高采样率、高量化分辨率一体化全光模数转换关键技术研究

The existing information processing technology faces serious challenge for the massive information age, and analog-to-digital conversion with high sampling rate and high quantizing resolution is urgently required. Since the microelectronic technology has been seriously hindered by the electronic bottleneck, how to take advantage of optical technology to achieve high-performance analog-to-digital conversion is a research hotspot. In this project, based on photonic crystal fiber, silicon waveguide dielectric material and nonlinear effects of them, the novel photonic mechanism and method of the high-performance signal sampling, quantizing and encoding in all-optical analog-to-digital conversion will be investigated. Nonlinear distortion issues and their influences on sampling rate, quantization resolution and encoding accuracy will be analyzed. A high-speed sampling rate technical solution combining signal broadcasting and parametric sampling will be presented, and all-optical cascaded quantizing and coding method with effectively enhanced quantizing resolution as well as a combination of phase and frequency is used to achieve the two-dimensional joint of quantization coding method. An all-optical analog-to-digital conversion system will be established, which is composed of sampling, quantization and coding modules with low complexity, and integrated all-optical analog-to-digital conversion technology with high sampling rate and high quantization resolution will be realized. The research and achievements of the project will enrich principles about all-optical analog-to-digital conversion technology, and new methods and ways to ultra-high-speed all-optical analog-to-digital conversion will be provided and promoted.

海量信息时代对现有的信息处理技术提出了严峻的挑战。信息处理技术需要高采样率、高量化分辨率的模数转换方案，然而由于微电子技术受电子瓶颈束缚严重，如何发挥光技术的优势，实现高性能的模数转换是当前信息处理领域的研究热点。本项目拟利用光子晶体光纤、硅基波导介质材料及其非线性效应，研究全光域中信号采样、量化和编码的新机理、新方法。研究模数转换过程中的非线性失真问题以及采样率、量化分辨率、编码精度等性能指标的影响因素，提出信号广播与参量采样结合的高速采样率方案，提出量化分辨率有效提升的全光级联量化编码方法以及相位和频率相结合的二维联合量化编码方法。建立由低复杂度的采样、量化和编码模块组成的全光模数转换系统，实现一体化、高采样率、高量化分辨率的全光模数转换。本项目的研究与成果将丰富全光模数转换技术的相关理论，为超高速信号全光模数转换的实现提供新方法和新途径，促进全光模数转换技术的研究与发展。

大数据时代的海量信息使信号带宽成倍增长，信号处理需要高采样率、高量化分辨率的模数转换新方法，利用光子技术的优势实现高性能模数转换具有重要的理论和应用意义。本项目围绕着如何实现高采样率、高量化分辨率及可集成化的全光模数转换，从理论和实验上研究了其中的关键科学和技术问题。在高速采样方面，研究光纤中的四波混频效应和色散作用，提出了基于参量过程的信号广播和啁啾泵浦光同步采样的高速全光实时采样方案，可获得150GSa/s的等效采样率；提出了用10GHz低速率脉冲对160Gb/s高速OTDM信号采样并同时实现解复用的方法，如用20GHz的脉冲源，被采样信号速率还可加倍。在全光量化和编码方面，设计了多种特殊结构硅基波导和光子晶体光纤，提出了利用其实现高量化分辨率的系统方案，其中包括：基于孤子自频移的光谱移动和滤波法，基于超连续谱的频谱切割法，基于交叉相位调制的相移法等，得到的最大ENOB为4.966bit。设计的器件大多采用硅基波导以便今后系统的集成化。另外还提出了相移与波长结合、频移与幅度结合的两种二维全光量化方法，可使量化分辨率进一步提升。建立了基于高非线性光纤切割超连续谱的全光模数转换实验平台，实验实现了5bit量化分辨率的全光模数转换。研究了高性能超连续谱的产生，设计硫族化物槽型和悬浮型波导以及液芯光子晶体光纤，得到了超宽和高相干的超连续谱，光谱最大可展宽到4000nm。研究了短脉冲在波导和光子晶体光纤中的传输机理，设计了多种锥型波导和光纤，仿真实现了频谱压缩、脉冲压缩以及抛物线脉冲自相似传输等，脉冲时域和频域的最大压缩比分别达到16和6。发表学术论文48篇，其中被SCI检索30篇、EI检索18篇。培养毕业博士生2人、硕士生9人。总之，我们圆满完成了项目任务，其理论和实验研究成果处于国际先进水平，为高采样率、高量化分辨率全光模数转换的研究和应用提供了新途径和奠定了基础。