Fotonic ADCs'lere Giriş

Fotonik teknolojilerde ilerlemeler, temel olarak yüksek hızlı veri dönüşümünin alanını yeniden şekillendirmiştir.En etkili yenilikler arasında ultrafast analog- sayısal dönüştürücülerin (ADCs) ikinci (GS/s) veya hatta ikinci katlamaların hızlarını kullanan, analog ve sayısal devrelerin hızlarını bir sonraki nesil iletişim sistemleri için kritik bir şekilde etkinleştirir, savunma radarı, spektrum izleme ve bilimsel enstrümantasyon oranlarının farklı olarak azaltımı sağlar.

Konvansiyonel elektronik ADCs, transistörlerin sonlu geçiş hızları tarafından kısıtlanıyor, çözünürlük ve örnekleme oranı arasındaki ticaret-sonrası ve daha yüksek frekanslarda artan güç tüketimi. Photonic yaklaşımlar bu şişenleri ultrafast optik pul pul pul puls kullanarak, tüm elektronik tasarımlarla uyumlu olmayan analog sinyalleri kullanarak algılamayı sürdürüyor.

Fotonik ADC teknolojisi kabul edilmesi, fotonik olgunları ve 5G/6G ağlarında daha yüksek bant genişliği talep ettiği gibi hızlanıyor ve bu makale, fotonik ADC'lerin temelleri, mimarileri, avantajları ve zorlukları hakkında ayrıntılı bir araştırma sağlar.

Fotonik ADCs'lerin Operasyonel İlkeleri

Fotonic ADCs genellikle dört aşamalı bir sinyal zinciri takip eder: örnekleme, ölçümleme, kodlama ve dekoding. Elektronik ADCs'den gelen kritik fark, ultrafast optik fenomenlerin elektronik komparlar ve takip-ve-hold devreleri değiştirir. temel bina blokları, bir puld veya sürekli dalga lazer kaynağı, bir elektro-optik modülatör, bir fotodiode ve yüksek hızlı sayısal bir sayısal sinyal algılama.

Optik Sampling Teknikleri

Fotonik ADC'lerde basitleştirilmesi, optik puls (picosan veya femtosan süresi) tekrar tekrar tekrarlayıcı sinyalini ortaya çıkarmak için kısa bir optik puls kullanarak yapılır.Bu yaklaşım, optik örnekleme olarak bilinen, iki büyük fayda sunar: pul genişliği, örneklemeyi son derece kısa sürede (geçicili) çok kısa sürede tamamlayabilir ve anlık tekrarlama hızının en iyi şekilde frekansa doğrultulmasını sağlar. Mode-locked lazerler, 10 GHz ve son derece düşük zamanlayıcı hızları ile birlikte pulsiyonel hızlanır.

Optik Sayılama ve Çok karmaşıklık

Örneklemeden sonra, modüle edilmiş optik pulslar sayısal ölçümler ve sayısallaştırılmış olmalıdır.In the most simple approach, the speedifiers are detect by a high- speed variable lower-vision-multiplexing (WDM) approach to that limits the entire different noised signaling.For example, adigitized to the entire different noise-DCs.

Elektronik ADCs'ler üzerinde anahtar avantajları

Fotonic ADCs, elektronik meslektaşlarının temel sınırlamalarını ele alan birkaç çekici avantaj sunar:

  • [FONT:0) 12.000 Timing Jitter:[Dönetici: 0,8 inçlik lazerlerden gelen optik pul trenler, 12 inç kadar düşük performans gösteren 12 inçlik bir örnekle, 10 GHz'de yüksek çözünürlüklü örnekleme imkanı sağlar. Elektronik ADCs genellikle frekansıyla artış gösteren jitterden muzdariptir, mikrodalga frekanslarında etkili sayıdaki (ENOB) limitli frekanslarını sınırlandırır.
  • [FONT:0) Yüksek Anında Band genişliği: Elektro-optik modülatörler DC'den 100 GHz'den sinyalleri iyi bir şekilde ele geçirebilirler. Geniş bant fotodetektörlerle birlikte, fotonik ADCs, birçok gigahertz'da sinyalleri sayısalleştirebilir, onları yazılım tanımlı radyo ve radar için ideal hale getirebilir.
  • [Düzgölge:0) Düşük Güç Tüketimi: [Dönetici: [Düzücük ve modülatör güç gerektirirken, örnekleme sürecinin kendisi önemli enerjiden yoksun değildir. Photonic ADCs özellikle de çok yüksek hızlarda yüksek örnekleme oranlarına sahip olabilir.
  • [FONT:0)Electromantik Immunity: Optik sinyaller elektromanyetik müdahaleye karşı bağışıklık sağlar (EMI), EMI-yerel alıcılara karşı dirençli ortamlar veya elektronik savaş uygulamaları için fotonik ADCs ideali yapmak.
  • [FONT:0)Scalability:[Dönetici:[Dönetici:0) Optik dalga boyun eğlendirici ve uzaysal çokluxing (örneğin, bir fiberde birden fazla çekirdek kullanarak) fotonik ADCs'in büyük devre entegrasyonu olmadan son derece yüksek agresyonu ölçeklendirmesine izin verir.

Bu avantajlar, savunma, telekomünikasyon ve test ve ölçüm endüstrileri için fotonik ADC araştırmalarında önemli yatırımlara yol açtı. Örneğin, Savunma Gelişmiş Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) fotonik ADCs geliştirmeyi amaçlayan birçok program finanse etti >10 GHz anlık bant genişliği ve >10 ENOB 100 GS /s üzerindeki örnekleme oranlarında.

Fotonic ADC Architectures

Birkaç farklı mimari, fotonik ADCs için önerilmiş ve göstermiştir, her biri hız, çözünürlük, karmaşıklık ve entegrasyon açısından kendi ticaret-offları ile.

Fotonic Time-Stretch ADCs

Fotonik zamanlayıcı (PTS) ADC, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bir optik darbe ile daha fazla ayarlanan ilk şık elementtir.In a PTS ADC, bir elektro-oplama sonrası, pulsiyonun ortalama 10 hıza kadar uzatılabilir.

Optik ADCs

Optik interleaving ADCs, etkili örnekleme oranını artırmak için birden fazla paralel optik örnekleme kanalı kullanır. Tipik bir uygulamada, yüksek seviyeli bir pul tren (örneğin, 10 GHz) daha yavaş bir elektronik ADC. Dijital sinyal işleme ile bölünmüştür.Bu mimari her biri, her biri ultra hızlı mamulme oranlarının bir kısmını önlemek ve birkaç emelize etmek için gerekli olan hızları otomatik olarak koruyabilmektedir.

Wavelong Division Multixed Photonic ADCs

WDM fotonic ADCs, farklı boyutlardaki kanalları farklı olarak kodlamaktadır. Çok dalgalı bir kaynak (bir dalga boyun eğlendiricisi veya bir dizi lazerler), modülel tekrarlama olmadan farklı bir dizi puls sağlar. ancak modülasyondan sonra, bir dalga boyun eğlendiricisi, bir fotodiode tarafından tespit edilen ve bağımsız bir ADC tarafından sayısallaştırılmış olan bir dizi. WDM ADCs, son derece hızlı bir tekrarlama olmadan yüksek toplam hıza ulaşabilir.

Tümleşik Photonic ADCs

Mekanik fotonik ADC'ler silikon fotonik platformlarında en az ilerleme kaydedilmiştir. Entegre fotonik ADCs, lazer kaynağı (toplayıcılar, filtreler, fotodetektörler ve elektronik devreler tek bir çip üzerinde yapılır. Hedef boyut azaltılırken, ağırlık ve güç (SWaP) ve sabitlenebilirlik ve manufacturability. Son gösteriler, silikon Mach-Zehnder modüller kullanarak tümleşik bir fotoğraf çekimine entegre edilir.

Meydanlar ve Güncel Sınırlar

Potansiyellerine rağmen, fotonik ADCs, elektronik ADC'leri çoğu uygulamada tamamen yerine getirmelerini engelleyen birkaç engelle karşı karşıyadır:

  • [FONT=0)Integration karmaşıklığı:[Dönetici: [Dönetici:0) Yüksek performanslı lazerler, modülatörler ve tek bir çip üzerinde düşük derece dalga kılavuzları ile de zorlu kalır. Hybrid integration (farklı farklı malzeme platformları) umut verici ama yine de maturing yaklaşımıdır.
  • [FONT:0]Nonlinearities:[Döneticiler:[Döncüler ve fotodetektörler, ENOB. Linearization teknikleri (e.g., dual-parallel Mach-Zehnder modüller, dijital ön-distortion) karmaşıklık sağlar.
  • [FONT:0) Kaynak: [Döneticileri: [Döneticileri: [Döneticileri: 0) Lazerten gelen, fotodetektörde gürültüyü vur, elektronik sayısal ölçümde tüm hata oranını azaltın.
  • [FONT:0)Environmental duyarlılığı: Optik bileşenler sıcaklık değişikliklerine duyarlıdır, vibrasyon ve nem. Ambalaj ve stabilizasyon güvenilir alan çalışması için kritiktir.
  • [FONT:0)Cost: [DÜDÜT:1] Fotonic ADCs şu anda lazer kaynakları, modülatörler ve hassas hizalamalar nedeniyle elektronik ADC'lerden daha pahalı.

Devam eden araştırmalar ve geliştirme, bu sınırlamaları entegre fotoniklerdeki gelişmelerle, lityum niobate gibi yeni malzemeler (LNOI) modülatörler için ve dijital işleme teknikleri geliştirdi.

Uygulamaları Ultrafast ADCs için gerekli olan araçları sürüş

Fotonik ADC'ler için talep, ultra geniş bant genişliği ve yüksek hızların hiçbir şekilde tartışılmaz olduğu uygulamalarda en güçlü olanıdır: Anahtar alanlar şunlardır:

  • [FONT=0)5G/6G İletişim: [Dönder: [Dönderlik- dalga ve alt-THz iletişim sistemleri, geniş bant sinyallerine sayısal olarak ADC'ler için çok yönlü bant genişliğine ihtiyaç duyar. Photonic ADCs, düşük jitter ile 100 GHz'ye kadar taşıyıcı frekanslarını yönetebilir, yüksek sipariş modülasyon şemalarına izin verebilir.
  • [FONT=0)Electronic War ve Radar: Modern radar geniş bant sinyalleri kullanır (örneğin, frekans ayarlı sürekli dalga veya hız dalgalar dalgalar dalgalar) yüksek aralık kararlarına ulaşmak için. Photonic ADCs, aynı anda birden fazla grup ve gerçek zamanlı algılama algılama sinyalleri kullanır.
  • [FONT:0]Scientific Instrumentation:[[Dönetici: 0D) Ultrafast Spectroskopi, radyo astronomisi ve parçacık fiziği, 10 GHz'den fazla bant genişliğine sahip sinyallerin dijitalleştirilmesini gerektirir. Photonic ADCs, Atacama Büyük Millimeter/submillimeter Dizi (ALMA) ve Square Kilometer (SKA).
  • [FONT=0)Test ve ölçüm: [Dönemli yüksek hızlı oscilloskoplar ve rastgele dalgaform jeneratörleri, 100 GS /s üzerinde örnekleme oranları elde etmek için fotonik ADC'lere güveniyor.
  • [FONT:0]Quantum ve Sensing:) Süper iletkenlik ve kuantum sensörlerinin sık sık sık düşük sayısallaştırma ve mikrodalga frekanslarında sayısallaştırma gerektirir, bu fotonik ADCs ısı yükü ile azaltılabilir.

Bu uygulamalar sadece performans geliştirmelerini değil, aynı zamanda alanda konuşabilen daha kompakt çözümler için de çabalıyor.

Son Araştırma ve Dağcılık

Fotonik ADCs alanı, düzenli olarak ortaya çıkan yeni mimari ve gösterilerle son derece aktiftir. Bazı önemli gelişmeler şunları içerir:

  • [FONT:0]Time-intereard fotonik ADCs:[Dönemli bir lazer ve 4x1 optik geçişte, dört kanallı zaman toplam örnekleme oranı ile birlikte dört kanalda bir fotonik ADC'yi sergiledi.
  • [FONT=0)Lithium niobate (LNOI) modülcular: [Döneticiler) LNOI, elektro-optik modülcülere son derece düşük VIM (m.100 GHz için gerilim) ve geniş bant genişliği (>100 GHz) LNOI modülatörlere dayanan tüm fotonik ADC'ler yüksek doğrusallık ve düşük güç tüketimi için umut verici sonuçlar göstermiştir.
  • [FONT=0)Fotoğraflar-assisted dijital-to-analog dönüşüm: [DÜT:1] ADC için kullanılan aynı ilkeler, yüksek hızlı dijital-analog dönüştürücüler için tersine çevrilebilir (DAC), 10 GHz bant genişliği ile rastgele dalgalama nesli sağlar.
  • [FONT:0]Hybrid entegrasyonu silikon üzerinde:[Dönetici: 0) III-V lazerlerin darbesi ve silikon fotonik devreleri ile modültörler önemli ölçüde gelişmiştir, ticari bulgularla şimdi çok-proje wafer fotonik bütünleşik devreler için çalışır.

2022 yılında yapılan bir kağıt:0Doğan Fotoğrafçılar[Dönetici: 1 ), teknolojinin büyüyen olgunluğunun işaret ettiği gibi, 10 GHz giriş frekansına sahip 10.2 ENOB at 10 GHz input frekansı with a sample rate of 50 GS/s using a time-stretch architecture and digital post-processing.

Bir başka önemli gelişme, çipli frekans taramalarının optik puls kaynağı olarak kullanılmasıdır. Frekanslar, mikro-parçalı resonatörler kullanılarak üretilen stabil, düşük-jitter nabızlı bir tren sağlar.Bu, yüksek çözünürlükte ısıtılmış lazerler için gerekli olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve tamamen entegre fotonik ADCs için yol açar.

Future Yol ve Sonuç

Fotonik ADC'ler için yol, mevcut entegrasyon ve performans zorluklarına gelişmiş ambalaj, yeni malzemeler ve elektronik fotonik sistemlerin tasarımı ile hitap etmeyi içeriyor.

  • [FONT:0)Monolithic integration:[Dönetici: [Dönetici: 0,4] Komining lazerler, modülörler, dedektörleri ve tek bir ölü üzerinde CMOS elektronikler büyük ölçüde maliyet ve büyüklüğü azaltacaktır.
  • [FONT=0) Dijital kalibrasyon ve lineerizasyon: Gelişmiş DSP algoritmaları doğrusal olmayanlar ve kanal yanlış uyumlar için doğrulanabilir, fotonik ADCs'in analog donanım geliştirmeden daha yüksek ENOB'ye ulaşmalarına izin verir.
  • [FONT:0] Ticari sistemlerde kullanım: Maliyetler azaltılırken, fotonik ADCs temel istasyonlarda dağıtım için laboratuvar gösterilerden hareket edecek, test ekipmanları ve savunma sistemleri.

Sonuç olarak, fotonik teknolojiler, ultrafast analog-dijik dönüştürücülerin yeni bir sınıfını, elektronik devrelerin hızını kıran hız bariyerlerini kırarak, düşük hacimli optik örnekleme ve paralellik, fotonik ADCs'lerin olağanüstü bant genişliği, zaman geçirgenliği ve ölçeklenebilirliği sağlamalarına olanak sağlar.Ingress, maliyet ve gürültü kalır, entegre fotonikler ve dijital sinyal işleme bu sistemleri pratik olarak dağıtmayı bekleyebilir.For any application that requests real-time digitization of multi-band messages, photonic ADCs and scalability.

Daha fazla fotoğraf ADCs temelleri üzerinde okumak için, IEEE Photonics Society tarafından yayınlanan genel bakışı )) ve detaylı bir şekilde öğreticidir.