TWI673559B - 使用連續波雷射及導自多頻光學信號的時序基準之類比對數位轉換器及相關方法 - Google Patents

使用連續波雷射及導自多頻光學信號的時序基準之類比對數位轉換器及相關方法 Download PDF

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Abstract

一種類比對數位轉換器可產生表示一類比輸入電信號之一數位信號。一連續波雷射可鎖定至一多頻光學信號且產生一連續波光學信號。一光學振幅調變器可使用該類比輸入電信號調變該連續波光學信號以產生一第一調變光學信號。一光學分光器可將該第一調變光學信號分光成多個調變光學信號。多個偵測器可將該等調變光學信號轉換成各別調變電信號。以一快閃轉換器拓樸而配置之多個比較器及一解碼器可接收該等調變電信號，且使用導自該多頻光學信號之一時序基準輸出該數位信號。使用諸如由一光子振盪器產生之一相對高精度多頻光學信號可產生一相對高精度裝置。

Description

使用連續波雷射及導自多頻光學信號的時序基準之類比對數位轉換器及相關方法
發明領域
本發明係關於一種類比對數位轉換器。
發明背景
隨著通訊系統隨時間而演進，數位資料速率要求傾向於增大。因此，一直在努力以改良類比對數位轉換器之速度、準確度及頻寬。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種類比對數位轉換器，其包含：一連續波雷射，其經組配以鎖定至一多頻光學信號且產生一連續波光學信號；一光學振幅調變器，其經組配以使用一類比輸入電信號調變該連續波光學信號以產生一第一調變光學信號；一光學分光器(splitter)，其經組配以將該第一調變光學信號分光成多個調變光學信號；多個偵測器，其經組配以將該等調變光 學信號轉換成各別調變電信號；以一快閃轉換器拓樸(a flash converter topology)而配置之多個比較器及一解碼器，該多個比較器及該解碼器經組配以：使用導自該多頻光學信號之一時序基準自該等調變電信號產生表示該類比輸入電信號之一數位信號，以及輸出該數位信號。
100‧‧‧類比對數位轉換器
102‧‧‧數位信號
104‧‧‧類比輸入電信號
106‧‧‧光子振盪器
108‧‧‧多頻光學信號
110‧‧‧連續波雷射
112‧‧‧連續波光學信號
114‧‧‧光學振幅調變器
116‧‧‧第一調變光學信號
118‧‧‧選用光學放大器
120‧‧‧經放大之第一調變光學信號
122‧‧‧光學分光器
124‧‧‧調變光學信號
126‧‧‧偵測器
128‧‧‧調變電信號
130‧‧‧比較器
132‧‧‧解碼器
134‧‧‧多頻光學信號之複本
136‧‧‧光偵測器
138‧‧‧多頻電信號
140‧‧‧帶通濾波器
142‧‧‧時序基準
200‧‧‧方法
202、204、206、208、210、212‧‧‧操作
圖1展示根據一些實例的類比對數位轉換器之實例的方塊圖。
圖2展示根據一些實例的用於產生表示類比輸入電信號之數位信號之方法的流程圖。
貫穿若干視圖，對應參考標號指示對應部件。圖式中之元件未必按比例繪製。圖式中所展示之組配僅僅為實例，且不應被認作以任何方式限制本發明之範疇。
較佳實施例之詳細說明
光子振盪器可產生穩定多頻光學信號。在一些實例中，光子振盪器可鎖定至原子躍遷，此可確保多頻光學信號中之頻率保持隨時間而穩定。多頻光學信號可用以使連續波雷射之波長穩定。多頻光學信號亦可用以產生具有穩定頻率之單頻電信號。
來自連續波雷射之輸出及單頻電信號可用以產生具有極高效能之類比對數位轉換器。來自連續波雷射之光可被調變、放大、分光成多個光束且在快閃轉換器 拓樸中偵測到。快閃轉換器拓樸中之比較器可與導自單頻電信號之時序基準同步地被觸發。以此類方式使用相對高效能光子振盪器可縮減抖動及相位雜訊對類比對數位轉換器之影響。
在一特定實例中，一種類比對數位轉換器可產生表示一類比輸入電信號之一數位信號。一連續波雷射可鎖定至一多頻光學信號且產生一連續波光學信號。一光學振幅調變器可使用該類比輸入電信號調變該連續波光學信號以產生一第一調變光學信號。一光學分光器可將該第一調變光學信號分光成多個調變光學信號。多個偵測器可將該等調變光學信號轉換成各別調變電信號。以一快閃轉換器拓樸而配置之多個比較器及一解碼器可接收該等調變電信號，且使用導自該多頻光學信號之一時序基準輸出該數位信號。使用諸如由一光子振盪器產生之一相對高精度多頻光學信號可產生一相對高精度裝置。
前述段落僅為類比對數位轉換器之一個實例的概述，且並不意欲以任何方式為限制性的。下文詳細地描述其他合適實例。
圖1展示根據一些實例的用於產生表示類比輸入電信號104之數位信號102的類比對數位轉換器100之實例的方塊圖。圖1展示類比對數位轉換器100之僅一個組配；亦可使用其他合適組配。
光子振盪器106可經組配以產生多頻光學信號108，多頻光學信號108具有包括規則隔開之頻譜線的 頻譜。在一些實例中，多頻光學信號108可被稱作光梳(optical comb)。當在時域而非頻域中檢視時，多頻光學信號108可表現為一串光學脈衝。在一些實例中，脈衝之持續時間可為大約一飛秒或幾飛秒，而脈衝之間的間距可為大約一皮秒或幾皮秒。在一特定實例中，多頻光學信號108可具有一頻譜，該頻譜具有以200MHz之間距橫越200THz延伸的規則隔開之頻譜線。200THz值可產生約5飛秒之脈衝持續時間。200MHz值可產生約5奈秒之脈衝至脈衝間距。此僅為一個特定實例；亦可使用其他合適數值。在另一特定實例中，多頻光學信號108可具有一頻譜，該頻譜具有以200MHz及更高之間距在125THz至250THz之頻率範圍內延伸的規則隔開之頻譜線。此等僅為兩個數值實例，且應理解，亦可使用其他合適數值。
名為「用於使用兩光子銣躍遷產生超穩定頻率基準之精密光子振盪器及方法(Precision photonic oscillator and method for generating an ultra-stable frequency reference using a two-photon rubidium transition)」且在2014年7月15日頒予威金生(Wilkinson)等人之美國專利第8,780,948號(在下文中被稱作'948)中詳細地描述合適光子振盪器106之實例。美國專利第8,780,948號之完整揭示內容以引用方式併入本文中。在'948專利中被稱作光學波長之超連續譜的'948專利之元素115可由合適定位之分束器自'948專利之系統中引導，且為合適多頻光學信號108之實例。鎖定至多頻 光學信號108之連續波雷射可具有極窄線寬，諸如具有介於1Hz與5Hz之間或視情況低於1Hz的線寬。此類窄線寬連續波雷射可產生遍及合適頻寬具有小於10飛秒之抖動的信號。對於需要相對低相位雜訊之應用，諸如用於類比對數位轉換器之時脈，將連續波雷射鎖定至多頻光學信號108可縮減輸出之相位雜訊，達可直接使用連續波雷射輸出的程度(例如，無額外準備電路)。以此方式鎖定連續波雷射可以不需要使用準備電路，諸如額外鎖相迴路、升/降轉換或再定時。縮減下游所需要之電路可使'948專利之裝置特別良好地適合用於類比對數位轉換器100中。
'948專利之系統的輸出可包括兩個量。
第一輸出量可為單頻電信號，該單頻電信號可為具有匹配於多頻光學信號108之單一線之頻率(f)的週期性信號。在一些實例中，單頻電信號可具有前及/或後邊緣，該等前及/或後邊緣具有與光子振盪器106相同之精度。在圖1之類比對數位轉換器100中，時序基準142(下文所論述)可對應於此單頻電信號。
第二輸出量可為連續波光學信號，該連續波光學信號可包括雷射光，該雷射光具有恆定功率(例如，不隨時間而調變)且具有鎖定至光子振盪器106之波長(λ)。在圖1之類比對數位轉換器100中，連續波光學信號112(下文所論述)可對應於'948中所論述之連續波光學信號。
'948專利之系統的輸出量可按需要而引導 至下游元件，該等下游元件可利用處於單一頻率(f)之低抖動電信號及具有良好控制波長(λ)之連續波雷射光。'948專利之裝置僅為合適光子振盪器106之一個實例；亦可使用產生高精度多頻光學信號或高精度光梳之其他合適裝置。多頻光學信號108可另外形成下文詳細地所論述之時序基準142。
連續波雷射110可鎖定至多頻光學信號108。連續波雷射110可回應於多頻光學信號108而產生處於指定波長之連續波光學信號112。在一些實例中，連續波雷射110可直接鎖定至多頻光學信號108，而不使用準備電路，諸如額外鎖相迴路、升/降轉換或再定時。在其他實例中，可另外使用此類準備電路。在一些實例中，連續波雷射110可包括伺服系統以將連續波雷射110之波長鎖定至多頻光學信號108，使得該波長基於多頻光學信號108之穩定性而穩定。在一些實例中，伺服系統可包括閉合迴路回饋系統。在一些實例中，閉合迴路回饋系統可產生在連續波雷射110之波長越過所要波長時越過零的電錯誤信號。在一些實例中，閉合迴路回饋系統可回應於錯誤信號而使諸如電壓或腔長度之物理性質變化，以確保連續波雷射110之波長保持鎖定至所要波長。在一些實例中，連續波雷射110可具有介於1525nm與1625nm之間的波長，1525nm及1625nm包括在內，該波長可包括常用於基於光纖之通訊系統中之C頻帶及L頻帶。在一些實例中，連續波雷射110可具有對應於常用於基於光纖之 通訊系統中之C頻帶或L頻帶中之一者中的指定通道的波長。亦可使用其他波長。
光學振幅調變器114可使用類比輸入電信號104調變連續波光學信號112以產生第一調變光學信號116。在一些實例中，光學振幅調變器114包括馬赫-陳德爾(Mach-Zehnder)干涉計，其經組配使得類比輸入電信號104以操作方式調變光學信號112。在一些實例中，可使用雙重光學振幅調變器，其可被稱作巢套式(nested)馬赫-陳德爾干涉計。亦可使用其他合適調變器。
在一些實例中，選用光學放大器118可放大第一調變光學信號116以形成經放大之第一調變光學信號120。在一些實例中，光學放大器118可為半導體光學放大器，其可使電流通過半導體增益介質以放大通過光學放大器118之光。光學放大器118相比於相當的全電放大器可具有較大頻寬，此可為有利的。亦可使用其他合適放大器。
光學分光器122可將第一調變光學信號116(或在存在選用光學放大器118之情況下為120)分光成多個調變光學信號124。在一些實例中，光學分光器122可將第一調變光學信號116或120分光成2n-1個調變光學信號124，其中n為表示數位信號102之位元的數目。在一些實例中，n可為大於或等於二之整數，諸如二、四、八、十二、十六或另一合適值。在一些實例中，調變光學信號124在針對光學分光器122之典型製造公差內彼此相 同。調變光學信號124皆具有隨時間而彼此相同之振幅變化，且彼此同相(例如，彼此同步)。使用2n-1個調變光學信號124可與下文更詳細地所論述之下游快閃轉換器拓樸相容。
多個偵測器126可將調變光學信號124轉換成各別調變電信號128。在一些實例中，偵測器126可為可將光轉換成電流之光電二極體。亦可使用其他合適偵測器126。在一些實例中，多個調變光學信號124皆為彼此之複本，多個偵測器126皆彼此相同(或在使用典型製造公差之情況下實際接近)，且多個調變電信號128皆具有隨時間而彼此相同之電壓及/或電流變化。在一些實例中，多個偵測器126可包括2n-1個偵測器，其中n為用於數位信號102之位元的數目。
多個比較器130及一解碼器132可以快閃轉換器拓樸而配置。在典型快閃轉換器拓樸中，向每一比較器同時施加一類比信號，且每一比較器在其另一輸入上具有一不同參考電壓，其中該等電壓以等效於一個最低有效位元之電壓增量而遞升。在一些實例中，施加至快閃轉換器拓樸中之比較器130的電壓可自最低有效位元(LSB)至最高有效位元(MSB)而增大。在包括圖1所展示之實例的一些實例中，參考電壓係由串聯連接之一系列電阻器提供，該等電阻器有時被稱作電阻器梯級(resistor ladder)。在此等實例中，電阻器皆彼此相同(或在使用典型製造公差之情況下實際接近)。在其他組配中，偵測器 可在無電阻器之情況下具有可設定臨限值。在其他組配中，電壓可由合適連接之電容器提供。在一些實例中，解碼器132可使用溫度計碼解碼，但亦可使用其他此類解碼方案。在一些實例中，多個比較器130可包括2n-1個比較器，其中n為用於數位信號102之位元的數目。
在一些實例中，多個比較器130及該解碼器132可接收調變電信號128，且使用導自多頻光學信號108之時序基準142輸出表示類比輸入電信號104之數位信號102。在一些實例中，比較器130可與時序基準142同步地觸發比較。在一些實例中，時序基準142可為週期性電信號，諸如對應於多頻光學信號108之一個頻率的脈衝式信號。
在一些實例中，光偵測器136可將多頻光學信號108或多頻光學信號108之複本134轉換為多頻電信號138。多頻電信號138可具有包括存在於多頻光學信號108中的規則隔開之頻譜線的頻譜。在一些實例中，光偵測器136可具有足夠快以包括多頻光學信號108中之頻譜線之上端的回應時間。在一些實例中，光偵測器136可具有足夠大以包括多頻光學信號108中之頻譜線之全部或經選擇部分的頻寬。
在一些實例中，帶通濾波器140可使多頻電信號138之頻譜的除第一頻譜線之外的所有頻譜線衰減以在第一頻譜線之頻率下形成單頻電信號。單頻電信號可形成時序基準142。在一些實例中，帶通濾波器140可自光 梳選擇單一線(有時被稱作齒)。經選擇頻譜線之頻率可對應於類比對數位轉換器100之取樣率。
在一些實例中，類比對數位轉換器100可視情況包括剛好在光學放大器118之前的光徑中之額外精細延遲，該延遲可針對射頻時脈與調變信號之間的製造歪度進行調整。
圖2展示根據一些實例的用於產生表示類比輸入電信號104之數位信號102之方法200的流程圖。該方法可由諸如100(圖1)之類比對數位轉換器執行。圖2之方法200僅為用於產生表示類比輸入電信號104之數位信號102之方法的一個實例；亦可使用其他合適方法。
在操作202處，類比對數位轉換器100可將連續波雷射鎖定至多頻光學信號以產生連續波光學信號。
在操作204處，諸如114之光學振幅調變器可使用類比輸入電信號調變連續波光學信號以產生第一調變光學信號。在一些實例中，調變可包括運用馬赫-陳德爾干涉計調變連續波光學信號。在一些實例中，調變可包括運用類比輸入電信號調變馬赫-陳德爾干涉計之一個臂以產生第一調變光學信號。
在操作206處，類比對數位轉換器100可將第一調變光學信號分光成多個調變光學信號。
在操作208處，類比對數位轉換器100可將調變光學信號轉換成各別調變電信號。
在操作210處，類比對數位轉換器100可自 多頻光學信號導出時序基準。
在操作212處，以快閃轉換器拓樸而配置之多個比較器及一解碼器可接收調變電信號，且使用時序基準輸出表示類比輸入電信號之數位信號。在一些實例中，比較器可與時序基準同步地觸發比較。
在一些實例中，方法200可視情況進一步包括運用光子振盪器產生多頻光學信號。多頻光學信號可具有包括規則隔開之頻譜線的頻譜。
在一些實例中，方法200可視情況進一步包括將多頻光學信號轉換為多頻電信號。多頻電信號可具有包括規則隔開之頻譜線的頻譜。
在一些實例中，方法200可視情況進一步包括使多頻電信號之頻譜的除第一頻譜線之外的所有頻譜線衰減以在第一頻譜線之頻率下形成單頻電信號。單頻電信號可形成時序基準。
儘管已將本發明描述為具有實例設計，但可在本發明之精神及範疇內進一步修改本發明。因此，本申請案意欲涵蓋本發明使用其一般原理而進行的任何變化、使用或調適。此外，本申請案意欲涵蓋如在本發明所屬技術中之已知或習慣做法內且在所附申請專利範圍之限制內的與本發明之此類偏離。

Claims (20)

  1. 一種類比對數位轉換器，其包含：一連續波雷射，其經組配以鎖定至一多頻光學信號且產生一連續波光學信號；一光學振幅調變器，其經組配以使用一類比輸入電氣信號調變該連續波光學信號以產生一第一調變光學信號；一光學分光器，其經組配以將該第一調變光學信號分光成多個調變光學信號；多個偵測器，其經組配以將該等調變光學信號轉換成各別調變電氣信號；以一快閃轉換器拓樸(a flash converter topology)而配置之多個比較器及一解碼器，該等多個比較器及該解碼器經組配以：使用導自該多頻光學信號之一時序基準，自該等調變電氣信號產生表示該類比輸入電氣信號之一數位信號，以及輸出該數位信號。
  2. 如請求項1之類比對數位轉換器，其中該等比較器經組配以與該時序基準同步地觸發比較。
  3. 如請求項1之類比對數位轉換器，其中該光學振幅調變器為一馬赫-陳德爾(Mach Zehnder)干涉計。
  4. 如請求項1之類比對數位轉換器，其進一步包含一光學放大器，該光學放大器經組配以放大該第一 調變光學信號。
  5. 如請求項1之類比對數位轉換器，其中該光學分光器經組配以將該第一調變光學信號分光成2n-1個調變光學信號，其中n為用於該數位信號之位元的一數目。
  6. 如請求項5之類比對數位轉換器，其中：該等多個調變光學信號包括2n-1個調變光學信號；該等多個偵測器包括2n-1個偵測器；且該等多個比較器包括2n-1個比較器。
  7. 如請求項1之類比對數位轉換器，其進一步包含一光子振盪器，該光子振盪器經組配以產生該多頻光學信號，該多頻光學信號具有包括規律間隔之頻譜線的一頻譜。
  8. 如請求項7之類比對數位轉換器，其進一步包含一光偵測器，該光偵測器經組配以將該多頻光學信號轉換為一多頻電氣信號，該多頻電氣信號具有包括該等規律間隔之頻譜線的一頻譜。
  9. 如請求項8之類比對數位轉換器，其進一步包含一帶通濾波器，該帶通濾波器經組配以使該多頻電氣信號之該頻譜的除一第一頻譜線之外的所有頻譜線衰減以在該第一頻譜線之頻率下形成一單頻電氣信號，該單頻電氣信號形成該時序基準。
  10. 一種用於產生表示一類比輸入電氣信號之一數位信號之方法，該方法包含： 將一連續波雷射鎖定至一多頻光學信號以產生一連續波光學信號；使用一類比輸入電氣信號調變該連續波光學信號以產生一第一調變光學信號；將該第一調變光學信號分光成多個調變光學信號；將該等調變光學信號轉換成各別調變電氣信號；自該多頻光學信號導出一時序基準；運用以一快閃轉換器拓樸(a flash converter topology)而配置之多個比較器及一解碼器，使用該時序基準自該等調變電氣信號產生表示該類比輸入電氣信號之一數位信號；以及輸出該數位信號。
  11. 如請求項10之方法，其進一步包含與該時序基準同步地觸發該等比較器之比較。
  12. 如請求項10之方法，其中調變該連續波光學信號包含：運用一馬赫-陳德爾干涉計調變該連續波光學信號；以及運用該類比輸入電氣信號調變該馬赫-陳德爾干涉計之一個臂以產生該第一調變光學信號。
  13. 如請求項10之方法，其進一步包含運用一光子振盪器產生該多頻光學信號，該多頻光學信號具有包括規律間隔之頻譜線的一頻譜。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包含將該 多頻光學信號轉換為一多頻電氣信號，該多頻電氣信號具有包括該等規律間隔之頻譜線的一頻譜。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包含使該多頻電氣信號之該頻譜的除一第一頻譜線之外的所有頻譜線衰減以在該第一頻譜線之頻率下形成一單頻電氣信號，該單頻電氣信號形成該時序基準。
  16. 一種類比對數位轉換器，其包含：一連續波雷射，其經組配以鎖定至一多頻光學信號且產生一連續波光學信號；一光學振幅調變器，其經組配以使用一類比輸入電氣信號調變該連續波光學信號以產生一第一調變光學信號；一光學放大器，其經組配以放大該第一調變光學信號；一光學分光器，其經組配以將該第一調變光學信號分光成2n-1個調變光學信號，其中n為用於該數位信號之位元的一數目；多個2n-1個偵測器，其經組配以將該等調變光學信號轉換成各別調變電氣信號；以一快閃轉換器拓樸(a flash converter topology)而配置之多個2n-1個比較器及一解碼器，該等多個比較器及該解碼器經組配以使用導自該多頻光學信號之一時序基準，自該等調變電氣信號產生表示該類比輸入電氣信號之一數位信號，該等多個比較器經組配以與該時序基準同步地觸發比較。
  17. 如請求項16之類比對數位轉換器，其進一步包含一光子振盪器，該光子振盪器經組配以產生該多頻光學信號，該多頻光學信號具有包括規律間隔之頻譜線的一頻譜。
  18. 如請求項17之類比對數位轉換器，其進一步包含一光偵測器，該光偵測器經組配以將該多頻光學信號轉換為一多頻電氣信號，該多頻電氣信號具有包括該等規律間隔之頻譜線的一頻譜。
  19. 如請求項18之類比對數位轉換器，其進一步包含一帶通濾波器，該帶通濾波器經組配以使該多頻電氣信號之該頻譜的除一第一頻譜線之外的所有頻譜線衰減以在該第一頻譜線之頻率下形成一單頻電氣信號，該單頻電氣信號形成該時序基準。
  20. 如請求項16之類比對數位轉換器，其中該光學振幅調變器為一馬赫-陳德爾干涉計。
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