全光模数转换的原理及进展_韩顺利

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全光谱响应光电转换

在当今社会，能源问题一直是人们关注的焦点之一。传统的化石能源资源日益枯竭，而且

使用化石能源还会对环境造成严重的污染。因此，人们一直在寻找可再生的清洁能源，光

能作为一种绿色能源备受瞩目。全光谱响应光电转换技术作为光能利用的重要手段之一，

对于光能转化技术的发展具有重要的意义。本文将从全光谱响应光电转换技术的基本原理、研究现状以及未来发展方向等方面进行分析和探讨。

全光谱响应光电转换技术是一种能够有效利用全光谱范围内光的能力，将光转化为电能的

技术。传统的光伏技术只能利用有限的光谱范围内的光能，而且对于不同波长的光的响应

效率也有所不同。而全光谱响应光电转换技术则可以在全光谱范围内实现高效的光电转换，提高光能的利用率，降低能量的浪费。

全光谱响应光电转换技术的基本原理是通过设计合适的光敏材料，实现对全光谱范围内光

的高效响应。光敏材料是实现全光谱响应的关键。目前，人们已经开发出了多种能够实现

全光谱响应的光敏材料，包括有机光伏材料、钙钛矿材料、量子点材料等。这些光敏材料

可以在全光谱范围内对光进行高效响应，将光能转化为电能。与传统的硅基光伏材料相比，全光谱响应光电转换技术可以实现更高的光电转换效率，对于提高光能的利用效率具有重

要的意义。

在全光谱响应光电转换技术的研究中，人们面临着一些挑战。首先，如何设计出高效的光

敏材料是一个关键的问题。光敏材料的光电转换效率直接影响到全光谱响应光电转换技术

的性能。因此，人们需要不断地研究新的光敏材料，提高其光电转换效率。其次，全光谱

响应光电转换技术还需要解决光电器件的稳定性和可制备性等问题。这些都是影响全光谱

模数转换原理

A/D

名称表述

基本概念

分类

A/D模块电路设计

A/D转换过程

发展历史

发展趋势

名称表述

基本概念

分类

A/D模块电路设计

A/D转换过程

发展历史

发展趋势

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编辑本段名称表述

A/D

abbr.

[军] Analog.Digital, 模拟/数字

A/D

[缩]单仪器模数转换

编辑本段基本概念

随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。

将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC,Analog to Digital Converter）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器或DAC,Digital to Analog Converter）；A/D转换器和D/A转换器已成为信息系统中不可缺少的接口电路。

为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，A/D与D/A转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D和D/A转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。

韩国研制成功基于SWCNT的全光纤飞秒锁模激光器

电流用来延长和冷却产生的超精细纤维材料。
ＦｂａｏｅｍｎａｉｎＲｔｕｄ等人的文章．ｒ报道了基于单壁碳纳米管
（ｉｇｅ— ｌｄｃｒｏａｏｕｅ，Ｓｎｌｗａｌａｂｎｎｎｔｂｓｅ
记为ＳＮ — ｌｄＨＦ。以该ＷＣＴｆｌＯ）ｉｅ光纤为锁模器件实现了全光纤锁
研究人员近来对ＳＮＷＣＴ进行了深入而广泛的研究。因为具有良好的光学、电学和材料特性使其在光电应用领域具有巨大的应用潜力。比较值得一提的是ＳＮＷＣＴ的三阶非线性系数较大，
一
wenku.baidu.com
黯燕
韩国研制成功基于ＳＷＣＮＴ的全光纤
飞秒锁模激光器
｛ｐｉｓｘｒｓ）近发表ＯｔｐｅｓｃＥ）最
了韩国研究人员ＳｎＹｕｇＣｏ，ｕｏｎｈｉ
实验装置图
并非全光纤激光器，需要不断地
通过透镜耦合和提取，损耗较大；另一种方法是直接将ＳＮＷＣＴ沉
降低了光纤的损伤阈值，使得光纤性能下降。文章研究人员为了

模数转换原理概述

随着数字电子技术的迅速发展，各种数字设备，特别是数字电子计算机的应用日益广泛，几乎渗透到国民经济的所有领域之中。数字计算机只能够对数字信号进行处理，处理的结果还是数字量，它在用于生产过程自动控制的时候，所要处理的变量往往是连续变化的物理量，如温度、压力、速度等都是模拟量，这些非电子信号的模拟量先要经过传感器变成电压或者电流信号，然后再转换成数字量，才能够送往计算机进行处理。

模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换，简称A/D(Analog to Digital)转换；完成模数转换的电路被称为A/D转换器，简称ADC(Analog to Digital Converter)。数字量转换成模拟量的过程称为数模转换，简称D/A(Digital to Analog)转换；完成数模转换的电路称为D/A转换器，简称DAC(Digital to Converter)。带有模数和数模转换电路的测控系统大致可用图1.1所示的框图表示。

图1.1 一般测控系统框图

图中模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入AD转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由DA转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。为了保证数据处理结果的准确性，AD转换器和DA转换器必须有足够的转换精度。同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，AD转换器和DA转换器还必须有足够快的转换速度。因此，转换精度和转换速度乃是衡量AD转换器和DA转换器性能优劣的主要标志。

本课程设计主要讲解万用表的原理与制作，仅涉及到A/D的相关知识。因此，在本章节中仅介绍ADC的相关知识，对DAC感兴趣的同学可以查阅“数字电路”的相关知识。

光电转换器的作用和工作原理

Light-to-electricity conversion is a process that plays a crucial role in our modern world. As technology continues to advance, this conversion process has become increasingly important in various sectors, such as solar energy, telecommunications, and electronic devices. 光电转换是一个在现代世界中起着至关重要作用的过程。随着科技的不断发展，这种转换过程在太阳能、通信以及电子设备等多个行业中变得越来越重要。

The primary function of a light-to-electricity converter is to efficiently convert photons from light into electrons for electrical energy production. This conversion process usually involves the use of materials such as semiconductors, which have the ability to absorb light and generate an electric current. 光电转换器的主要功能是将光中的光子高效地转换为电子，以产生电能。这种转换过程通常涉及使用半导体等材料，这些材料具有吸收光线并产生电流的能力。

采用OCDMA技术的全光网

马龙; 李玉权; 蒲涛

【期刊名称】《《飞通光电子技术》》

【年(卷),期】2002(002)001

【摘要】提出了在未来全光网中采用OCDMA技术的实现方案。OCDMA可以和WDMA相结合,细化光交叉连接的颗粒,增强光通道层的灵活性,而且可以直接从现有网络升级;OCDMA还可以和OTDMA相结合,实现信令的全光处理和的帧定界,从而使OTDMA网无需复杂的同步,这将为光包交换的实现提供一种有效的手段。进一步的研究需要对全光网节点内的交换网络结构和路由协议进行深入考虑。【总页数】4页(P57-60)

【作者】马龙; 李玉权; 蒲涛

【作者单位】解放军理工大学通信工程学院光纤教研室，江苏，南京，210016; 解放军理工大学通信工程学院研究生二队，江苏，南京，2100161

【正文语种】中文

【中图分类】TN929.11

【相关文献】

1.利用OCDMA和WDM技术构建全光网络 [J], 程世盛

2.基于OCDMA技术增强全光网络安全性的研究 [J], 吴建伟;王晓光;秦献疆

3.采用OCDMA技术的全光网 [J], 蒲涛;耿焱;等

4.全光网中的光码分多址(OCDMA)技术及其应用发展 [J], 刘丽丽;陈长缨;王翔

5.基于OCDMA技术增强全光网络安全性的研究 [J], 吴建伟;王晓光;秦献疆

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全光方案介绍

1. 引言

全光方案是一种新型的网络架构方案，它基于光纤传输技术，通过光信号进行数据传输，具有高速、大带宽和低延迟等优势。本文将介绍全光方案的基本原理、适用场景以及实际应用。

2. 全光方案原理

全光方案的核心原理是光纤传输技术。光纤是一种采用光信号进行信号传输的传输介质。它由一根具有高折射率的纤维心和一个低折射率的纤维包层组成。在光纤中，光信号通过光的全反射原理在纤维心中传输，从而实现信号的传输。

全光方案利用光纤传输技术来进行数据传输。它将数据转化为光信号，通过光纤传输到目标地点后，再将光信号转化为数据。相比传统的电信号传输方式，全光方案具有以下优势：

•高速：光信号的传输速度非常快，可以达到光速的几乎接近。相比之下，传统的电信号传输速度较慢。

•大带宽：光纤的传输带宽很大，可以同时传输多个信道的数据。这使得全光方案能够满足大量数据传输的需求。

•低延迟：光信号在传输过程中的延迟非常低，几乎可以忽略不计。这保证了全光方案在实时应用场景下的高效性能。

3. 全光方案的适用场景

全光方案适用于许多场景，特别是对于需要大数据传输和低延迟的应用来说，更是具有突出的优势。以下是几个典型场景：

3.1 数据中心

在数据中心中，需要处理大量数据的存储和传输。传统的电信号传输方式可能会受到带宽和延迟的限制，而全光方案能够提供高速和大带宽的传输能力，满足数据中心的需求。

3.2 通信网络

在通信网络中，需要进行大量的数据传输和通信。传统的电信号传输方式在长距离传输时会存在信号衰减和失真等问题，而全光方案可以提供更远距离的传输能力，并且光信号不受电磁干扰，传输质量更稳定可靠。

光电信号转换原理

光电信号转换是一种将光信号转换为电信号的技术，广泛应用于光纤通信、光电子设备、光学传感器等领域。它是实现光与电之间信息的转换和传输的关键技术之一。

一、光电转换器的基本原理

光电转换器是光电信号转换的核心组件，它主要由光电二极管、光电倍增管、光敏电阻等元件组成。光电二极管是一种将光能转换为电能的器件，其工作原理基于内部的P-N结。当光照射到P-N结上时，光子的能量会激发出电子-空穴对，进而产生电流。光电倍增管则是一种利用光电效应增强电流的器件，通过电子的倍增效应将微弱的光信号转换为较大的电信号。光敏电阻则是一种电阻值随光照强度变化的元件，其工作原理是光照射到光敏电阻上时，导电性能会发生变化。

二、光电转换器的工作过程

光电转换器的工作过程可以分为光信号侦测、光电转换和电信号输出三个阶段。首先，光信号被侦测器接收，这个过程通常是通过光敏元件来实现的。光敏元件会将光信号转化为电信号，然后通过光电二极管等光电转换器件将电信号转换为电流或电压信号。最后，经过信号放大、滤波等处理，电信号被输出到其他电子设备中进行进一步的处理或传输。

三、光电转换器的应用领域

光电信号转换技术在现代通信系统中起着至关重要的作用。光电转换器广泛应用于光纤通信系统中，将光信号转换为电信号后，通过光纤进行远距离传输。光电转换器还被广泛应用于光电子设备中，如光电显示器、光电传感器等。在光学传感器中，光电转换器可将光信号转换为电信号，用于检测和测量光照强度、颜色等参数。

四、光电转换器的发展趋势

随着科技的不断进步，光电转换器的性能不断提高。目前，光电转换器的速度、灵敏度和稳定性已经得到了显著的提升。此外，新型材料的研发和应用也为光电转换器的发展提供了新的机遇。例如，石墨烯、量子点等材料的引入，使得光电转换器在光电子学领域具有更广阔的应用前景。

光子晶体光纤中的全光模式转换与传输研究

光子晶体光纤是一种具有周期性结构的光导纤维，其核心是由周期性排列的介

质微结构组成。由于其独特的结构，光子晶体光纤在光学通信、光子集成电路等领域具有广泛的应用前景。在光子晶体光纤中，全光模式转换与传输是一个重要的研究方向。

全光模式转换是指在光纤中实现光信号的模式转换，即将一种光信号的模式转

换成另一种光信号的模式，而无需进行电光转换或光电转换。这种全光模式转换的实现可以大大提高光纤通信系统的传输效率和容量。

光子晶体光纤中的全光模式转换主要通过光纤中的微结构调控来实现。光子晶

体光纤的微结构可以通过改变纤芯的直径、周期性调整纤芯的折射率等方式来实现。通过这些微结构的调控，可以改变光信号在光纤中的传输特性，从而实现全光模式转换。

在光子晶体光纤中，常见的全光模式转换方式包括模式耦合、模式干涉和模式

混合等。其中，模式耦合是指将一个模式的光信号耦合到另一个模式的光信号中，从而实现模式转换。模式干涉是指通过光纤中的微结构调控，使得不同模式的光信号在光纤中发生干涉，从而实现模式转换。模式混合是指将不同模式的光信号混合在一起，从而实现模式转换。

在全光模式转换的研究中，光子晶体光纤的设计和制备是关键的环节。光子晶

体光纤的设计需要考虑纤芯的直径、折射率和微结构的周期等因素，以实现所需的全光模式转换效果。同时，光子晶体光纤的制备也需要高精度的加工技术和材料工艺，以保证光纤的微结构和性能。

除了光子晶体光纤的设计和制备，光子晶体光纤中的全光模式转换还需要考虑

光信号的调控和探测。光信号的调控可以通过外部电场、温度等方式实现，以改变

光子模数转换关键技术的研究

摘要：随着现代科技的不断进步和发展，光电器件的应用越来越广泛，其中涉及到的光子模数转换技术尤为重要。本文围绕光子模数转换技术展开研究，讨论其关键技术和实现方法。首先，介绍了光子模数转换技术的基本原理和背景知识；然后，对CMOS工艺和光子器件选型进行了详细的分析和优化，并提出了一种基于CMOS工艺实现的光子模数转换方法；最后，通过实验验证了所提出的方法的可行性和优越性，为光子模数转换技术的应用和发展提供了新的思路和方向。

关键词：光子模数转换； CMOS工艺；光子器件；实验验证

一、引言

光子模数转换技术是一种利用光电器件将模拟信号转换为数字信号的技术，近年来备受关注。随着数字信号处理领域的不断发展，光子模数转换技术在光电通信、光子计算和光电显示等领域的应用越来越广泛。

虽然光子模数转换技术具有很大的优势，但是其实现过程并不简单。光电器件的制作工艺、光子器件的选型等因素都会对光子模数转换的结果产生一定的影响。因此，研究光子模数转换技术的关键技术和方法，对光子模数转换技术的应用和发展具有重要的意义。

本文将围绕光子模数转换技术展开研究，首先介绍其基本原理和背景知识，然后对CMOS工艺和光子器件进行深入分析和优化，提出了一种基于CMOS工艺实现的光子模数转换方法，最

后通过实验验证了所提出的方法的可行性和优越性。

二、光子模数转换技术的基本原理和背景知识

光子模数转换技术的基本原理是通过光电器件将模拟光信号转换为数字光信号。其中，光电器件通常包括光伏二极管、光电倍增管、光阻存储器等，这些器件可以将光信号转换为电信号，并且能够实现信号增益、调制和控制等功能。在数字光信号的处理方面，通常采用光子计算机、光子存储器等技术实现。

全光交换网络的技术发展与演进趋势

周敏;张健;王寅

【摘要】In the 5G era, growth of network traffic is driven by the development of emerging services, especially the burst of east-west traffic. The network evolved from a multi-layered planar architecture to a three-dimensional architecture, thereby promoting the development and application of all-optical switching technology. The development and technology evolutions of optical switching architecture were introduced, the key enabling technologies and applications of all-optical switching equipment were described, and the future trends of all-optical switching technology were discussed.%5G时代,新兴业务发展驱使网络带宽增长,尤其是横向突发流量的暴增,网络由多层平面架构向立体架构演进,由此促进全光交换技术的发展和应用.介绍了光交换网架构的发展历史及技术演进,阐述了目前全光交换设备的关键技术能力及应用,并探讨了未来全光交换技术的演进趋势.

光电转换技术进展及应用

随着科技的飞速发展，光电转换技术在能源领域得到了广泛的

关注和应用。光电转换技术是通过将光能转化为电能的过程，可

以帮助人类充分利用太阳能资源，降低对化石燃料的依赖，实现

可持续发展。本文将对光电转换技术的进展及应用进行探讨。

光电转换技术主要涉及太阳能电池，也被称为光伏电池。太阳

能电池是通过光生电效应将光能转化为电能的半导体器件。过去

几十年来，太阳能电池的效率不断提高，成本不断降低，使得太

阳能成为一种可行的清洁能源。目前，主流的太阳能电池技术主

要包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。

单晶硅太阳能电池是目前最为成熟的太阳能电池技术之一。它

采用高纯度的硅单晶材料制成，具有高效率和较长的使用寿命。

然而，制造单晶硅太阳能电池的成本相对较高，限制了其大规模

应用。相比之下，多晶硅太阳能电池使用的是晶体结构不规则的

多晶硅材料，因此成本较低。然而，其效率相对较低。薄膜太阳

能电池则采用薄膜材料，如硅薄膜、铜铟镓硒薄膜等，具有灵活

性和较低的成本，但其效率有待进一步提高。

除了太阳能电池，还有其他一些光电转换技术也呈现出了不同

的应用前景。例如，光热转换技术可以利用光能产生热能，用于

太阳能热水器、太阳能发电站等领域。此外，光学玻璃纤维传输

技术可以将光信号转换为电信号，用于光纤通信系统，实现高速、高带宽的数据传输。

在应用方面，光电转换技术已经在许多领域得到了广泛的应用。首先是太阳能发电领域。随着技术的进步，太阳能电池的成本不

断降低，效率逐渐提高，使得太阳能发电成为一种可持续发展的

基于孤子效应的全光模数转换方案

在折射率与光强相关的介质中，由于克尔效应的存在，时变的信号强度将产生时变的折射率，时变的折射而
率导致时变的相位，造成传播的光脉冲上各点的频率与初
始值不同．。由于相位波动是与光强度相关的，冲的不脉同部分所经历的相移就不同，因此将导致频率啁啾。此时，脉冲的上升沿产生频率红移（向低频端）而下降沿的频率，发生蓝移（向高频端）这样的现象称之为自相位调制效应．
仿真．真结果表明，方案对全光模数转换是行之有仿该
效的．
在光纤中传播的光脉冲状态可以用非线性薛定谔方
程（（）表示．式１）
鼍收稿日期：０９—１ — ５２０１０
作者简介：陈颖（９６）男，１８一，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事பைடு நூலகம்电子器件与光电传感器方面的研究
时分复用和波分复用技术，开始采用光电混合方式的时分
非线性效应产生了传播信号的载波相关相位调制称之为
克尔效应．
复用或波分复用方式的模数转换器，通过并行处理的方式来降低所需要的采样速率．进入２１世纪后，随着人们

高速光模-数转换关键技术

通过自行研制的高精度机械式微拉伸器进行了色散补偿。实验结果验证了其有效性。关键词：光模一转换；采样率：有效比特数数
中图分类号：Ｔ２Ｎ９９文献标识码：Ａ文章编号：１０ — ２６２１）３０｜ — ５０７２７（０００ — ４７０４
足宇宙探测、超宽带雷达等应用需求。研究了基于光纤的高速光Ａ／Ｄ转换系统。对被动锁模光纤激针
光器重复频率低的不足，出了采用波分复用（提ＷＤＭ）光时分复用（ＤＭ）结合来提高采样脉冲和ＯＴ相
ｗａｔｄｅｎｔｉｐｒｎｏｄｒｔｖｒｏｅｔｅｓｏｔｇｆｌｗｅｅｉｏｅｕｎｙｏｅｐｌｅｌｓｒｓｓｕｉｄｉｈｓｐａｅ．Ｉｒｅｏｏｅｃｍｈｈｒｅｏｏｒｐｔｔｎｆｑｅｃｆｔｕｓａｅａｉｒｈｅｔｎｆｏｉｉｍｔｇｒｍａａｓｖｌｍｏｅ・ｃｅｆｂｒａｅ，ｂｔｔｅｐｓｉｅｙｄｌｋｄｉｅｌｓｒｏｏｈｈＷＤＭａｄｈｅｎｔＯＴＤＭａｐｏｃｅｗｅｅｐｒａｈｓｒｐｏｏｅｔｇｎｒｔｔｅｉｈ－ｐｅｏｔａｓｍｐｉｇｌｃｓｇａｓａｄｈｅｅｐｏｌｍｓｎｈｓｒｐｓｄｏｅｅａｅｈｈｇｓｅｄｐｉｌａｌｃｏｋｉｎｌ，ｎｔｋｙｒｂｅｉｔｉｃｎ

光电转换的原理

光电转换是指将光能转化为电能的过程，是一种重要的能源转换技术。光电转

换技术的发展，可以为人类提供更加清洁、高效的能源，对于环境保护和可持续发展具有重要意义。本文将从光电转换的基本原理、光电转换材料和光电转换器件等方面进行介绍。

光电转换的基本原理是光生电效应。当光线照射到半导体材料表面时，光子能

量被半导体吸收并激发了一些电子，使得这些电子跳出原子轨道，形成自由电子和正空穴。这些自由电子和正空穴在半导体材料内部运动，从而产生了电流。这种现象被称为外光电效应。此外，还存在内光电效应，即在半导体材料内部发生光生电子-空穴对的产生。

光电转换材料是实现光电转换的关键。目前，常用的光电转换材料包括硅、镓

砷化镓、铟磷化铟等。其中，硅是最常用的光电转换材料，因为它丰富、廉价，并且具有较好的光电转换效率。而镓砷化镓和铟磷化铟等III-V族化合物半导体材料，由于其较高的光电转换效率和较宽的光谱响应范围，也被广泛应用于光电转换器件中。

光电转换器件是将光电转换材料制作成的各种器件，用于实现光能到电能的转换。常见的光电转换器件包括光伏电池、光电二极管、光电晶体管等。光伏电池是光电转换技术中应用最为广泛的一种器件，它可以将太阳能直接转化为电能，是目前最为成熟的光电转换技术之一。光电二极管和光电晶体管则主要用于光信号的检测和放大，广泛应用于通信、传感器等领域。

总的来说，光电转换技术作为一种清洁、高效的能源转换技术，对于解决能源

短缺和环境污染问题具有重要意义。随着光电转换材料和器件的不断发展和改进，光电转换技术的应用范围将会更加广泛，光电转换效率也将会不断提高。相信在不久的将来，光电转换技术将会成为人类能源领域的重要支柱之一。

全光计算技术的研究进展及应用前景

全光计算技术的研究进展及应用前景在信息技术领域，计算机的发展可以说是硬件与软件的共同发展。计算机硬件一直在追求速度的提升，而计算机软件则在让系

统的性能得到更好的充分利用。但是，传统的计算方式已经到了

瓶颈，无法继续满足日益增长的计算需求以及大数据分析的需求。这时，全光计算技术作为一种新的计算模式，出现在了大家的视

野里。全光计算技术通过利用光信号进行数字信息处理，可以在

计算速度、能耗、处理容量等方面带来革命性的变化。本文将探

讨全光计算技术的研究进展及应用前景。

一、全光计算技术的研究进展

1. 全光计算的理论基础

全光计算的基础技术是利用光波的干涉、折射、自聚焦等特性，将光信号作为计算中信号的运输与储存媒介。在传统计算机的冯·诺伊曼结构中，计算机中的运算与存储分别对应了运算器和存

储器。而在全光计算中，理论上，由于光信号传播的速度非常快，光信号可以在一个瞬间完成存储和运算的过程。利用这一特性，

全光计算可以在速度上远远超越传统计算机。

2. 模干涉全光计算芯片技术

模干涉全光计算芯片，也是全光计算技术中的一种发展。该芯片利用光的干涉特性，将输入的信号解析成多个分量，并通过控制干涉相位的方式来实现光信号的计算。该芯片的特点是可以处理多种不同类型的信号，包括图像、音频、文本等。同时在实现光信号计算的过程中，不需要进行频繁的电光转换，从而降低了能耗。目前，模干涉全光计算芯片的框架已经成熟，但是由于信号的干涉及相位控制的稳定性等问题仍需要解决。

3. 全光量子计算机理论

全光量子计算机理论是对利用光信号进行量子计算的探索，是在全光计算技术的基础上而开展的。利用量子纠缠状态的特性和光信号的速度快、传输距离远以及能够进行干涉等特性，全光量子计算机理论有望在未来成为破解加密算法和模拟量子物理系统等领域中的利器。不过在实际应用上的难度也是非常大的，现实的光量子计算机受到了来源不纯的光子、光路稳定、光散射、非线性等问题的限制。

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全光模数转换的原理及进展

韩顺利　胡为良　张　鹏

（中国电子科技集团公司第四十一研究所电子测试技术重点实验室，山东青岛２６６５５５

）摘要　由于电路时钟抖动和比较器弛豫等内禀属性的影响，传统的电子模数转换器已经不能满足高带宽数字信号处

理的发展。模数转换主要包括采样、量化和编码。全光模数转换引入光子技术来对模拟电信号采样和量化，可以提

高数字信号处理系统的性能，满足高速和高分辨率的需求，从而解决电子模数转换器的技术瓶颈问题。针对目前主要研究的全光模数方案，如泰勒方案、空间光干涉和偏振干涉的移相光量化方案、孤子自频移的方案、对称双波导长

周期波导光栅和波导阵列光栅的方案等，

介绍了其基本原理及实验方案，并对各种方案的特点进行了分析。关键词　信号处理；全光模数转换；光采样；光量化；电光调制器

中图分类号　ＴＮ９１１文献标识码　Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５０．０８００２５

Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ａｌｌ－Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－Ｄｉｇ

ｉｔａｌ　ＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＨａｎ　Ｓｈｕｎｌｉ　Ｈｕ　Ｗｅｉｌｉａｎｇ　Ｚｈａｎｇ　

Ｐｅｎｇ（Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｓｔ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｔｈｅ　４１ｓｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＣｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２

６６５５５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｈｅｒｅｎｔ　ｔｉｍｉｎｇ　ｊｉｔｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｌｏｃｋｉｎｇ　

ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ　ａｍｂｉｇｕｉｔｙ，ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ（ＡＤＣ）ｃａｎｎｏｔ　ｆｕｌｆｉｌｌ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｄｉｇ

ｉｔａｌｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｓａｍｐｌｉｎｇ，ｑｕａｎｔｉｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｄｉｎｇ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ　

ｐｈｏｔｏｎｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎａｌｏｇ　

ｓｉｇｎａｌ，ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ　ＡＤＣ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｈｉｇｈ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　

ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｈｅｎｃｅ，ｉｔｓｏｌｖｅｓ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ＡＤＣ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅｃｅｎｔｌｙ　

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ　ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｏｓｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｔａｙｌｏｒ　ｓｃｈｅｍｅ，ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　ａｎｄ　ｐ

ｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔｅｄｏｐｔｉｃａｌ　ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ（ＰＳＯＱ），ｓｏｌｉｔｏｎ　ｓｅｌｆ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　

ｓｈｉｆｔ，ｌｏｎｇ－ｐｅｒｉｏｄ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｇｒａｔｉｎｇ（ＬＰＷＧ）ａｎｄ　ａｒｒａｙｅｄｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｇｒａｔｉｎｇ（

ＡＷＧ），ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ　ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ｏｐｔｉｃａｌ　ｓａｍｐｌｉｎｇ；ｏｐｔｉｃａｌ　ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐ

ｔｉｃａｌ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒＯＣＩＳ　ｃｏｄｅｓ　０

７０．４５６０；０６０．４５１０；０７０．１１７０收稿日期：２０１３－０３－０８；收到修改稿日期：２０１３－０４－２８；网络出版日期：２０１３－０７－

１１作者简介：韩顺利（１９８２—）

，男，博士，工程师，主要从事光电测量仪器及红外技术等方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｉｑ

ｄ＠ｅｉ４１．ｃｏｍ１　引言

数字信号在处理和传输方面有着诸多模拟信号所不具备的优势。高性能模数转换器作为模拟传感器与数字信号处理系统之间的纽带，性能指标要求也越来越高，无论是瞬息变化过程的观测与记录，还是超宽带通信、电子对抗、超宽带雷达接收机、人工智能系统、电子侦察、导航、核武器检测、飞行器身份识别、软件无线

电等应用领域［１－２］，都要求ＧＳ／ｓ量级以上的采样速率，

而且相应的精度要求也越来越高。因此模数转换（ＡＤＣ）

技术的研究越来越成为现代数字信号处理中非常核心的关键技术。由于器件本身的限制，电子ＡＤＣ在采样保持电路弛豫时间、

采样时钟精度等诸多方面存在着无法克服的瓶颈问题，不能满足高速高精度模数转换的需求，限制了电子ＡＤＣ的发展。而利用光子技术实现模数转换在复用、脉冲时间抖动、处理信号带宽、抗干扰、远距离传输等方面表现出显著优势，因此随着锁模激光器、光学器件和全光量化编码方案的不断发展进步，将光子计数引入到对模拟电信号的采样和量化过程中，突破

电子ＡＤＣ的瓶颈，实现高速信号模数转换，逐渐成为全世界的研究热点。国内主要是清华大学、电子科技大学、上海交通大学等科研机构进行了先期研究，并取得了一定的成果。本文对目前主要的全光ＡＤＣ方案研究予以总结，介绍了各方案的基本原理，并分析了它们的特点。

２　基本原理

全光模数转换是利用全光的方法，实现高速光采样并在光域完成量化的过程。利用锁模激光器产生高重复频率的采样光脉冲序列，然后采样光脉冲对待测模拟电信号进行电光采样，利用光子技术对采样后的光脉冲进行全光量化和编码，通过特定的阈值判决电路和软件处理，最终得到与之对应的数字信号。由于采样以及量化编码过程都是通过引入了光子技术的全光量化方案，因此可以从原理上避开电子ＡＤＣ的瓶颈问题。

３　全光模数转换的研究进展

３．１　泰勒全光模数转换方案

全光模数转换中最著名的方案当属Ｔａｙｌｏｒ［３］提出的相位编码光采样的光学ＡＤＣ方案。其基本原理如图１所示，锁模激光器产生稳定的窄采样光脉冲，利用马赫－曾德尔（Ｍ－Ｚ）型电光调制器输出光强随调制器驱动电压变化而周期性变化的特点，通过并行的电光调制器组成光学采样器对光脉冲进行强度调制，实现对模拟电信号的光采样；利用电极长度依次加倍的调制器阵列产生周期倍增的调制特性曲线，对调制器的输出

光强进行阈值判决，如果大于最大输出光强的一半则输出１，反之则输出０，从而实现对０～２　Ｖ

π（Ｖ

为半波

电压）电压范围的３ｂｉｔ量化。目前Ｔａｙｌｏｒ方案已经能实现量化精度４ｂｉｔ、采样率１ＧＳ／ｓ和量化精度３ｂｉｔ、采样率１０ＧＳ／ｓ的全光ＡＤＣ。

图１泰勒全光模数转换原理图

Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　Ｔａｙｌｏｒ　ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ　ＡＤＣ

此方案结构简单，编码效率高；但系统量化精度的提高需要通过成倍增加调制曲线的周期数目，要求多路并行的电光调制器的半波电压之间成倍增的关系，这就要求最高位调制器的半波电压随量化精度的增加而指数上升，设计难度大。

３．２　基于空间光干涉的移相光量化ＡＤＣ

瑞典Ｃｈａｌｍｅｒｓ大学Ｓｔｉｇｗａｌｌ等［４］提出了基于相位调制空间干涉的移相光量化方案。其基本原理是：模拟电信号通过Ｍ－Ｚ调制器（ＭＺＭ）一臂中的相位调制器来调制该路光脉冲的相位，利用空间探测器阵列探测输出光的强度。通过精密调节空间位置，使任意相邻两个探测器由空间位置引起的附加相移的差值为π／Ｎ，从而使得Ｎ个探测器测得的输出光强与相位调制器所加载电压幅度之间的输出特性曲线有π／Ｎ的相移。以４个探测器为例，移相光量化传输特性曲线及编码原理如图２所示。目前该方案已经能实现有效比特位３．６ｂｉｔ，采样率４０ＧＳ／ｓ的量化结果。由于噪声的影响以及量化通道数的限制，输出位数通常小于４ｂｉｔ。

此方案提高量化精度只需要通过精确调整探测器的空间位置减小相邻通道之间的相位差，不需要多个相位调制器实现复杂的倍增多周期调制特性曲线，避免了多个相位调制器之间信号同步和频响一致性的问