חייב להיות מעוות ודיגיטלי.בגישה הפשוטה ביותר, הדופקים מזוהים על ידי photodiode מהיר במהירות גבוהה ואת האות החשמלי המתקבל הוא מתרבות על ידי ADC אלקטרוני, עם זאת, זה מגביל את המהירות הכוללת של ערוצי אלקטרו-אנליזה עצמאית.

יתרונות מרכזיים ב- Electronic ADCs

Photonic ADCs מציעים כמה יתרונות משכנעים אשר לטפל במגבלות הבסיסיות של עמיתים אלקטרוניים:

  • (FLT:0)Ultralow Timing Jitter:cioF1) רכבות הדופק אופטי מ לייזרים ממותקים מוד מציג ג'ייטר נמוך כמו 0.1 שניות, המאפשרת רזולוציה גבוהה דגימה בעשרות GHz.אלקטרוני ADCs בדרך כלל סובלים מג'טר כי עולה עם תדירות, להגביל את מספרם היעיל של ביטים (ENOB) בתדרים מיקרוגל.
  • (FLT:0) גבוה בנדידות מיידית: ⁇ F1) אלקטרו-אופטי מודולטורים יכולים להתמודד עם אותות מ DC עד 100 GHz בשילוב עם photodetectors רחב, photonic ADCs יכול לנסח אותות על פני ג'יגהארץ רבים של רוחב פס מיידי, מה שהופך אותם אידיאלי עבור רדיו ו מכ"ם מוגדר תוכנה.
  • (FLT:0)Low Power Conposition: 1FLT) בעוד לייזר ומודולטור דורשים כוח, תהליך הדגימה עצמו אינו מתפזר אנרגיה משמעותית. Photonic ADCs יכול להשיג שיעורי דגימה גבוהים עם פחות כוח מאשר שווה ערך לכל ADCs אלקטרונית, במיוחד במהירויות גבוהות מאוד.
  • (FLT:0) חסינות אלקטרונית: FLT:1 אותות אופטיים הם חסינים להפרעה אלקטרומגנטית (EMI), מה שהופך photonic ADCs אידיאלי עבור סביבות רועשות או יישומים של לוחמה אלקטרונית שבו יש צורך מקלטים עמידים על ידי EMI.
  • (FLT:0) calability:FLT:1 , מספר אורך גל אופטית מספריxing ומרחבי מרובים (למשל, שימוש במספר ליבות בסיבים) מאפשר לפוטניקה ADCs כדי להגיע לתפוקה גבוהה ביותר ללא המורכבות של שילוב מעגלים מסיבי.

היתרונות האלה הובילו השקעה משמעותית במחקר פוטוניקה ADC להגנה, תקשורת, ומבחן ותעשיות מדידה.לדוגמה, סוכנות פרויקטי מחקר מתקדם של ההגנה (DARPA) מממנת תוכניות מרובות שמטרתן לפתח ADCs פוטוניים עם 10 רוחב פס מיידי GHz ו > 10 ENOB בשיעורי דגימה מעל 100 GS /s.

אדריכלות ADC

כמה אדריכלות ייחודית הוצעה והוכחה עבור פוטוניקה ADCs, כל אחד עם שלה סחר-offs במונחים של מהירות, פתרון, מורכבות ואינטגרציה.

צילום: Photonic Time-Stretch ADCs

ה- PTS ADC הוא אחד האדריכלות הבוגרות והרחבות ביותר של ארכיטקטורות (PTS ADC), הדופק האופטי מהיר מ לייזר שנשלט על ידי מצב הוא ראשון chirped (dispersed) באורך של סיבים מפוצצים מאוד.D. הדופק ה- דחוס הוא לאחר מכן מוחלף על ידי האות האנלוגי באמצעות אלקטרו-אופטיביות יחסית, לאחר שלבדנציה 2 מופץ באופן יעיל יותר של פחמן.

עקבו אחרי ADCs

אופטימיזציה אופטית ADCs להשתמש במספר ערוצי דגימה אופטיים מקבילים כדי להגדיל את שיעור הדגימה האפקטיבי.ביישום טיפוסי, רכבת הדופק גבוהה (למשל, 10 GHz) מחולק למספר רכבות הדופק המכוסות עם שיעורי הגבה נמוכים יותר (למשל, 1 GHz כל אחד), כל אחד מהם עבר בזמן על ידי שבריר של הדופק המקורי של כל ספירת חומרת קרינת אלקטרונית ו- C באופן עצמאי הוא יעיל יותר מאושש על ידי מספר רצף של עיבוד.

ארכיון התגים: Wavelength Division Multiplexed Photonic ADCs

WDM photonic ADCs מקודמת דגימות שונות על ערוצי גל נפרדים. מקור אורכי גל (או גל באורך גל או מערך לייזרים) מספק סט של הדופק באורכי גל שונים העוברים דרך המנטרול יחד.לאחר מודולציה, אורך גל דקפלקס נפרד הערוצים, כל אחד מהם מזוהה על ידי תמונה מוקרן ומדפסת על ידי מספר שלם של צוואר הרחם זמין ללא אינטגרציה מהירה מאוד.

תצלום: Photonic ADCs

התקדמות משמעותית נעשתה ב miniaturizing photonic ADCs על פלטפורמות פוטוניקה סיליקון. Integrated Photonic ADCs משלב את מקור לייזר (לעתים קרובות מחוץ ל-chip), מודולרים, מסננים, photodetectors, ועיגול אלקטרוני על שבב יחיד.המטרה היא להפחית את גודל, משקל וכוח (SWP) תוך שיפור האמינות ומניפולציה לאחרונה הראו שילוב של רכיבי ADCRIC מאחורי עיצובים מסחריים.

אתגרים והגבלות נוכחיות

למרות הפוטנציאל שלהם, פוטוניקה ADCs להתמודד עם כמה מכשולים מנעו מהם להחליף את ה- ADCs האלקטרוניים באופן מלא ברוב היישומים:

  • (FLT:0) מורכבות האינטגרציה:FLT:1ir משלב לייזרים בעלי ביצועים גבוהים, מודולרים וגלאים עם גל נמוך צוללים על שבב אחד נשאר מאתגר.
  • (FLT:0) Nonlinearities:FLT:1 אלקטרו-אופטימיים ו photodetectors להציג עיוות לא ליניארי המגביל את טכניקות ההקצאה של ENOB. Linearization (למשל, שני-שני מאך-Zehnder Modulators, חומרים דיגיטליים טרום-דיסקטוריציה) מוסיפים מורכבות.
  • מקורות:0 (Nise מקורות:FLT:1) רעש אינטנסיבי (RIN) מה לייזר, ירי רעש בפוטדקטור, ורעש תרמי בספרות האלקטרונית כולם מחלחלים ליחס האיתות לרעש.Achieving High resolution (8+ ENOB) דורש ניהול רעש זהיר.
  • רגישות סביבתית: FLT:1 רכיבים אופטיים רגישים לשינויים בטמפרטורה, רטט ולחות. Packaging וייצוב הם קריטיים לפעילות שדה אמינה.
  • (FLT:0) Cost:BuildFLT:1 Photonic ADCs כיום יקר יותר מאשר אלקטרוני ADCs בשל עלות מקורות לייזר, מודטורים, והתאמה מדויקת.

מטרת המחקר והפיתוח של Onמתמשכים להתגבר על המגבלות הללו באמצעות התקדמות בפוטניקה משולבת, חומרים חדשים כמו ליתיום niobate על insulator (LNOI) עבור מודטורים ושיפור טכניקות עיבוד דיגיטליות.

יישומים נהיגה ב-ADCs

הביקוש ל- ADCs פוטוניקה חזק ביישומים שבהם רוחב פס אולטרה-רחב ומהירות גבוהה הם לא ניתן להשגה.

  • (FLT:05G/6G תקשורת:FLT:1 , מילימטר-גל ומערכות תקשורת תת-THz דורשים ADCs עם רוחב פס רב GHz כדי לנסח אותות פס רחב. Photonic ADCs יכול להתמודד עם תדרי המוביל עד 100 GHz עם ג'טר נמוך, המאפשר תוכניות מודולציה מסדר גבוה.
  • (FLT:0) לוחמה אלקטרונית ורדאר:FreaLT:1 , מכ"ם מודרני משתמש אותות פס רחב (למשל, גל רציף בעל תדירות או גלפורים מודרך) כדי להשיג החלטה טווח גבוה. Photonic ADCs לאפשר ללכוד בו זמנית של להקות מרובות וגילוי בזמן אמת של אותות נמוכים-הסתברות-of-of-of-of-of-cept.
  • (FLT:0) אסטרונומיה מדעית חלקיקים דורשות דיגיטציה של אותות עם רוחב פס מעל 10 GHz. Photonic ADCs משמשים בכלים כמו Atacama Large מילימטר / מילימטר Array (ALMA) ואת הכיכר קילמטר Array (KAS).
  • (FLT:0)Test and Measurement: FLT:1, oscilloscopes במהירות גבוהה וגנרטורים גלפורים שרירותיים מסתמכים על ADCs פוטוניקה כדי להשיג שיעורי דגימה מעל 100 GS /s בזמן אמת.
  • (FLT:0)Quantum מחשוב ו Sensing: ההרחבה 1 (הנקראת qubits וחיישנים קוונטיים לעתים קרובות דורש שיפור וספרות בתדרי מיקרוגל, אשר photonic ADCs יכול לספק עם עומס חום מופחת.

יישומים אלה אינם רק שיפור ביצועים, אלא גם דוחפים פתרונות זולים יותר, קומפקטיים יותר שניתן לפרוס בתחום.

מחקר ופרק דרך

תחום ה- ADCs הפוטוני פעיל מאוד, עם אדריכלות והפגנות חדשות המתעוררות באופן קבוע.חלק מההתפתחויות האחרונות הבולטות כוללות:

  • החוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס הפגינו ADC עם ממוצע של 4 ערוצים: ADCs: 1 חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס הפגינו ADC תמונה באמצעות 4 ערוצים המאחדים עם שיעור דגימה הכולל של 256 GS /s ו- ENOB של 5.5 ב-10GHz.המערכת השתמשה בלייזר חד-מסוג אחד ו-4x1 אופטי כדי לעבור דגימות בין- 2.
  • (FLT:0) ליתיום ניבייט (LNOI) מודטורים:Fillo:1LNOI מאפשר מודולים אלקטרו-אופטיים עם V ⁇ נמוך מאוד (התמיכה לשינוי שלב ⁇ ) ורוחב רוחב פס רחב (>100 GHz). Integrated photonic ADCs מבוסס על מודטורים LNOI הראו תוצאות מבטיחות גבוהה וצריכת חשמל נמוכה.
  • (FLT:0) המרת דיגיטלית-לנאלוגית: FLT:1 את אותם עקרונות המשמשים עבור ADCs ניתן להפוך עבור ממירים דיגיטליים במהירות גבוהה לanalog (DACs), המאפשרים דור גלפור שרירותי עם עשרות רוחב פס GHz.
  • (FLT:0) שילוב Hybrid על סיליקון:FIRLT:1 הפיכה של לייזרים III-V ומודולטורים עם מעגלים פוטוניים סיליקון השתפר באופן משמעותי, עם שרידים מסחריים מציעים כעת ריצות מרובות-פרופור עבור מעגלים משולבים פוטוניים.

מאמר משנת 2022 ב- 0.10.0.000 Nature PhotonicsFIRLT:1 דווח על ADC פוטוניקה ADC להשגת 10.2 ENOB בתדירות קלט של 10 GHz עם שיעור דגימה של 50 GS /s באמצעות אדריכלות זמן רב-מצוץ ופוסט-מעבד דיגיטלי לאחר עיבוד.

התפתחות חשובה נוספת היא השימוש בתדירות של שבב כמקור הדופק האופטי.תדירות קומבס לספק רכבת הדופק יציבה, נמוכה ג'יטר שניתן לייצר על שבב באמצעות resonators micro-ring.זה מסיר את הצורך לייזרים עם פסים מלוטשים וסוללה את הדרך עבור משולב פוטוניקה ADCs.

כיוונים עתידיים ומסקנות

הדרך קדימה עבור פוטוניקה ADCs כרוכה בהתמודדות עם אתגרים האינטגרציה והביצועים שנותרו באמצעות אריזה מתקדמת, חומרים חדשים, ועיצוב משותף של מערכות אלקטרוניות-פוטוניות.

  • (FLT:0) שילוב מוסרי: FLT:1Building לייזרים, מודולרים, גלאי ואלקטרוניקה CMOS על אחד מהם ימות יפחיתו באופן דרמטי את העלות והגודל.
  • (FLT:0) ⁇ ו ליניאריזציה: אלגוריתמים מתקדמים DSP יכולים לתקן עבור אי-לינאריות ועיוותי ערוצים, המאפשרים ל- ADCs פוטוניים להשיג גבוה יותר ENOB מבלי לשפר את החומרה האנלוגית.
  • (FLT:0) שימוש במערכות מסחריות: ההרחבה 1 (FLT:1) ככל שהעלויות יורדות, ADCs פוטוניקה יעברו מהפגנות מעבדה כדי לפרוס בתחנות בסיס, ציוד בדיקה ומערכות הגנה.

לסיכום, טכנולוגיות פוטוניות מאפשרות שיעור חדש של ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים מהירים המפרשים את מחסום המהירות של מעגלים אלקטרוניים.על ידי מינוף מהירות האור, נמוך ג'יר אופטית נמוכה, ושקיפות גל, פוטוניקה ADCs מציעים רוחב פס יוצא דופן, דיוק תזמון, וקצבות.למרות אתגרים באינטגרציה, עלות, ורעש, התקדמות מהירה משולבת בצילומים דיגיטליים, כמו גם אותות ייצור תמונות דיגיטליות, אנו ממשיכים להיות מבטיחות.

לקריאה נוספת על יסודות החברה הפוטונית ADCs, ראה את הסקירה שפורסמה על ידי חברת IEEE Photonics Society (ראה:0IEEE Photonics Society of Photonics Society of Photoph:1) ומדריך מפורט ב-FLT:2Optics ExpresscioFLT 3: 3 (FLT: 5).