超高速高精度光学模数转换技术研究

Photonic analog-to-digital converter (PADC) can overcome the limitations of electronic ADC in ultra-high speed sampling and will find important applications in areas such as defense, high-performance equipment and high speed communications. This project aims to study key issues in ultra-high speed and large dynamic sampling of ultra-wideband signals in defense systems including Radar, electronic countermeasure and integrated equipment onboard battleplanes and satellites. The inherent mechanism of photonic sampling will be revealed via intensive investigation of sampling principle. New theory on electro-optical sampling will be derived, which will be an effective supplement to the classical and generalized sampling theorems. Ultra-stable femtosecond fiber laser with high repetition rate, low timing jitter and broad spectrum will be developed via investigation of ultra-low noise mode-locking mechanism and employment of new saturable absorber. Key components based on silicon integration will be designed and fabricated. All optical sampling scheme able to be integrated on silicon chip will be proposed and implemented. Design principle will be presented and prototype of ultra-high speed PADC with super resolution will be implemented. Experimental verification will be carried out. The results will push the rapid development of most advanced digital technique in our country.

光ADC（模数转换器）能有效克服电ADC的速度瓶颈，在国防、尖端电子设备和超高速信息通信等领域具有重要应用。本项目围绕雷达、电子对抗、机载星载综合化一体化等设备对超宽带模拟信号进行超高速、大动态直接采样的应用需求，开展超高速高精度光ADC研究。项目将深入研究电光采样原理，揭示其内在本质，提出能有效指导光ADC设计的光电采样新理论，补充完善经典和广义采样理论。深入研究基于新型饱和吸收体的被动锁模光纤激光器低噪声锁模机制，研制出用于产生高性能采样脉冲的高重频、宽光谱、低抖动锁模光纤激光器。深入研究硅基光子器件机理及其制备工艺，设计并实现基于CMOS工艺的光ADC关键光电子器件。提出基于硅基集成的全光量化新方案，研制出原型芯片。在此基础上，提出超高速高精度光ADC设计方法，研制出高性能原理样机，并在实际雷达系统中验证项目提出的理论和关键技术，完善光ADC设计方法，推动我国尖端数字化技术飞跃发展。

光模数转换（PADC）能充分发挥光子学高速、宽带优势，克服电ADC速度瓶颈，实现超宽带模拟信号的高速、大动态直接采样，在雷达、电子对抗、高速通信等系统中具有重要应用，其研究工作倍受美国等国防技术发达国家的重视。在项目获批立项之后，项目组发挥上海交通大学、中电集团38所、中科院半导体所等承担单位在产学研方面的互补优势，对模数转换理论、关键器件、系统架构与实现技术和应用验证开展了深入研究，具体包括：. 研究了光采样脉冲时域频域特性、光电子器件频率响应特性对系统模拟带宽的影响，光采样脉冲的幅度和相位噪声、光电探测器的热噪声和散弹噪声、量化噪声和时间抖动噪声等各种加性和乘性噪声以及器件的非线性性能对系统有效比特位的影响，建立了较为完善的光模数转换理论模型。. 研制了重复频率超过500MHz的宽光谱低抖动基频锁模光纤激光器；提出了CMOS兼容的低传输损耗和低光学非线性超薄硅波导和器件设计和工艺制备方法，实现了高精度光延迟芯片、高精度光衰减芯片、高速电光幅度/相位调制芯片和高灵敏低噪声光电探测芯片。. 在此基础上，提出了超高速高精度光模数转换系统设计方法，研制出小体积、低功耗系统样机，在实际雷达系统中进行实验验证，部分成果已得到应用。. 项目组按照计划任务书要求完成了各项工作。相关成果在Light: Science & Application、Optica、Journal of Lightwave Technology等国内外刊物上发表学术论文84篇（其中第一标注28篇），在IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP)等国际学术会议上发表论文15篇（其中第一标注6篇），申请国内外发明专利61项，其中20项国家发明专利、6项美国发明专利、2项欧洲发明专利已获得授权。高精度光延迟芯片成果入选2017中国光学十大进展，“宽带微波光子信号处理关键技术及应用”获得上海市技术发明一等奖。博士生毕业9名、在读14名，硕士生毕业30名、在读3名，其中大部分毕业生赴中电集团、华为、中兴等重点行业企业工作；博士后出站1名（留校工作）、在站1名。项目骨干吴侃入选2019年优青。