A/D转换方法和装置

1.一种将一个模拟信号转换成为一个数字信号的光电方法，包 含：
波长调制一个窄带相干电磁波束，从而使波长变化是所述模拟信 号的振幅的一个单调函数；
将所述波长调制的光束转换成为一个对应的角度调制光束，其特 征在于：
使所述角度调制的光束衍射成为一束衍射光束；以及
通过重复地对所述衍射光束的空间能源分布进行采样来确定所 述数字信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：以格雷码形式确定所 述数字信号。
3.一种将一个模拟信号转换成为一个数字信号的光电装置，包 含：
用于利用所述模拟信号振幅的一个单调函数来波长调制一个窄 带相干电磁波束的装置(10)；
用于将所述波长调制的光束转换成为一个对应的角度调制光束 的装置(12)，其特征在于：
用于使所述角度调制的光束衍射成为一束衍射光束的装置 (14)；以及
用于通过重复地采样所述衍射光束的空间能源分布来确定所述 数字信号的装置(18，20)。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述波长调制装置包 含一个可调激光器。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于：所述转换装置包 含一个光栅(12)。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述转换装置包含一 个排列的波导光栅(12)。
7.如先前权利要求3、4和6中任何一个所述的装置，其特征在 于：所述衍射装置包含一组衍射元件(14)。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述确定装置包含一 组光电检测器(18)。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：所述衍射装置包含2” 个衍射元件(14)，其中n是一个表示该装置数字分辨率的正整数。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述确定装置包含 n个光电检测器(18)。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述确定装置包含 2n个光电检测器(18)，用于确定所述数字信号和它的2-补码。
12.如先前权利要求3、4、6以及8-11中任何一个所述的装置， 其特征在于：装置(20)以格雷编码形式确定所述数字信号。

技术领域\n本发明通常涉及A/D转换，尤其是涉及一种高采样率的A/D转换 方法和装置。\n背景技术\n例如，电信系统的发展要求具有越来越高采样率的A/D转换。现 代快速电子A/D转换器通常在大约每秒50兆(Mega)抽样数的采样 率下操作，这与期望的大约每秒1千兆(Giga)或者更高的采样率相 比要小得多。A/D转换的光解决方法已经被建议用来增加采样率。 一个实例是一种包含成排的Mach-Zender干涉仪的方法，参见[1]。 然而，必要的调制器已经被认为是太庞大了。此外，这种方法带来了 关于在调制器之间的电串音的问题。其它缺点包含：终端包含一组 并联连接的电容器，而且需要一个脉冲光源。\n参考文献[2]描述了一种将一个电压转换成为一个角度、随后将 该角度转换成为一个二进制模式的布局。电压-角度转换依赖于力 学、声学或电光设备。这严重地限制了能获得的转换速率。此外， 从角度到二进制信号的转换是由一个不适于集成的庞大光学系统执 行的。\n另一种方法是一个使用线性调频光学脉冲“时间延伸”该模拟信 号的复杂排列，参见[3]。\n概述\n本发明的一个目的是提供一种光电A/D转换方法和装置，该方法 和转置能够避免这些问题，并且能够进行高速A/D转换。\n这个目的依据附加的权利要求得到实现。\n简要来说，本发明涉及一个可调激光器，它的波长由模拟信号进 行调制。调制的激光束经过一个光栅，由它产生一个偏转光束。偏 转角对应于该模拟信号的振幅。该偏转光束照射在一个开诺全息照 片(Kinoform)阵列中的一个特定开诺全息照片上。照射的开诺全 息照片产生一束对应的光束指向一个光电检测器阵列。在该阵列中 的每个开诺全息照片产生一束不同的光束，而且每束对应于一个不同 的数字值。在该光电检测器阵列上的能量分布被抽样以确定该数 值。\n所描述的布局具有以下几个优点：\n1.有可能以非常高的采样率、就6-8位的分辨率来说大于每秒1 Giga抽样数、实现A/D转换；\n2.几个用于实际A/D转换的重要元件(光栅和开诺全息照片) 是对取样频率不敏感的稳定无源元件；\n3.A/D转换器本身具有一个低电耗(大约有10mW用于激光器， 且每个数字位10mW)；\n4.实际的A/D转换器很小，通常少于20×4×1mm3。\n附图简要说明\n通过参考以下结合附图给出的说明，本发明连同它的更多目的和 优点将会得到更好的理解，其中：\n图1是一个说明了依据本发明的一个装置实施例的示意图；\n图2是一个类似于图1的框图，但是具有另一个模拟输入信号振 幅；\n图3说明了依据本发明的装置的另一个实施例；\n图4-11说明了图3中的实施例用于不同模拟输入信号振幅的工 作情况；\n图12是一个示意性地说明了在依据本发明的一个A/D转换器中 的一个处理单元的一个实施例的框图；\n图13是一个示意性地说明了在依据本发明的一个A/D转换器中 的一个处理单元的另一个实施例的框图；\n图14说明了图3中的实施例在模拟值附近或在两个数值之间的 临界上时的工作情况；\n图15说明了用于依据本发明的一个A/D转换器的一个二维光电 检测器排列的一个实施例；\n图16说明了用于依据本发明的一个A/D转换器的一个二维光电 检测器排列的另一个实施例；以及\n图17是一个说明了依据本发明的A/D转换方法的流程图。\n详细说明\n在下面的说明中，将仅仅描述阐明本发明基本原理所需的元件。 在实际实现中通常使用的其它元件、诸如透镜等被省略。\n此外，执行相同或类似功能的元件具有相同的参考标记。\n在附图中，为了区分光和电信号，将光信号用虚线表示，而电信 号用实线表示。\n图1是一个说明了依据本发明的一个装置实施例的示意图。一 个可调激光器10(可调激光器在[4]中进行了描述)由一个要被数字 化的模拟信号振幅进行波长(或频率)调制。调制的激光光束指向 一个光栅12(光栅12通常可以由一个排列的波导光栅或一个分散元 件来替代)。取决于由该模拟信号产生的波长偏移，光栅将该调制 的激光光束在不同的方向上偏转。该偏转光束从光栅12达到一个 衍射元件集合14，例如一组开诺全息照片(开诺全息照片在[5-6] 中进行了描述)。当由一个偏转光束照射时每个衍射元件产生一束 不同的输出光束，而且每个光束对应于一个不同的数字值。衍射光 束指向一个光电检测器阵列18，例如PIN/nsn光电检测器，而且激 活的光电检测器的组合将对应于解码的数字值。该数值的实际解码 由一个处理单元20执行，将在下面对它进行进一步的详细说明。\n在图1中有3个光电检测器18，它对应于3位或8电平的分辨 率。因此有8个衍射元件14。在通常情况下，有2n个衍射元件用 于n位的分辨率(其中n为正整数)。在一个对应于图1的n位实施 例中，将有n个光电检测器18。\n为了在一个光束部分地照射2个邻近的衍射元件14时最小化错 误的编码，最好是在数字化阶段期间使用格雷(Gray)码而不是普 通的二进制代码，这是由于邻近的格雷码仅仅相差1位。因此，如 果做出了一个错误判定，则量化的信号将至多具有一个1位的误差。 这个特征将在下面进行进一步描述。\n在图1中最高的衍射元件18由一个偏转光束照射。这个元件对 应于最大的波长，并因此对应于该模拟信号的最大振幅。这个最大 振幅由量化电平8表示，这对应于格雷码100。因此，最高的衍射 元件将产生一个仅仅照射一个光电检测器18的光束。\n在图2中，一个对应于量化电平6的模拟信号需要一个必须照射 所有3个光电检测器的衍射元件14，这是由于量化电平6对应于格 雷码111。\n如图1和2所示，说明的实施例需要不同数目的衍射光束以产生 不同的格雷码。这意味着：来自于一个衍射元件14的能源被分布给 几个光电检测器18，而另一个衍射元件可以将相同的能源仅仅分配 在一个光电检测器上。这个排列可导致在处理单元20中难以设置恰 当的检测阈值用于很高的采样率(＞每秒100Giga的抽样数)和高分 辨率(n＞10)。图3说明了依据本发明的一个装置的另一个实施例， 它避免了这个潜在的问题。\n在图3的实施例中，在集合18中光电检测器的数目已经被加倍。 上面的3个光电检测器检测实际上期望的格雷码，而下面的3个光电 检测器检测它的2-补码(1位由0位替代，反之亦然)。利用这个 排列，每个衍射元件14在由一个偏斜激光束照射时将总是产生3个 光束(在通常情况下是n个光束)。这将确保每个格雷码以同样的 方式被检测到，并且减少了这些光电检测器的错误解码概率。\n图4-11说明了图3中的实施例用于不同模拟输入信号振幅的工 作情况。这些附图说明了为所有可能的8个量化电平所产生的光 束。应当注意到：如上所述，每个衍射元件都产生一个3光束模式。 还应当注意到：对每个量化电平来说所有光束总是指向光电探测器。\n图12是一个示意性地说明了在依据图1实施例的一个A/D转换 器中一个处理单元20的一个实施例的框图。输出信号从这3个光电 检测器被发送到对应的比较器22。从这些输入信号中减去一个来自 于一个阈值电路24的公共阈值TH。一个时钟发生器26生成一个用 于这3个比较器22的公共时钟信号CL，而且每个时钟脉冲将触发对 这2个输入到每个比较器22的信号之间差值的符号的并行采样。如 果该差值是正的，则这表明对应的光电检测器18被照射，而且将产 生一个具有值“1”的位。一个负差值产生一个“0”位。在处理单 元20输出端的格雷码可以通过一个简单查找表被转换为普通二进制 代码。\n图13是一个示意性地说明了在依据图3实施例的一个A/D转换 器中的一个处理单元20的另一个实施例的框图。处理单元20的这 个实施例在阈值方案上不同于图12中的实施例。在这种情况下，到 每个比较器22的阈值由来自于对应的互补光电检测器的输出信号形 成。因此，如果来自于在集合18上部(在虚线之上)的一个光电检 测器的输出信号大于来自于在该集合下部的它对应的“2-补码”光 电检测器的输出信号，则这将产生一个具有值1的输出位。在相反 的情况下，结果将是一个具有值0的位。这个实施例的特征在于： 阈值对每位来说都是独立的，而且也是动态的。\n如上所述，由于在从一个数字化值变换成一个邻近值期间格雷码 的良好工作情况，最好是将模拟信号数字化成为格雷码而不是普通的 二进制代码。图14说明了图3中的实施例在模拟值接近或在两个数 值之间的临界上时的工作情况。由于偏转光束具有一定宽度，因此 在这种情况下它将照射两个衍射元件。因此，在图14中，将激活来 自于图10和图11的衍射模式。在这种情况下，这意味着最上的光 电检测器将均由两个模式照射。相同的说明适用于在集合18互补部 分中的中间光电检测器。这意味着两个上面位(分别为1和0)仍 然是一定的。然而，在上半部中最低的光电检测器和它在下半部中 的对应互补光电检测器现在都被照射了，这使第三位是不确定的。输 出将取决于哪一个检测器具有最大的输出信号。然而，图14说明了 下面这一事实，即：在这些边界情况下只有一位将是不确定的。该 结果对所有其它边界线情况都是相同的，而且也可被统一到n位A/D 转换器。\n为了说明本发明的原理，假定了一个一维光电检测器排列。然 而，实际上一个二维的排列可能更可取。图15说明了适于依据图1 的实施例进行操作的一个A/D转换器的一个二维光电检测器排列的 一个实施例。所说明的排列用于一个具有6位分辩率的A/D转换 器。填充的圆圈表示被照射的光电检测器，而未填充的圆圈表示未 被照射的光电检测器。\n图16说明了适于依据图3的实施例进行操作的一个A/D转换器 的一个二维光电检测器排列的另一个实施例。应当注意到：图16的 左半部分与图15中的实施例相同，而右半部分形成互补部分。\n图17是一个说明了依据本发明的A/D转换方法的流程图。该过 程开始于步骤S1。步骤S2用模拟信号的一个单调函数调制该激光 束的波长。在步骤S3中，波长调制由光栅12转换成为一个角度调 制。步骤S4将偏转光束衍射成为一束光束，该光束具有被照射衍射 元件的特征的一个模式。步骤S5采样该光束模式以确定对应的数 值。在步骤S6中结束数字化。对每个新的采样重复这个过程。\n临界参数的典型值是：激光波长(在调制之前)通常大约是1-2 um级别。总的波长变化通常大约为0.1-0.2um级别。这些范围 将允许一个在大约每秒1-100Giga采样率的采样率下大约6-8位 的数字分辨率(取决于所期望的分辨率)。\n光栅12最好应对一个小的波长偏移产生激光束的一个大偏转。 这种光栅的一个实例是排列的波导光栅，参见[7]。通过使用一个排 列的波导光栅，波导衍射元件以及波导检测器和例如0.8um的激光 波长，就有可能除激光器之外还在硅酮上完整地集成整个A/D转换 器。通过使用例如InP，就有可能在一个芯片中集成整个转换器。非 常压缩排列的波导光栅已经在InP中被论证了。\n应当明白，对本领域技术人员来说，可以在没有背离本发明范围 的情况下对本发明进行各种修改和变化，其中本发明的范围由附加的 权利要求来定义。\n参考文献\n[1]F.J.Leonberger，C.E.Woodward，C.A.Becker，″4-bit 828-mega sample/s electro-optic guided-wave analog-to- digital converter″，Applied-Physics-Letters，Vol.40，No.7，1 April 1982，pp.565-568.\n[2]Y.Tsunoda et.al.，″Combined optical A/D conversion and page composition for holographic memory applications″， Applied Optics，18，No.10，October 1977，pp.2607-2609.\n[3]A.S.Bhushan et.al.，″150 Gsample/s wavelength division sampler with time-stretched output″，ELECTRONICS LETTERS，5th March 1988，No.5，pp.474-475.\n[4]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，pp 382-393，San Jose，February 1997\n[5]L.B.Lesem et.al.，″The Kinoform：A New Wavefront Reconstruction Device″，IBM J.Res.Develop.13，pp.149- 155.\n[6]M.Larsson et.al.，“Successive development optimization of resist kinoforms manufactured with direct-writing，electron-beam lithography″，Applied Optics， Vol.33，March 1994，pp.1176-1179.\n[7]Okamoto K.：″Fundamentals，technology and applications of AWGs″，Proceedings of the European Conference on Optical Communication 1998(ECOC’98)，Vol.2，pp 7-47， Madrid，Spain，1998.