Использование фотонных технологий для обеспечения сверхбыстрых скоростей конверсии ADC

Введение в фотонные ADC

Достижения в фотонных технологиях коренным образом изменили ландшафт высокоскоростного преобразования данных. Среди наиболее эффективных инноваций - разработка сверхбыстрых аналого-цифровых преобразователей (ADC), которые используют скорость света для преодоления присущих пропускной способности и ограничений времени традиционных электронных схем. Эти фотонные ADC являются критическими активаторами для систем связи следующего поколения, защитного радара, мониторинга спектра и научных приборов, где требуются скорости отбора проб в сотнях гига-образцов в секунду (GS / s) или даже терасамплы в секунду. Путем перемещения процессов отбора проб и квантования в оптическую область, фотонные ADC достигают беспрецедентной точности времени и широкой мгновенной полосы пропускания со значительно уменьшенным джиттером и электромагнитными помехами.

Обычные электронные АЦП ограничены конечными скоростями переключения транзисторов, компромиссом между разрешением и скоростью отбора проб и увеличением энергопотребления на более высоких частотах. Фотонные подходы обходят эти узкие места, используя сверхбыстрые оптические импульсы в качестве часов отбора проб, оптические модуляторы для кодирования аналогового сигнала на оптическую несущую и фотодетекторы для преобразования модулированного света обратно в электрическое представление. Этот гибридный метод сохраняет целостность сигнала на микроволновых и миллиметровых частотах, обеспечивая при этом скорости отбора проб, которые просто недостижимы при полностью электронных конструкциях.

Принятие фотонной технологии ADC ускоряется по мере созревания интегрированной фотоники и роста спроса на более высокую пропускную способность в сетях 5G / 6G, радиоэлектронной борьбе и распределении квантовых ключей. Эта статья обеспечивает углубленное исследование принципов, архитектур, преимуществ и проблем фотонных ADC, а также взгляд на наиболее перспективные направления исследований и приложения в реальном мире.

Оперативные принципы фотонных АЦП

Фотонные АЦП обычно следуют по четырёхступенчатой сигнальной цепи: отбор проб, квантование, кодирование и декодирование. Критическое отличие от электронных АЦП заключается в первых двух стадиях, где сверхбыстрые оптические явления заменяют электронные компараторы и трек-энд-холдинговые схемы. Фундаментальные строительные блоки включают импульсный или непрерывноволновый лазерный источник, электрооптический модулятор, фотодиод и высокоскоростной дигитайзер. Аналоговые электрические сигналы модулируют интенсивность, фазу или поляризацию оптического носителя. Модулированный свет затем либо непосредственно обнаруживается и оцифровывается, либо подвергается дальнейшей оптической обработке перед обнаружением.

Методы оптического отбора проб

Отбор проб в фотонных АЦП осуществляется с помощью поезда коротких оптических импульсов (пикосекунда или фемтосекунда продолжительности) для повторного опроса аналогового сигнала. Такой подход, известный как оптическая выборка, предлагает два основных преимущества: ширина импульса определяет диафрагму выборки, которая может быть сделана чрезвычайно короткой (субпикосекунда) для достижения высокого временного разрешения, а частота повторения импульса устанавливает эффективную частоту выборки. Мод-блокированные лазеры могут генерировать импульсные поезда с частотой повторения, превышающей 10 ГГц и чрезвычайно низкой частотой синхронизации джиттера (суб-10 фемтосекунд), намного превосходящие джиттерную производительность лучших электронных часов. Аналоговые электрические сигналы применяются к электрооптическому модулятору, через который проходят оптические импульсы. Амплитуда или фаза каждого импульса становится пропорциональна мгновенному значению аналогового сигнала в момент прохождения импульса через модулятор.

Оптическая квантизация и демультиплексирование

После отбора проб модулированные оптические импульсы должны быть квантованы и оцифрованы. При самом прямом подходе импульсы обнаруживаются высокоскоростным фотодиодом и полученный электрический сигнал оцифровываются электронным ADC. Однако это ограничивает общую скорость электронного дигитайзера. Более сложные фотонные ADC используют оптические методы для демультиплексирования высокочастотного выборочного сигнала в несколько параллельных низкоскоростных потоков. Например, подход с разделением длины волны на мультиплексирование (WDM) может распределять последовательные образцы по различным каналам длины волны, каждый из которых обнаруживается независимым фотодиодом и оцифровывается более медленным ADC. Эта параллелизация позволяет использовать агрегированную частоту выборки далеко за пределами того, что может достичь любой один электронный ADC. Альтернативно, фотонные ADC могут использовать оптическую квантовку с использованием нелинейных эффектов. Например, в фотонном ADC с растяжением во времени аналоговый сигнал временно растягивается дисперсным волокном, так что более медленный электронный ADC может оцифровывать медленно меняющуюся оболочку. Рас

Основные преимущества перед электронными ADC

Фотонные АЦП обладают рядом неоспоримых преимуществ, которые устраняют фундаментальные ограничения электронных аналогов:

Эти преимущества привели к значительным инвестициям в фотонные исследования ADC для оборонной, телекоммуникационной и испытательной и измерительной отраслей. Например, Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны (DARPA) финансировало несколько программ, направленных на разработку фотонных ADC с пропускной способностью >10 ГГц и >10 ENOB при частоте выборки выше 100 ГС/с.

Фотонные архитектуры ADC

Было предложено и продемонстрировано несколько различных архитектур для фотонных АЦП, каждая из которых имеет свои собственные компромиссы с точки зрения скорости, разрешения, сложности и интеграции.

Фотонные ADC с временным растяжением

Фотонный временной растяжитель (PTS) ADC является одной из наиболее зрелых и широко изученных архитектур. В PTS ADC сначала щебетается (диспергируется) сверхбыстрый оптический импульс от замкнутого в режиме лазера в длине высокодисперсного волокна. Затем щебетательный импульс модулируется аналоговым электрическим сигналом с использованием электрооптического модулятора интенсивности. После модуляции импульс снова рассеивается во втором дисперсивном элементе, который дополнительно растягивает импульс во времени. Результатом является оптически отобранная и растянутая реплика аналогового сигнала. Поскольку импульс растягивается фактором, обычно между 10 и 100, сравнительно медленный электронный ADC может оцифровывать растянутую форму волны с высоким разрешением. Мгновенная полоса пропускания оригинального сигнала эффективно делится на растяжение, что позволяет в реальном времени захватывать сигналы с частотой дискретизации более 100 ГГц, что позволяет демонстрировать PTS ADC со скоростью отбора проб 10 TS/s агрегата и значениями ENOB около 5-6 при 10 ГГц.

Оптический перемешивающий ADC

Оптические перемежающиеся АЦП используют несколько параллельных оптических каналов выборки для увеличения эффективной скорости выборки. В типичной реализации высокоповторяющийся импульсный поезд (например, 10 ГГц) разделяется на несколько перемежающихся импульсных поездов с более низкими частотами повторения (например, по 1 ГГц каждый), каждый из которых смещается во времени на долю исходного импульсного периода. Каждая подпоезда модулирует аналоговый сигнал независимо, затем обнаруживается и оцифровывается более медленным электронным АЦП. Цифровая обработка сигнала реконструирует полную последовательность выборки. Эта архитектура позволяет избежать необходимости в сверхбыстрых дигитайзерах и может достичь эффективных скоростей выборки до нескольких сотен ГС/с. Основной задачей является поддержание выравнивания фаз и равного усиления по всем перемежающимся каналам.

Дивизион Wavelength Multiplexed Photonic ADCs

WDM фотонные ADC кодируют разные образцы на отдельные каналы длины волны. Многоволновой источник (либо гребень длины волны, либо массив лазеров) обеспечивает набор импульсов на разных длинах волн, которые проходят через модулятор вместе. После модуляции демультиплексор длины волны разделяет каналы, каждый из которых обнаруживается фотодиодом и оцифровывается независимым ADC. WDM ADC могут достигать высоких совокупных скоростей без необходимости чрезвычайно быстрого повторения импульсов. Однако количество каналов длины волны ограничено доступной полосой пропускания модулятора и демультиплексатора. Эта архитектура хорошо подходит для интеграции на фотонных чипах с использованием массивных волноводных решеток (AWG).

Интегрированные фотонные ADC

Значительный прогресс был достигнут в миниатюризации фотонных АЦП на платформах кремниевой фотоники. Интегрированные фотонные АЦП объединяют лазерный источник (часто вне чипа), модуляторы, фильтры, фотодетекторы и электронные схемы на одном чипе. Цель состоит в том, чтобы уменьшить размер, вес и мощность (SWaP) при одновременном повышении надежности и технологичности. Недавние демонстрации показали интегрированные фотонные АЦП с использованием кремниевых модуляторов Mach-Zehnder, германиевых фотодетекторов и дисперсионной инженерии на чипе. В то время как производительность современных интегрированных конструкций отстает от дискретных компонентных систем, разрыв сужается, и ожидается, что интегрированные фотонные АЦП будут играть ключевую роль в коммерческом развертывании.

Проблемы и существующие ограничения

Несмотря на свой потенциал, фотонные АЦП сталкиваются с рядом препятствий, которые не позволяют им полностью заменить электронные АЦП в большинстве приложений:

Текущие исследования и разработки направлены на преодоление этих ограничений за счет достижений в области интегрированной фотоники, новых материалов, таких как ниобат лития на изоляторе (LNOI) для модуляторов, а также улучшенных методов цифровой обработки.

Приложения, определяющие потребность в сверхбыстрых ADC

Спрос на фотонные АЦП является самым сильным в приложениях, где сверхширокая полоса пропускания и высокая скорость не подлежат обсуждению.

Эти приложения не только улучшают производительность, но и способствуют более дешевым и компактным решениям, которые могут быть развернуты в полевых условиях.

Последние исследования и прорывы

В области фотонных АЦП наблюдается высокая активность, регулярно появляются новые архитектуры и демонстрации. Некоторые заметные недавние достижения включают:

В статье 2022 года в Nature Photonics сообщалось о фотонном ADC, достигающем 10,2 ENOB на входной частоте 10 ГГц со скоростью выборки 50 ГС/с с использованием архитектуры растяжения времени и цифровой постобработки. Такие результаты подчеркивают растущую зрелость технологии. (см. Nature Photonics article).

Еще одним важным шагом является использование в качестве источника оптического импульса расчески в масштабе чипа. Частотные расчески обеспечивают стабильный импульсный поезд с низким уровнем трения, который может генерироваться на чипе с использованием микрокольцевых резонаторов. Это устраняет необходимость в громоздких лазерах с блокировкой режима и прокладывает путь для полностью интегрированных фотонных АЦП.

Будущие направления и выводы

Путь вперед для фотонных АЦП включает решение оставшихся проблем интеграции и производительности с помощью передовой упаковки, новых материалов и совместного проектирования электронных фотонных систем.

В заключение, фотонные технологии позволяют создать новый класс сверхбыстрых аналого-цифровых преобразователей, которые преодолевают скоростной барьер электронных схем. Используя скорость света, низкоджиттерный оптический выборочный метод и параллелизм длины волны, фотонные АЦП обеспечивают исключительную пропускную способность, точность времени и масштабируемость. Хотя проблемы в интеграции, стоимости и шума остаются, быстрый прогресс в интегрированной фотонике и цифровой обработке сигналов приближает эти системы к практическому развертыванию. Для любого приложения, которое требует оцифровки в реальном времени сигналов с частотой несколько ГГц, фотонные АЦП представляют собой наиболее перспективный путь вперед. По мере продолжения исследований и созревания производства мы можем ожидать, что фотонные АЦП станут неотъемлемой частью экосистемы преобразования данных, обеспечивая достижения в области связи, зондирования и фундаментальной науки.

Для дальнейшего чтения об основах фотонных ADC см. обзор, опубликованный IEEE Photonics Society (]IEEE Photonics Society) и подробное руководство по Optics Express (Optics Express article).