SE521903C2 - Förfarande och anordning för opto-elektronisk A/D-omvandling - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 521 903 SUMMERING Ett syftemål för föreliggande uppfinning är erbjudande av ett förfarande och en anordning för opto-elektronisk A/D-omvandling som undviker dessa problem och är kapabla till A/D-omvandling med hög hastighet.

Detta syftemål uppnås i enlighet med de bifogade patentkraven.

Kort uttryckt involverar uppfinningen en avstämningsbar laser, vars våg- längd moduleras av den analoga signalen. Den modulerade laserstrålen passerar genom ett gitter, som alstrar en avlänkad stråle. Avlänkningsvin- keln svarar mot den analoga signalens amplitud. Den avlänkade strålen träffar en specifik kinoform i en kinoformuppsättning. Den träffade kinofor- men alstrar ett motsvarande strålknippe som riktas mot en uppsättning fotodetektorer. Varje kinoform i uppsättningen producerar ett unikt strål- knippe, och varje knippe svarar mot ett unikt digitalt värde. Effektfördel- ningen på uppsättningen av fotodetektorer samplas för bestämning av det digitala värdet.

Det beskrivna arrangemanget har flera fördelar: 1. Det är möjligt att uppnå A/D-omvandling vid mycket höga samp- lingstakter, mer än 1 gigasampel per sekund för en upplösning på 6-8 bitar. 2. Flera vitala element som används för den faktiska A/D-omvandlingen (gitter och kinoformer) utgörs av stabila passiva element som ej är känsliga för samplingsfrekvensen. 3. Själva A/ D-omvandlaren har en låg effektförbrukning (omkring 10 mW för lasern och 10 mW per digital bit). 4. Själva A / D-omvandlaren är liten, i typfallet mindre än 20 x 4 x 1 mrn3* 10 15 20 25 30 521 903 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen samt ytterligare syftemål och fördelar som uppnås med denna förstås bäst genom hänvisning till nedanstående beskrivning och de bifogade ritningarna, i vilka: Fig. 1 är ett schematiskt diagram som illustrerar en utföringsform av en anordning i enlighet med föreliggande uppfinning; Fig. 2 är ett diagram liknande fig. 1, men med en annan analog insignalamplitud; Fig. 3 illustrerar en annan utföringsform av en anordning i enlighet med föreliggande uppfinning; Fig. 4-11 illustrerar uppförandet av utföringsformen i fig. 3 för olika analoga insignalamplituder; Fig. 12 är ett blockschema som schematiskt illustrerar en utförings- form av en behandlingsenhet i en A/ D-omvandlare i enlighet med föreliggan- de uppfinning; Fig. 13 är ett blockschema som schematiskt illustrerar en annan utföringsform av en behandlingsenhet i en A/ D-omvandlare i enlighet med föreliggande uppfinning; Fig. 14 illustrerar uppförandet av utföringsformen i fig. 3 när det analoga värdet ligger nära eller på gränsen mellan tvä digitala värden; Fig. 15 illustrerar en utföringsform av ett Q-dimensionellt fotodetektor- arrangemang för en A/ D-omvandlare i enlighet med föreliggande uppfinning, Fig. 16 illustrerar en annan utföringsform av ett 2-dimensionellt fotodetektorarrangemang för en A/ D-omvandlare i enlighet med föreliggande uppñnning, och Fig. 17 är ett flödesschema som illustrerar A/ D-omvandlings- förfarandet i enlighet med föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 30 521 903 DETALJERAD BESKRIVNING I följande beskrivning kommer endast element som är nödvändiga för att förklara de grundläggande principerna för föreliggande uppfinning att beskrivas. Andra element som typiskt används i en praktisk implementering, t.ex. linser, har utelämnats.

Ytterligare, har element som utför samma eller liknande funktioner försetts med samma hänvisningsbeteckníngar.

I syfte att särskilja mellan optiska och elektriska signaler, representeras optiska signaler av streckade linjer och elektriska signaler av heldragna linjer i figurerna.

Fig. 1 är ett schematiskt diagram som illustrerar en utföringsform av en anordning i enlighet med föreliggande uppfinning. En avstämbar laser 10 (avstämbara lasrar beskrivs i [4]) våglängdsmoduleras (eller frekvensmodule- ras) av amplituden av en analog signal som skall digitaliseras. Den module- rade laserstrålen riktas mot ett gitter 12 (gittret 12 kan ersättas av ett s.k. "arrayed Waveguide grating" eller generellt av ett díspersivt element). Gittret kommer att avlänka den modulerade laserstrålen i olika riktningar, beroende på den våglängdsförskjutning som alstras av den analoga signalen. Den avlänkade strålen från gittret 12 når en uppsättning 14 av diffraktíva element, t.ex. en uppsättning kinoformer (kinoformer beskrivs i [5-61). Varje ~ diffraktivt element alstrar, då det träffar en avlänkad stråle, ett unikt knippe av utgående strålar, och varje strålknippe svarar mot ett unikt digitalt värde.

De diffrakterade strålarna riktas mot en uppsättning 18 av fotodetektorer, t.ex. PIN/nsn fotodetektorer, och kombinationen av aktiverade fotodetektorer kommer att svara mot det avkodade digitala värdet. Den faktiska avkodning- en av det digitala värdet utförs av en behandlingsenhet 20, som kommer att beskrivas mera i detalj nedan. 10 15 20 25 30 521 903 5 I fig. 1 finns 3 fotodetektorer 18, vilket motsvarar en upplösning på 3 bitar eller 8 nivåer. Följaktligen ñnns 8 diffraktiva element 14. I det allmänna fallet ñnns 2” diffraktiva element 14 för en upplösning på n bitar. I en n-bits utföringsform svarande mot fig. 1 skulle det finnas n fotodetektorer 18.

I syfte att minimera felaktig avkodning när en stråle delvis träffar två intilliggande diffraktiva element 14, föredrages användning av Gray-kod i stället för ordinår binär kod under digitaliseringsfasen, eftersom intilliggande Gray-koder endast skiljer sig åt med en bit. Om ett felaktigt beslut görs kommer den kvantiserade signalen därför att som mest ha ett fel på en bit.

Denna egenskap kommer att beskrivas närmare nedan.

I ñg. 1 träffas det översta diffraktiva elementet 18 av en avlänkad stråle.

Detta element svarar mot den största våglängden och således mot den största amplituden i den analoga signalen. Den största amplituden repre- senteras av kvantiseringsnivå 8, vilket svarar mot Gray-koden 100. Det översta diffraktiva elementet kommer alltså att producera en stråle som träffar endast en av fotodetektorerna 18.

I fig. 2 erfordrar en analog signal som svarar mot kvantiseringsnívå 6 ett diffraktionselement 14 som måste belysa alla tre fotodetektorerna, eftersom kvantiseringsnivå 6 svarar mot Gray-koden ll l.

Såsom illustreras i ñg. 1 och 2 erfordrar den beskrivna utföringsformen olika ~ antal diffrakterade strålar för alstring av olika Gray-koder. Detta betyder att effekten från ett diffraktivt element 14 fördelas över flera fotodetektorer 18, medan ett annat diffraktivt element kan fördela samma effekt över endast en fotodetektor. Detta arrangemang kan leda till svårigheter vid inställning av lämpliga detekteringströsklar i behandlingsenheten 12 vid mycket höga samplingstakter (>l0O Giga-sampel per sekund) och höga upplösningar (n>lO). ñg. 3 illustrerar en annan utföringsform av en anordning i enlighet med föreliggande uppfinning som undviker detta potentiella problem. lO 15 20 25 30 521 903 6 I utföringsformen i fig. 3 har antalet fotodetektorer i uppsättningen 18 dubblerats. De översta 3 fotodetektorerna detekterar den faktiskt önskade Gray-koden medan de nedersta 3 fotodetektorerna detekterar dess 2- komplement (l-bitar ersatta med O-bitar och omvänt). Med detta arrange- mang kommer varje diffraktivt element 14 alltid att ge upphov till 3 strålar (n strålar i det allmänna fallet) når det träffas av en avlänkad laserstråle. Detta kommer att garantera att varje Gray-kod detekteras på samma sätt och reducerar sannolikheten för falaktig avkodning av fotodetektorerna.

Fig. 4-1 1 illustrerar uppförandet av utföringsformen i fig. 3 för olika analoga insignalamplituder. Dessa figurer illustrerar de strålknippen som alstras för alla möjliga 8 kvantiseringsnivåer. Det noteras att varje diffraktivt element alstrar ett mönster innehållande 3 strålar, såsom angivits ovan. Det noteras också att för varje kvantiseringsnivå är alla strålar alltid riktade mot fotode- tektorer.

Fig. 12 är ett blockschema som schematiskt illustrerar en utföringsform av en behandlingsenhet 20 i en A/ D-omvandlare i enlighet med utföringsformen i fig. 1. Utsignalerna från de tre fotodetektorerna leds till motsvarande komparatorer 22. En gemensam tröskel TH från en tröskelkrets 24 subtra- heras från dessa insignaler. En klockgenerator 26 genererar en gemensam klocksignal CL för dessa 3 komparatorer 22, och varje klockpuls kommer att trigga parallell sampling av tecknet för skillnaden mellan de två insignalerna till varje komparator 22. Om skillnaden är positiv indikerar detta att motsva- ~ rande fotodetektor 18 belysts och resulterar detta i en bit med värdet "1". En negativ skillnad resulterar i en "0"-bit. Den resulterande Gray-koden på behandlingsenhetens 20 utgång kan översättas till ordinär binär kod genom en enkel tabelluppslagning.

Fig. 13 är ett blockschema som schematiskt illustrerar en annan utförings- form av en behandlingsenhet 20 i en A/D-omvandlare i enlighet med utfö- ringsformen i fig. 3. Denna utföringsform av behandlingsenheten 20 skiljer sig från utföringsformen i fig. 12 genom tröskelarrangemanget. I detta fall lO 15 25 30 521 903 7 bildas tröskeln till varje komparator 22 av utsignalen från motsvarande komplementära fotodetektor. Om sålunda utsignalen från en fotodetektor i den övre delen av uppsättningen 18 (ovanför den streckade linjen) är starka- re än utsignalen från dess motsvarande "Q-komplement" fotodetektor i den nedre delen av uppsättningen, kommer detta att resultera i en utsignalbit med värdet 1. I det motsatta fallet kommer resultatet att bli en bit med värdet O. Denna utföringsform karaktäriseras av att tröskeln är individuell för varje bit och även dynamisk.

Såsom noterats ovan föredrages digitalisering av den analoga signalen till Gray-kod i stället för ordinär binär kod, på grund av Gray-kodens lämpliga beteende vid övergångar från ett digitaliserat värde till ett intilliggande värde.

Fig. 14 illustrerar beteendet av utföringsformen i ñg. 3 när det analoga värdet ligger nära eller på gränsen mellan två digitala värden. Eftersom den avlänkade strålen har en viss bredd kommer den att belysa två diffraktiva element i detta fall. I fig. 14 kommer därför diffraktionsmönstren från både ñg. 10 och 1 l att aktiveras. I detta fall innebär detta att den översta fotode~ tektorn kommer att belysas av båda mönstren. Samma kommentar gäller den mittersta fotodetektorn i den komplementära delen av uppsättningen 18.

Detta innebär att de två översta bitarna (1 resp. O) fortfarande är säkra. Den nedersta fotodetektorn i den övre delen och dess motsvarande komplementä- ra fotodetektor i den undre delen är nu båda belysta, vilket gör den tredje biten osäker. Utfallet kommer att bero på vilken detektor som har den starkaste utsignalen. Fig. 14 illustrerar dock det faktum att endast en bit ~ kommer att vara osäker i dessa gränsfall. Resultatet är detsamma för alla andra gränsfall och kan även generaliseras till n-bits A/D-omvandlare.

I syfte att beskriva principerna för föreliggande uppfinning har ett 1- dimensionellt fotodetektorarrangemang antagits. i praktiken kan dock ett 2- dimensionellt arrangemang vara att föredraga. Fig. 15 illutrerar en utfö- ringsform av ett Q-dimensionellt fotodetektorarrangemang lämpligt för en A/D-omvandlare som arbetar i enlighet med utföringsformen i fig. l. Det illustrerade arrangemanget är avsett för en A /D-omvandlare med en upplös- lO 15 20 25 30 521 903 8 ning på 6 bitar. Fyllda cirklar representerar belysta fotodetektorer, medan ofyllda cirklar representerar icke belysta fotodetektorer.

Fig. 16 illustrerar en annan utföringsform av ett Z-dimensionellt fotodetek- torarrangemang lämpligt för en A/D-omvandlare som arbetar i enlighet med utföringsformen i fig. 3. Det noteras att den vänstra halvan av fig. 16 är identisk med utföringsformen i fig. 15, medan den högra halvan bildar den komplementära delen.

Fig. 17 är ett flödesschema som illustrerar A/ D-omvandlingsförfarandet i enlighet med föreliggande uppfinning. Proceduren börjar i steg S1. Steg S2 modulerar laserstrålens våglängd med en monoton funktion av den analoga signalen. i steg S3 omvandlas väglängdsmodulationen till en vinkelmodula- tion genom gittret 12. Steg S4 diffrakterar den avlänkade strålen till ett knippe av strålar med ett mönster som är karaktäristiskt för det träffade diffraktiva elementet. Steg S5 samplar knippets mönster för bestämning av motsvarande digitala värde. Detta avslutar digitaliseringen i steg S6. Denna procedur upprepas för varje nytt sampel.

Typiska värden för kritiska parametrar är: Laservåglängden (före modula- tion) är i typfallet av storleksordningen 1-2 l-ïm- Den mtala VåglängdsV-Elfía- tionen är i typfallet av storleksordningen O,l-O,2 llm- DCSSa íntêfVall kom- mer att medge en digital upplösning av storleksordningen 6-8 bitar vid en samplingstakt av storleksordningen l-100 Gigasampel per sekund (beroende ~ på den önskade upplösningen).

Gittret 12 bör företrädesvis producera en stor avlänkning av laserstrålen för en liten väglängdsförskjutning. Ett exempel på ett sådant gitter är s.k. "arrayed Waveguide gratings", se [7]. Genom användande av ett sådant arrayed Waveguide gratíng, diffraktíva vågledarelement och vågledardetekto- rer och en laservåglängd på exempelvis 0,8 lim» är det möjligt att íntfigffffa hela A/ D-omvandlaren, med undantag av lasern, monolitiskt på kisel.

Genom användande av exempelvis InP är det möjligt att integrera hela 521 903 9 omvandlaren på ett chip. Mycket kompakta arrayed Waveguide gratings har demonstrerats i InP.

Fackmannen inser att olika modifieringar och förändringar kan göras vid föreliggande uppfinning utan avvikelse från dess ram, definieras av de bifogade patentkraven. 10 15 20 25 30 [1] [2] [3] [41 [5] [7] 521 903 10 REFERENSER F.J. Leonberger, C.E. Woodward, C.A. Becker, “4-bit 828-mega- sample/ s electro-optic guided-wave analog-to-digital converter” , Appli- ed-Physics-Letters, Vo1.40, Nr.7, 1 April 1982, sid.565-568.

Y. Tsunoda et. al., “Combined optical A/D Conversion and page composition for holographic memory applications", Applied Optics, 18, Nr. 10, Oktober 1977, sid. 2607-2609.

A.S. Bhushan et. al., “150 Gsample/s wavelength division sampler with time-stretched output", ELECTRONICS LETTERS, 5 Mars 1988, Nr. 5, Sid 474-475.

Rigole P-J., Nilsson S., Berglind E., Blumenthal D.J. and Shell M.: "State-of-the-art: Widely tunable lasers", Invited paper at the In-Plane Semiconductor Lasers: from Ultraviolet to Mid-Infrared, SPIE's international symposium, Optoelectronics '97, sid. 382-393, San Jose, Februari 1997 L.B. Lesem et. al., “The Kínoforrn: A New Wavefront Reconstruction Device”, IBM J.Res. Develop. 13, sid. 149-155.

M. Larsson et. al., “Successive development optimization of resist kínoforms manufactured With direct-writing, electron-beam litho- graphy”, Applied Optics, Vol. 33, Mars 1994, sid. 1176-1179.

Okamoto K.: "Fundamentals technology and applications of AWGs", Proceedings of the European Conference on Optical Communication 1998 (ECOC'98), Vol. 2, sid. 7-47, Madrid, Spanien, 1998

Claims (12)

lO 15 20 25 30 521 903 I l PATENTKRAV

1. Opto-elektroniskt förfarande för omvandling av en analog signal till en digital signal, inkluderande stegen våglängdsmodulering av en smalbandig koherent elektromagnetiskt stråle på sådant sätt att våglängdsvariationen är en monoton funktion av den analoga signalens amplitud, omvandling av den våglängdsmodulerade strålen till en motsvarande vinkelmodulerad stråle, kännetecknat av diffraktering av den vinkelmodulerade strålen till ett knippe av diffrakte- rade strålar; och bestämning av den digitala signalen genom upprepad sampling av den spatiella effektfördelningen av de diffrakterade strålarna.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknad av bestämning av den digitala signalen i Gray-kodad form.

3. Opto-elektronisk anordning för omvandling av en analog signal till en digital signal, inkluderande organ (10) för våglängdsmodulering av en smalbandig koherent elek- tromagnetisk stråle medelst en monoton funktion av den analoga signalens amplitud, organ (12) för omvandling av den våglängdsmodulerade strålen till en motsvarande vinkelmodulerad stråle, kännetecknad av organ (14) för diffraktering av den vinkelmodulerade strålen till ett knippe av diffrakterade strålar; och organ (18, 20) för bestämning av den digitala signalen genom upprepad sampling av de diffrakterade strålarnas spatiella effektfördelning.

4. Anordning enligt krav 3, kännetecknad av att det våglängdsmodule- rande organet inkluderar en avstämbar laser (10). 10 15 20 25 521 9133; ;_'_1=. 12 'i

5. Anordning enligt krav 3 eller 4, kännetecknad av att nämnda om- vandlingsorgan innefattar ett gitter (12).

6. Anordning enligt krav 5, kännetecknad av att nämnda omvandlings- organ inkluderar ett s.k. arrayed waveguide grating (12).

7. Anordning enligt något av föregående krav 3-6, kännetecknad av att nämnda diffrakterande organ innefattar en uppsättning diffrakterande element (14).

8. Anordning enligt krav 7, kännetecknad av att nämnda bestämnings- organ inkluderar en uppsättning fotodetektorer (18).

9. Anordning enligt krav 8, kännetecknad av att nämnda diffraktionsor- gan inkluderar 2” diffraktionselement (14), där n är ett positivt heltal repre- senterande anordningens digitala upplösning.

10. lO. Anordning enligt krav 9, kännetecknad av att nämnda bestämnings- organ inkluderar n fotodetektorer (18).

11. 1 1. Anordning enligt krav 9, kännetecknad av att nämnda bestämnings- organ inkluderar 2n fotodetektorer (18) för bestämning av både den digitala signalen och dess Q-komplement.

12. Anordning enligt något av föregående krav 3-11, kännetecknad av organ (20) för bestämning av den digitala signalen i Gray-kodad form.