本發明涉及光信息處理技術，特別是一種相參光子模數轉換裝置，實現對射頻信號或光學信號的高精度采集。

背景技術：

光子采樣技術在高速的信號的處理與轉換、高分辨率測量設備以及光信號質量檢測等領域有著重要的應用。當前，高性能光子采樣技術正處在飛速發展的階段，兩個主要發展方向分別是超高采樣率與超高精度。從高采樣率方面考慮，通過鎖模激光器光時鐘的波分復用/時分復用方案可以實現采樣率倍增，提高采樣率，同時具有穩定性強，時鐘抖動低，電處理量化速率較低的特點，因此被視為光模數轉換的最佳方案。在當前報道研究中，出于低噪特性的考慮，一般選取被動鎖模激光器作為種子光源。然而，被動鎖模激光器重頻較低，得到高速率光采樣時鐘需要較多復用通道數，往往會導致結構比較龐大，同時對通道匹配的精度提出了更嚴苛的要求。隨著主動鎖模激光器技術的發展，目前主動鎖模激光器的噪聲特性已經能夠達到較低水平，采用低抖動主動鎖模激光器作為光源，可以在其高重頻特點的優勢上，僅通過少量復用通道就獲得高質量超高速光采樣時鐘，這對提高光模數轉換系統性能指標，優化系統方案具有重大意義。

然而，時鐘抖動是制約光子采樣精度的重大因素，因此如何降低光采樣時鐘與被采樣信號源之間的時鐘抖動是提升光子采樣系統性能面臨的問題。為了消除光采樣時鐘的和待采樣信號之間的相對時鐘抖動，需要提高兩者之間的相參性。其中一類技術是基于同一高穩定光源來同時產生相參的信號和采樣時鐘，此時的PADC分辨率極限將取決于該光源本身的時鐘抖動。然而，在實際應用中，更廣泛的情況是待采樣信號與采樣時鐘均從不同信號源中產生。因此，我們需要實現不同電子、光子信號源之間的高性能相參。鎖相技術是實現相參的有效手段，通過將受控信號與參考信號的頻率與相位鎖定，使得它們的頻率與相位保持固定的關系，進而降低時鐘抖動提高系統的穩定性。

相參鎖相技術主要包括以下幾種：

一種是基于光學非線性效應的光電鑒相鎖相技術(J.Kim,J.A.Cox,Chen J,F.X.Drift-free femtosecond timing synchronization of remote optical and microwave sources.Nature Photonics,2008,2:733-736.)，目前已經研制出多種非線性光學晶體，其中具有倍頻效應(SHG)與和頻效應的晶體在光學相位檢測中有很大的應用前景。在長距離光纖傳輸系統中，使用具有倍頻效應的晶體構成的光子鑒相器，能夠測量收發端信號間的相位偏移并進行反饋，基于和頻晶體的光子鑒相器與光電鎖定系統(J.Kim,J.A.Cox,Chen J,F.X.Drift-free femtosecond timing synchronization of remote optical and microwave sources.Nature Photonics,2008,2:733-736.)采用了全光纖結構，系統的穩定性高，并且該鑒相器采用了平衡結構，有效消除了通道失衡引入的噪聲。但是基于非線性晶體的鎖相技術有明顯的缺點，系統結構復雜，難以集成化，同時，非線性晶體的性能和穩定性受環境影響大，使系統的適用環境受到限制。

另一種基于微波光子器件的光電鑒相鎖相技術，這種技術最直接的方法就是將光信號轉換為電信號，然后使用電鎖相環進行鑒相鎖相，即只需在射頻混頻器的前級加上PD，就是一種基于射頻混頻器的光電鑒相器。該技術適用于光信號與電信號的鎖定以及光信號之間的鎖定，其原理簡單，實現成本低。但是受射頻混頻器的帶寬限制，無法應用在高頻、高帶寬的系統中，且系統噪聲較大。

然而，現存的光子采樣技術和相參鎖定技術雖然被廣泛研究，而結合兩者的采樣方法還沒有被研究，因此我們提出了一種相參光子模數轉換方法。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種相參光子模數轉換裝置。該裝置通過調整光時鐘振蕩源或者被采樣信號源，使之高度相參，進而降低時鐘抖動，大大提高了采樣精度。

本發明的技術解決方案如下：

一種相參光子模數轉換裝置，其特點在于，包括光時鐘振蕩源、光子采樣門、被采樣信號源、光電探測模塊、電采樣模塊、相位檢測模塊、環路濾波器、第一信號反饋鏈路和第二信號反饋鏈路：

所述的光時鐘振蕩源的第一輸出端與所述的光子采樣門的第一輸入端相連，所述的被采樣信號源的輸出端與所述的光子采樣門的第二輸入端相連，所述的光子采樣門的輸出端與所述的光電探測模塊的輸入端相連，所述的光電探測模塊的輸出端一分為二：一路與所述的電采樣模塊相連，另一路與所述的相位檢測模塊的第一輸入端相連，所述的光時鐘振蕩源的第二輸出端與所述的相位檢測模塊的第二輸入端相連，所述的相位檢測模塊的輸出端與所述的環路濾波器的輸入端相連，所述的環路濾波器的輸出端經第一信號反饋鏈路與所述的光時鐘振蕩源的輸入端相連時，實現對光時鐘振蕩源的鎖定，所述的環路濾波器的輸出端經第二信號反饋鏈路與所述的被采樣信號源的輸入端相連時，實現對被采樣信號源的鎖定。

所述的光時鐘振蕩源為被動鎖模激光器、主動鎖模激光器或調制頻率梳。

所述的被采樣信號源為壓控振蕩器、頻綜源、被動鎖模激光器、主動鎖模激光器或調制頻率梳。

所述的光子采樣門為鈮酸鋰電光調制器、聚合物電光調制器、硅基集成電光調制器、空間光調制器、光子晶體光纖或高非線性光纖。

所述的光電探測模塊為PIN管或APD管。

所述的電采樣模塊為示波器或信息處理板卡。

所述的相位檢測模塊為射頻混頻器，用于產生所需的混頻信號。

所述的環路濾波器為射頻低通濾波器。

所述的第一信號反饋鏈路、第二信號反饋鏈路為功率放大器或PID伺服器。

基于以上技術特點，本發明具有以下優點：

1、采用電光光子采樣門或者全光光子采樣門，實現相參光子模數轉換同時完成信號采樣與相參鎖定，能完成電光振蕩源和光光振蕩源的相參鎖定，從而實現對電信號和光學信號的采集。

2、將采樣后信號與采樣時鐘源參考輸出的相位誤差信息反饋至光時鐘振蕩源或被采樣信號源，提升光采樣時鐘與被采樣信號源之間的相參性，可以突破時鐘抖動理論極限，提高系統采樣精度。

附圖說明

圖1為本發明相參光子模數轉換裝置的一個實施例的框圖

圖2為本發明系統相參鎖定前后的時鐘抖動測試結果

圖3為傳統采樣與本發明相參采樣頻譜對比

圖4給出了本發明有效比特位數與模擬輸入帶寬關系曲線

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

圖1是本發明相參光子模數轉換裝置的一個實施例的框圖，由圖可見，本發明相參光子模數轉換裝置，包括光時鐘振蕩源1、光子采樣門3、被采樣信號源4、光電探測模塊5、電采樣模塊7、相位檢測模塊9、環路濾波器10、第一信號反饋鏈路11和第二信號反饋鏈路12：

所述的光時鐘振蕩源1的第一輸出端與所述的光子采樣門3的第一輸入端相連，所述的被采樣信號源4的輸出端與所述的光子采樣門3的第二輸入端相連，所述的光子采樣門3的輸出端與所述的光電探測模塊5的輸入端相連，所述的光電探測模塊5的輸出端一分為二：一路與所述的電采樣模塊7相連，另一路與所述的相位檢測模塊9的第一輸入端相連，所述的光時鐘振蕩源1的第二輸出端與所述的相位檢測模塊9的第二輸入端相連，所述的相位檢測模塊9的輸出端與所述的環路濾波器10的輸入端相連，所述的環路濾波器10的輸出端經第一信號反饋鏈路11與所述的光時鐘振蕩源1的輸入端相連時，實現對光時鐘振蕩源的鎖定，所述的環路濾波器10的輸出端經第二信號反饋鏈路12與所述的被采樣信號源4的輸入端相連時，實現對被采樣信號源的鎖定。

光時鐘振蕩源1用于產生光采樣時鐘信號2，光子采樣門3將被采樣信號源4產生的待采樣的電信號或者光信號加載至光時鐘信號2，得到的結果經過光電探測模塊5轉換為電信號6，轉換的電信號分為兩路，一路經過電采樣模塊7實現對被采樣信號的采集；另一方面，光時鐘振蕩源1可以通過光電轉換產生同步的參考輸出信號8，該參考輸出信號8與電信號6的另一路信號通過相位檢測模塊9進行相位檢測，得到的混頻信號通過環路濾波器10濾除高頻分量，通過第一信號反饋鏈路11實現與光時鐘振蕩源1的相參鎖定，或者通過第二信號反饋鏈路12實現與被采樣信號源4的相參鎖定，從而實現相參采樣。

上述過程中利用光子采樣門3既可以實現光時鐘對光信號的采樣也可以實現光時鐘對電信號的采樣。請參見圖2、3、4，圖2為本發明系統相參鎖定前后的時鐘抖動測試結果，圖3為傳統采樣與本發明相參采樣頻譜對比，圖4給出了本發明有效比特位數與模擬輸入帶寬關系曲線，此外，上述過程中通過相位鎖定裝置將采樣光時鐘信號源與被采信號源鎖定，實現相參采樣進而減小了時鐘抖動，提高了采樣精度。這對于提升微波光子雷達和光通信系統等需要高時間精度、高采樣精度的微波光子系統的性能，具有十分關鍵的作用。