«Методы построения и характеризации аналоговых оптических трактов с цифровым выходом для сигналов диапазонов до 20 ГГц» тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Небавский Всеволод Алексеевич

• Небавский Всеволод Алексеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Небавский Всеволод Алексеевич

1.1.2 Развитие ВОЛС

1.1.3 Микроволновая фотоника: фундаментальные преимущества

1.1.4 Основная задача микроволновой фотоники

1.2 Основные актуальные направления исследований в микроволновой фотонике-----------------------------------------------------------------------------------15

1.2.1 Основные направления исследований

1.2.2 Микроволновая фотоника и системы цифровой связи

1.2.3 Интегральная фотоника

1.2.4 Фотонные системы аналого-цифрового преобразования

1.2.5 Аналоговый оптический СВЧ тракт

1.3 Требования к характеристикам и метрики оценки качества элементов и систем микроволновой фотоники----------------------------------23

1.3.1 Энергетические метрики

1.3.2 Метрики влияния статистических факторов

1.3.3 Метрики влияния нелинейных факторов

1.3.4 Метрики систем с цифровым выходом

1.3.5 Метрики качества в разных задачах

1.4 АОТ с цифровым выходом

Выводы к главе

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ АОТ И СИСТЕМ МИКРОВОЛНОВОЙ ФОТОНИКИ НА ИХ ОСНОВЕ------------------------32

2.1 Системы и подходы к моделированию микроволновой фотоники

2.1.1 Системы моделирования и проектирования оптики и фотоники-----32

2.1.2 Моделирование световодов

2.2 Описание функционирования основных элементов аналоговых

оптических трактов---------------------------------------------------------------------38

2

2.2.1 Оптическое одномодовое волокно

2.2.2 Модуляторы

2.2.3 Лазеры

2.2.4 Фотодиоды

2.2.5. Системы пассивного уплотнения

2.3 Моделирование работы систем микроволновой фотоники------------49

2.3.1 Особенности распространения коротких лазерных импульсов

2.3.2 Модель системы дисперсионного растяжения сигнала во времен —52

Выводы к главе

3 ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫ БЛОКОВ АОТ С ЦИФРОВЫМ ВЫХОДОМ------------------------------------------------------------56

3.1 Описание метрик оценки качества работы узлов АОТ-----------------56

3.1.1 Оценки нелинейных искажений СВЧ АОТ

3.1.2 Джиттер и фазовый шум

3.1.3 Оценка качества формирования оптической выборки

3.1.4 Оценка нелинейностей блока модуляции

3.1.5 Особенности влияния задержек в блоке сериализации ФАЦП

3.2 Возможности характеризации СВЧ АОТ с использованием измерения оптического спектра модулированного сигнала-----------------76

3.2.1 Проблемы при характеризации нелинейностей модулятора в составе СВЧ АОТ

3.2.2 Оптические спектрометры в задачах анализа модуляторов

Выводы к главе

4 ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ РАБОТЫ ФОТОННЫХ СИСТЕМ АНАЛОГО-

ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ----------------------------------------------87

4.1 Системы фотонных аналого-цифровых преобразователей------------87

4.2 Фотонные системы аналого-цифрового преобразования сигнала с оптической выборки с электронным квантованием--------------------------90

4.2.1 Образец фотонной системы аналого-цифрового преобразования электронным квантованием и оптической выборкой

4.2.2 Устройства и принцип работы образца ФАЦП

4.3 Оценка характеристик ФАЦП

4.3.1 Функционирование каналов образца ФАЦП в лабораторных

условиях

4.3.2. Полевой эксперимент по определению пеленга

Выводы к главе

5 МЕТОДЫ ЛИНЕАРИЗАЦИИ СВЧ АОТ-------------------------------------97

5.1 Методы линеаризации АОТ----------------------------------------------------98

5.1.1 Методы оптической линеаризации

5.1.2 Электронные методы

5.1.3 Цифровые методы

5.2 Особенности некоторых методов линеаризации------------------------115

5.2.1 Балансное детектирование

5.2.2 Системы с двойным параллельным модулятором Маха-Цендера

Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ------------------------------------------------------------------------120

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ------------------------------123

Введение диссертации (часть автореферата) на тему ««Методы построения и характеризации аналоговых оптических трактов с цифровым выходом для сигналов диапазонов до 20 ГГц»»

Введение

Фундаментальная ширина полосы модуляции света и низкие потери светового сигнала при распространении в оптоволокне являются основным начальным стимулом развития микроволновой фотоники. Прогресс фотонной элементной базы - лазеров, модуляторов, фотодетекторов и пассивных компонентов, наблюдающийся на протяжении 30 лет обеспечил появление к настоящему времени практичных радиотехнических систем, использующих фотонные устройства, как для передачи, так и для обработки радиосигналов. Аналоговый оптический тракт (АОТ) является основным элементом практически любой системы микроволновой фотоники. В настоящее время реализованы АОТ с шириной полосы сигнала свыше 100ГГц. С другой стороны, актуальные задачи обработки сигналов требуют все более высоких характеристик не только с точки зрения рабочей полосы, но и с точки зрения точности представления сигнала. Более того, в связи с глобальным распространением методов цифровой обработки информации актуальным представляется рассмотрение свойств АОТ с точки зрения цифровых систем. Таким образом, возникает потребность развития систем на основе АОТ с аналого-цифровым преобразованием выходных сигналов - АОТ с цифровым выходом. Современные технологии сделали коммерчески доступными электронные микросхемы аналого-цифрового преобразования с частотами выборки свыше 60 Гвыб/с для обработки сигналов с шириной полосы 15 ГГц, при этом значение точности (эффективного числа бит, ЭЧБ) достигает почти восьми [1]; в различных экспериментальных проектах представлены АЦП с еще более высокими параметрами как по точности так и скорости. Новейшие коммерческие электронные системы аналого-цифрового преобразования позволяют работать в полосе 13 ГГц с точностью около 8 ЭЧБ, в полосе 70 ГГц с ЭЧБ 5.4 и в полосе 110 ГГц до 5 ЭЧБ. Однако, такие характеристики оказываются недостаточными для решения ряда важнейших задач обработки радиосигналов. В связи с этим обстоятельством, построение систем, объединяющих достоинства цифровой электроники и микроволновой

фотоники вызывает неуклонно растущий интерес. По сути, такие системы являются попыткой совместить точность электронных АЦП на низких частотах со специфическими возможностям оптики, чтобы снизить требования к скорости электронной обработки сигналов АОТ. В работах [2-4] продемонстрированы фотонные аналого-цифровые системы с характеристиками, недостижимыми для современной электроники, в частности именно фотонное устройство продемонстрировало наибольшую достигнутую на настоящее время скорость оцифровки в 10Твыб/с; по имеющимся оценкам, фотоника в перспективе может обеспечить создание аналого-цифровых систем с полосой обрабатываемых сигналов порядка 100 ГГц, с частотой выборки до 300 Гвыб/с и с ЭЧБ свыше 8. Более того, многие подходы к созданию таких систем можно перенести в миниатюрное исполнение, благодаря технологиям интегральной фотоники. В свою очередь, ШП и СШП СВЧ АОТ не лишены своих «природных минусов», таких как нелинейности, шумы, а также потеря энергетики сигнала из-за совокупной «стоимости» электронно-оптического и опто-электронного преобразований сигнала порядка 30дБ. При преодолении этих недостатков важной проблемой становится создание комплекса методов характеризации АОТ - одновременно с точек зрения и аналогового и цифрового представлений. Появление новейших измерительных средств, таких как оптические спектрометры телекоммуникационных диапазонов с разрешающей способностью в десятки МГц и динамическим диапазоном свыше 70 дБ открывает новые возможности при решении задач характеризации АОТ. Также чрезвычайный практический интерес представляет разработка методов оптимизации и линеаризации АОТ, поскольку такие методы предоставляют возможность улучшить имеющиеся характеристики аналого-цифровых фотонных систем. Указанная совокупность проблем построения систем микроволновой фотоники определяет актуальность настоящей диссертационной работы.

В соответствии с вышесказанным, целью работы являлось совершенствование принципов построения, оптимизации и характеризации СВЧ АОТ, входящих в состав аналого-цифровых систем микроволновой фотоники.

Для достижения постовленной цели решались следующие основные задачи:

• Провести рассмотрение актуального состояния в области исследования, выявить ключевые факторы, определяющие характеристики систем на основе АОТ с цифровым выходом.

• Определить набор метрик, характеризующих качество функционирования АОТ с цифровым выходом в составе аналого-цифровых систем микроволновой фотоники.

• Составить необходимые аналитические модели явлений, происходящих в ключевых функциональных элементах рассматриваемых систем, реализовать данные модели программно. Верифицировать данные модели измерениями. Оценить возможности доступной элементной базы при построении рассматриваемых систем.

• Реализовать экспериментально варианты функциональных блоков АОТ с цифровым выходом и систем на их основе.

• Разработать методы характеризации и измерениями оценить параметры работы ключевых функциональных блоков, входящих в экспериментальные реализации аналого-цифровых фотонных систем.

• Исследовать возможности оптимизации процесса формирования мультиспектральной оптической импульсной последовательности в задачах создания выборки фотонных систем аналого-цифрового преобразования, использующих десериализацию оптического сигнала в параллельные спектральные каналы.

• Исследовать современные возможности линеаризации ШП и СШП СВЧ АОТ с цифровым выходом.

• Реализовать экспериментально и выполнить характеризацию вариантов СВЧ АОТ и аналого-цифровых систем на их основе.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

1. Впервые продемонстрировано, что метод оценки нелинейностей СВЧ АОТ с применением высокоразрешающего оптического анализатора спектра и математических моделей модуляторов позволяет наблюдать деградацию динамического диапазона сигнала АОТ до этапа фотодетектирования

2. Предложен и реализован АОТ с цифровой обратной связью, выполняющей алгоритм оптимизации для управления задержками в спектральных каналах формирования дискретной оптической мультиспектральной последовательности выборки, продемонстрированы возможности достижения эквидистантности формируемой последовательности с точностью 100фс.

3. Применение схемы формирования непрерывной оптической мультиспектральной последовательности выборки в двухканальной радиотехнической системе, впервые реализованной на базе фотонного аналого-цифрового преобразования с оптической выборкой и электронным квантованием, обеспечило возможности аналого-цифрового преобразования и последующей цифровой обработки сигналов Х-диапазона

Практическое значение результатов заключается в том, что они служат теоретической и экспериментальной базой разработки и создания систем на основе СВЧ АОТ с цифровым выходом для решения задач, связанных с обработкой широкополосных и сверхширокополосных радио сигналов. Созданные аналитические подходы к описанию систем микроволновой фотоники могут быть использованы для решения задач моделирования фотонных аналого-цифровых систем. Разработанные методы анализа работы функциональных блоков фотонных систем аналого-цифрового преобразования успешно применены в процессе разработки и создания оптической части двухканальной радиотехнической системы, которая была успешно испытана в полевых и лабораторных условиях. Разработанный подход к анализу динамического диапазона с помощью современных высокоразрешающих оптических спектрометров, существенно дополняет

современные методы характеризации оптических трактов и систем на их основе.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Характеризация СВЧ АОТ по оптическому спектру сигнала с применением высокоразрешающих оптических анализаторов спектра позволяет получить подробную информацию о деградации динамического диапазона АОТ до этапа фотодетектирования, а также о потерях мощности модулирующего сигнала.

2. Система формирования непрерывной оптической мультиспектральной последовательности выборки, реализованная на основе оптоволокна и зеркала Фарадея в схеме фотонного аналого-цифрового преобразователя с оптической выборкой и электронным квантованием, обеспечила возможности аналого-цифрового преобразования сигналов диапазонов до 20 ГГц в рабочей полосе до 5 ГГц при достижении ЭЧБ до 6.3 бит

3. Обработка сигналов комплементарных каналов в составе аналого-цифровых систем с дискретной оптической мультиспектральной последовательностью выборки позволяет обеспечить точность свыше 7 эффективных бит при преобразовании сигналов диапазонов до Ки

4. Схема линеаризации СВЧ АОТ на базе двойного параллельного модулятора Маха-Цендера с двойным управлением обеспечивает возможности подавления интермодуляционных искажений 3 порядка, численным моделированием показано, что такая схема демонстрирует улучшение свободный динамический на 16 дБ

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

1. XV Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» имени А.П. Сухорукова («Волны-2016») (Москва, МГУ им. Ломоносова, 2016);

2. IX Всероссийская школа-конференция по лазерной физике и лазерным технологиям (Саров, РФЯЦ-ВНИЭФ, 2016)

3. V международная конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, НИЯУ МИФИ, 2016)

4. VI международная конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, НИЯУ МИФИ, 2017)

5. VII международная конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, НИЯУ МИФИ, 2018)

6. VIII международная конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, НИЯУ МИФИ, 2019)

7. IX международная конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, НИЯУ МИФИ, 2020)

8. X международная конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, НИЯУ МИФИ, 2021)

9. XV Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах» имени А.П. Сухорукова («Волны-2021») (Москва, МГУ им. Ломоносова, 2021);

10. IX международная молодежная школа-конференция «Современные проблемы физики и технологий» (Москва, НИЯУ МИФИ, 2022)

11. Российский форум «Микроэлектроника 2022» секция «Доверенные и экстремальные электронные системы»» (Москва, Технопарк АО «ЭНПО СПЭЛС», 2022)

12. XI международная конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, НИЯУ МИФИ, 2022)

13. XII международная конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, НИЯУ МИФИ, 2023)

14. LIX Всероссийская конференция по проблемам динамики, физики частиц, физики плазмы и оптоэлектроники (Москва, РУДН, 2023).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа: из них: 6 в рецензируемых журналах, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science и/или в изданиях включённых в Перечень ВАК РФ. 15 — в трудах международных и всероссийских конференций. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (RU 2018662302)

1 Аналоговые оптические тракты с цифровым выходом 1.1 Микроволновая фотоника: современное состояние

1.1.1 Развитие беспроводной передачи данных

Системы обработки и передачи данных стремительно развиваются на протяжении пятидесяти лет. В значительной мере это развитие стимулировалось конечными пользователями из частного сектора. Колоссальные объемы ресурсов десятилетиями поступавшие на развитие вычислительной техники постепенно влились в развитие систем приема-передачи данных. Системы беспроводной передачи данных сделали радио и СВЧ диапазоны основными носителями информации. Благодаря потребности в увеличении пропускной способности систем передачи данных вся СВЧ-электроника испытала значительное развитие, что привело к тому, что за 40 лет развилось уже 5 поколение технологий беспроводной передачи данных. Развитие СВЧ-электроники позволят решать значительное количество задач, однако, в силу быстрого развития, технологическая база быстро достигла своего предела. Что касается специальных областей, то физические пределы работы радио- и СВЧ - техники, особые свойства распространения электромагнитных волн в средах, сложности создания высокочастотных средств аналого-цифрового преобразования, проблемы с электромагнитной совместимостью (ЭМС) и паразитными составляющими и помехами создают множество трудностей при создании новых СВЧ-систем с помощью традиционных «чисто электронных» технологий

1.1.2 Развитие ВОЛС

Желание повысить скорость передачи цифровых данных и увеличить длину линии связи значительно стимулировало развитие технологий ВОЛС (Рис.1.2). К примеру, рис. 1.1 иллюстрирует динамику развития технологии Ethernet [5].

Рис.1.1: История развития скорости проводных форматов коммуникации (ETHERNET).

Рис. 1.2: История развития производительности волоконных линий связи по годам.

Стоит отметить, что аналогично развитию процессорной техники производительность ВОЛС до 2003 года каждый год увеличивалась в два раза. В истории ВОЛС можно выделить пять технологический поколений [6]:

I. Многомодовые волокна и лазеры 850-870 нм.

II. Одномодовые волокна и лазеры 1310 нм.

III. Одномодовые волокна со смещенной дисперсией и лазеры 1550 нм.

IV. Технология демультиплексирования по длинам волн и усилители.

V. Когерентные системы и новые форматы цифровой модуляции.

Настолько серьезное развитие компонентной базы ВОЛС не только существенно увеличило производительность основных дискретных составляющих линий, но и сделала их экономически более доступными для решения других задач, в том числе для построения систем микроволновой фотоники.

1.1.3 Микроволновая фотоника: фундаментальные преимущества

В начале 90 - x годов на фоне конкуренции технологий РЛС и РЭП, многих разработчиков радиотехнических систем стали привлекать технологии фотоники. В частности, в 1994 году было официально подписано соглашение о том, что LEOS (теперь Photonics Society) и MTT-S совместно проводят международные встречи по микроволновой фотоники («International Topical Meeting on Microwave Photonics») [7]. Хотя в современных радиосистемах все больше и больше применяется цифровая обработка сигналов (ЦОС), аналоговые волоконные тракты являются важным и практичным инструментальным средством для разработки радиотехнических систем. Начальными преимуществами аналоговых фотонных трактов, по сравнению с полностью СВЧ трактами были:

1. Фундаментально широкая полоса модуляции света

2. Помехозащищённость оптоволоконного канала

3. Низкие распределенные потери в волокнах по сравнению с коаксиальными кабелями

4. Низкая стоимость компонентной базы

5. Габариты и вес.

К недостаткам таких систем в начале относили уже упомянутые выше потери на прямое и обратное преобразования в электрический сигнал.

Неудивительно, что при наличии ряда задач обработки и передачи аналоговых СВЧ-сигналов и разработанной элементной базу ВОЛС, на стыке областей появилось новое междисциплинарное направление, которое получило название микроволновая фотоника (microwave photonics, в России

13

используется также термин радиофотоника). К характерным отличительным чертам следует относить передачу или обработку ШП и СШП радиосигналов с помощью оптических волоконных трактов работающих в полутрамикронном оптическом диапазонс С+L.

1.1.4 Основная задача микроволновой фотоники

Основной задачей, решаемой, системами микроволновой фотоники является транспорт сигнала, в том числе, возможно, с выполнением его обработки. В общем случае в процесс передачи и обработки сигнала можно представить, как некоторое изменение его энергетических соотношений (Рис. 1.3). Сигнал обладает общей энергией, которую можно разделить на полезную информационную часть, и искажения, состоящие из шумов и нелинейностей. В принципе, в системе общая энергия сигнала может и повышаться, но доля полезной информации будет только падать. На настоящем этапе можно заключить, что нахождение компромисса между сохранением энергетики сигнала и его информативности при экономической эффективности системы представляет основную цель развития микроволновой фотоники как направления. Например VLA (Very Large Array, Сверхбольшая Антенная Решётка) в Нью Мехико стала одной из первых радиотехнических систем в которой коаксиальные кабели были заменены на волоконные линии [8,9].

Рис. 1.3: Принцип падения доли информации в системах обработки и

передачи данных

Мировыми лидерами в микроволновой фотоники традиционно остаются страны Северной Америки (США, Канада), страны Европы (Германия,

Нидерланды, Испания, Франция, Соединённые королевства и пр.), страны Азии (Япония, Китай, Сингапур и Южная Корея). Одним из крупнейших проектов в области микроволновой фотоники в России является разработка интегральных фотонных устройств для применения в микро- и наноэлектронике и различных областях науки и техники. Эти устройства представляют собой миниатюрные интегральные схемы, выполненные на базе полупроводниковых кристаллов и позволяющие решать широкий круг задач в области оптики. В России исследования в области микроволновой фотоники ведутся коллективами на базах исследовательских институтов (НИЯУ МИФИ, МИЭТ, ИПФ СО РАН, Сколтех, МИРЭА, ИТМО, ЛЭТИ, ТУСУР, ФТИ им. А. Ф. Йоффе). Среди промышленных предприятий стоит особенно выделить ОКБ «Планета», ЗАО НТЦ «Модуль», ПНППК Пермь, НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, Зеленоградский НТЦ, АО «НПФ «Микран».

1.2 Основные направления исследований в микроволновой фотонике 1.2.1 Основные направления исследований

Сегодня насчитывается огромное количество публикаций по радиофотонике. К основным направлениям применения микроволновой фотоники можно отнести: радиотехнику, оптические коммуникации, метрологию [10], радиоастрономию. По сути, основное поле развития радиофотоники состоит в создании радиотехнических систем, которые благодаря использованию оптической элементной базы будут более экономически выгодными и/или будут обладать лучшими техническими характеристиками. Основными направлениями для разработки и изучения сегодня являются:

1. Совершенствование характеристик элементной базы и схем волоконно-оптических аналоговых линий связи.

2. Создание миниатюризированной элементной базы, а также интегральных фотонных систем.

3. Разработка фотонных программируемых схем и чипов.

4. Разработка фотонных генераторов СВЧ-сигнала.

5. Разработки систем фотонных генераторов сигналов произвольной формы СВЧ-диапазонов

6. Разработки фотонных систем аналого-цифровой обработки СШП радиосигналов.

1.2.2 Микроволновая фотоника и системы цифровой связи

Развитие элементной базы радиофотоники и ВОЛС сильно коррелируют между собой, особенно когда дело касается оптического волокна, лазеров, модуляторов и фотоприемников. Такое совместное развитие сделало коммерчески доступной компонентную базу, которая позволяет разрабатывать системы, работающие в диапазоне частот от 0 до 100 ГГц. Сейчас IEEE и другие организации рассчитывают, что шестое поколение беспроводной передачи "6G" будет базироваться либо на терагерцовом излучении или диапазонах частот до 300 ГГц, что обеспечить значительно меньший уровень временных задержек чем сети предыдущего поколения. Предполагается, что основная технология сетей шестого поколения будет базироваться на применении цифровых антенных решеток, использующих средства микроволновой фотоники в комплексе c системами массивов MIMO [11-13]. Есть информация о построении систем с пропускной способностью 160 Гб/c на расстоянии более 100 метров, при плохих погодных условиях [14].

1.2.3 Интегральная фотоника

Развитие интегральной фотоники мотивировано не только возможностью миниатюризации дискретной элементной базы, но и перспективой создания интегральных систем в рамках одного технологического процесса. Создание фотонных структур на основе кремния наиболее распространено ввиду наследования соответствующего опыта микроэлектроники. В частности, на настоящий момент развиты технологии создания пассивной элементной базы

для кремниевых интегральных фотонных систем. Однако, для создания эффективной активной элементной базы такой как модуляторы, лазеры и фотоприемники в этом случае препятствием является относительно узкое спектральное окно прозрачности кремния. Для решения этой проблемы используют интеграцию Si с другими компонентами, а также разрабатывают другие подходы для создания элементной базы. В связи с этим исследуются возможности других технологических платформы на базе фосфида индия, нитрида кремний, а также арсенида галия. Приборы на базе фосфида индия (№) позволяет создавать лазеры с высокой эффективностью и СВЧ-компоненты с полосами рабочих частот свыше 60 ГГц, подложки на базе нитрида кремния ^^ обладают очень низкими оптическими потерями широком диапазоне длин волны. Сообщается о разработках кремниевых модуляторов в связке с графеном с рабочей полосой порядка 100 ГГц и экстинкцией 10 дБ [15,16]. Сравнение текущих характеристик модуляторов представлено в таблице 1 [15,17-19].

Таблица. 1. Сравнение характеристик модуляторов разных типов

Структура Полоса, Размер, Глубина Вносимые Сложность

ГГц мкм2 Модуляции, Потери,

дБ дБ

Плазмонный 70 40 10 6 Варьируемая

SiGe 54 12 3.2 4 Большая

LiNbO3 45 20000 18 0.4 Большая

Si-G 60 6 5-11 5-11 Варьируемая

Развитие технологий создания кольцевых резонаторов и качественных разветвителей открыл дорогу новому подходу к созданию программируемых фотонных интегральных схем. Базовым элементом такой схемы является разветвитель 2x2 (Рис 1.4) манипулируя фазой излучения на входе, возможно создать Gate с двумя выходами и тремя состояниями.

Рис. 1.4: Принцип работы интегральных оптических ворот (Gate) [20]

Добавляя элемент, манипулирующий фазой, можно составлять различные эквивалентные схемы из каскадов интерферометров Маха-Цандера, а манипулируя фазой программировать путь излучения. Обычно выделяют квадратную, гексагональную и треугольную структуры полигонов на чипе (Рис. 1.5)[20].

Рис. 1.5: Типы архитектур схем программируемых фотонных чипов - а) Квадратная, б) Гексагональная, в) Треугольная.

На базе таких схем создаются новые поколения оптических программируемых чипов. В микроволновой фотонике высокочастотные электрические сигналы переносятся на оптическую несущую путем модуляции. Таким образом, фотонные программируемые схемы, можно, назвать фотонным аналогом ASICS реализующий: фильтрацию[21], генерацию сигнала[22], изменения временной задержки [23]. На базе структур

из интерферометров Маха-Цендера также построенные оптические предпроцессоры фирм Ы§ЬтаЯег и Ор1а1уЗуБ, которые строго говоря уже затруднительно отнести к радиофотонным системам.

1.2.4 Фотонные системы аналого-цифрового преобразования

На фоне бурного роста скорости процессоров и скорости развития, проводных и беспроводных коммуникаций, рост скорости аналого-цифровых преобразований существенно отставал[1], из-за ограничений электронных технологий (Рис. 1.6). Эти ограничения закрепили за электронными АЦП свою нишу производительности с точки зрения параметров преобразования скорости выборки и точности.

5 6 7 а э ю 11

10 10 10 10 10 10 10

Скорость преобразования, выборок/с

Рис. 1.6 - «График Уолдена» Зависимость «эффективное число бит -скорость преобразования». Заштрихованные области соответствуют достигнутым характеристикам преобразования - светлая штриховка электронные АЦП, красная - ФАЦП. Длинный пунктир - тепловые ограничения (для систем 50 Ом и 2 кОм), короткий пунктир - ограничения, определяемые апертурной ошибкой, НК - ограничения, определяемые неопределённостью компараторов (500 ГГц).

Выше отмеченные факты делают задачу создания устройств на базе фотонных технологий особенно актуальной. Хотя, существуют заявления о возможности создания систем фотонного аналого-цифрового преобразования с потрясающими характеристиками [24] большинство исследований говорят о том, что фотонные системы аналого-цифрового преобразования превосходят по точности квантования электронные только на высоких частотах выборки. Именно, поэтому большинство исследований по созданию систем ФАЦП сфокусировано на системах с оптической выборкой и электронным квантованием (Рис. 1.7).

Рис. 1.7: Принцип работы схем фотонного аналого-цифрового преобразования с (а) дисперсионным растяжением сигнала по времени и (б) оптической выборкой. (ДЭ. 1,2) - Дисперсионные элементы 1 и 2, (ФД) - фотодиод, (ЛСМ) - Лазер в режиме синхронизации мод.

Данные схемы эффективны на высоких скоростях выборки благодаря:

1. Сверхшироким полосам работы средств модуляции в оптике,

2. Высокостабильным временным характеристикам лазерных источников излучения

3. Возможностям коммутации и распараллеливания оптического сигнала в параллельно работающие дискретные каналы с высокой электромагнитной совместимостью,

4. Специфическим возможностям манипуляции временными характеристиками оптического сигнала,

5. Защищённости оптических волоконных каналов от помех.

На настоящий момент в мире разработан большой набор фотонных и оптоэлектронных методов выполнения выборки и квантования, предложены схемы предобработки и представления сигналов и величин, отвечающие специфике оптических трактов, исследованы возможности создания ФАЦП с избыточной дискретизацией, а также с применением нестандартных методов выборки. Продемонстрированы действующие ФАЦП, обладающие подчас рекордными характеристиками, недостижимыми для других средств аналого-цифрового преобразования. К одним из лучших можно отнести системы с частотами выборки свыше 10 ТГц. Продемонстрированы возможности обработки сигналов с частотами порядка 40 ГГц с эффективным число бит выше 7[25]. Большинство систем ФАЦП построены преимущественно на дискретных коммерчески доступных компонентах, поэтому для задач интегральной фотоники остаются актуальными проблемы миниатюризации как отдельных элементов, так и функциональных блоков.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Небавский Всеволод Алексеевич, 2024 год

Список используемых источников

I. Стариков Р.С. Фотонные АЦП // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. С. 3.

12. Bajek D.et al. Fast optical sampling by electronic repetition-rate tuning using a single mode-locked laser diode // Opt. Express. 2021. V. 29, № 5. P. 6890.

3. Wu G. et al. 18 wavelengths 839Gs/s optical sampling clock for photonic A/D converters // Opt. Express. 2010. V. 18, № 20. P. 21162.

4. Chou J. et al. Femtosecond real-time single-shot digitizer // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91, № 16.

5. Alliance E. 2023 Ethernet Roadmap [Electronic resource]. URL: https://ethernetalliance.org/technology/ethernet-roadmap/

6. Трещиков В. Н., Листвин В. Н. DWDM - системы. Техносфера. 2021. C.40

7. Berceli T. et al. Microwave Photonics — A Historical Perspective. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2010. V. 58, № 11. P. 2992.

8. Napier P.J., Thompson A.R., Ekers R.D. The very large array: Design and performance of a modern synthesis radio telescope // Proc. IEEE. 1983. V. 71, № 11. P. 1295.

9. VLA Tech. Electronic resource]. URL:https://public.nrao.edu/telescopes/vla/technology/

10. Zou X. et al. Photonics for microwave measurements // Laser Photon. Rev. 2016. V. 10, № 5. P. 711

II. Ankarali Z.E. et al. Flexible Radio Access beyond 5G: A Future Projection on Waveform, Numerology, and Frame Design Principles // IEEE Access. 2017. V. 5. P. 18295

12. Chen N., Okada M. Toward 6G Internet of Things and the Convergence with RoF System // IEEE Internet Things J. 2021. V. 8, № 11. P. 8719

13. Yuan Y. et al. Potential key technologies for 6G mobile communications // Sci. China Inf. Sci. 2020. V. 63, № 8. P. 1.

14. Singh M. et al. 6G Network Architecture Using FSO-PDM/PV-OCDMA System with Weather Performance Analysis // Appl. Sci. 2022. V. 12, № 22.

15. Heidari E. et al. Integrated ultra-high-performance graphene optical modulator // Nanophotonics. 2022. V. 11, № 17. P. 4011.

16. Rahim A. et al. Taking silicon photonics modulators to a higher performance level: state-of-the-art and a review of new technologies // Adv. Photonics. 2021. V. 3, № 02. P. 1.

17. Ayata M. et al. All-Plasmonic IQ Modulator With a 36 ^m Fiber-to-Fiber Pitch // J. Light. Technol. 2019. V. 37, № 5. P. 1492.

18. Fujikata J. et al. High-speed and highly efficient Si optical modulator with strained SiGe layer // Appl. Phys. Express. 2018. V. 11, № 3. P. 032201.

19. Wang C. et al. 100-GHz Low Voltage Integrated Lithium Niobate Modulators // Conference on Lasers and Electro-Optics. OSA, 2018.

20. Bogaerts W. et al. Programmable photonic circuits // Nature. 2020. Vol. 586, № 7828. P. 207-216.

21. Norberg E.J. et al. Programmable Photonic Microwave Filters Monolithically Integrated in InP-InGaAsP // J. Light. Technol. 2011. V. 29, № 11. P. 1611.

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

Wang J. et al. Reconfigurable radio-frequency arbitrary waveforms synthesized in a silicon photonic chip // Nat. Commun. 2015. V. 6, № 1. P. 5957.

Burla M. et al. On-chip CMOS compatible reconfigurable optical delay line with separate carrier tuning for microwave photonic signal processing // Opt. Express. 2011. Vol. 19, № 22. P. 21475.

Garcia S. et al. Photonic-Assisted Analog-to-Digital Conversion based on a Dispersion-Diversity Multicore Fiber // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2023.V.29.№ 6. P.1.

Esman D.J. et al. Highly Linear Broadband Photonic-Assisted Q-Band ADC // J. Light. Technol. IEEE, 2015. V. 33, № 11. P. 2256.

Li Z. et al. Photonic sampling analog-to-digital conversion based on time and wavelength interleaved ultra-short optical pulse train generated by using monolithic integrated LNOI intensity and phase modulator // Opt. Express. 2022. V. 30, № 16. P. 29611.

ITU-T. G810: Definitions and terminology for synchronization networks // Itu. 1996. V. G.810. P. 2.

Urick V.J. et al. Fundamentals of microwave photonics. 2015.

Oliveira R.M.S. De, Paiva R.R. Least Squares Finite-Difference Time-Domain // IEEE Trans. Antennas Propag. 2021. V.69. № 9. P.6111.

I. Kaminow et al. Optical Fiber Telecommunications. Academic Press, 2013. P. 22.

Govind P. Agrawal. Nonlinear Fiber Optics. 2019. V. 9. P. 27.

Mumtaz S. et al. Nonlinear Propagation in Multimode and Multicore Fibers : Generalization of the Manakov Equations. J. Light. Technol. 2013. V. 31, № 3. P. 398.

Marcuse D. et al. Application of the Manakov-PMD Equation to Studies of Signal Propagation in Optical Fibers with Randomly Varying Birefringence. J. Light. Technol. 1997. V. 15, № 9. P. 1735.

Manakov S.V. On the theory of two-dimensional stationary self-focusing of electromagnetic waves // JETP. 1974. V. 38, № 2. P. 248.

Physics U.L. Noise of mode-locked lasers ( Part I ): 2004. V. 162. P. 153.

Physics U.L. Noise of mode-locked lasers ( Part II ): timing jitter and other fluctuations. 2004. V. 173. P. 163.

Bundesanstalt P. Optical phase noise and carrier-envelope offset noise of mode-locked lasers. 2006. V. 273. P. 265.

Tang D. et al. Delay-Tap-Sampling-Based Chromatic Dispersion Estimation Method with Ultra-Low Sampling Rate for Optical Fiber Communication Systems // IEEE Access. 2020. V. 8. P. 101004.

Boyraz O. et al. 10 Gb/s multiple wavelength, coherent short pulse source based on spectral carving of supercontinuum generated in fibers // J. Light. Technol. 2000. V. 18, № 12. P. 2167

Dingel B.B. et al. Broadband linearization and its application to photonic time-stretch ADC // J. Light. Technol. IEEE, 2007. V. 3, № 1. P. 4.

Fard A. et al. Digital broadband linearization technique and its application to photonic time-stretch analog-to-digital converter // Opt. Lett. 2011. V. 36, № 7. P. 1077.

Zhao Q. et al. Time-Stretch based Photonic Analog-to-Digital Convertors for Spectrum Detection // Asia Commun. Photonics Conf. ACP. 2018. V. 10. P. 2019.

43. Starikov R.S. et al. Numeric simulation of RF modulated optical pulses propagation in photonic time-stretch system // Asia-Pacific Conf. Fundam. Probl. Opto- Microelectron. 2016. V. 10176, № 12. P. 101760K.

44. Kundert K. Accurate and Rapid Measurement of IP 2 and IP 3. 2002. DG.consulting P. 1.

45. Nelder J.A., Mead R. A Simplex Method for Function Minimization // Comput. J. 1965. V. 7, № 4. P. 308.

46. Nebavskii V.A. et al. Testing High-Resolution Optical Spectrum Analyzers for Characterization of Analog Optical Links with External Modulation // Meas. Tech. 2023. P. 40.

47. Valley G.C. Photonic analog-to-digital converters // Opt. Express. 2007. V. 15, № 5. P. 1955.

48. Khilo A. et al. Photonic ADC: overcoming the bottleneck of electronic jitter // Opt. Express. 2012.

49. Valley G.C. Photonic analog-to-digital converters: A tutorial // Conference on Optical Fiber Communication, Technical Digest Series. 2009.№2

50. Valley G.C., Hurrell J.P., Sefler G.A. Photonic analog-to-digital converters: fundamental and practical limits / ed. Lewis K.L. 2004. P. 96.

51. Taylor H. An optical ADC - Design and analysis // IEEE J. Quantum Electron. 1979. V. 15, № 4. P. 210.

52. Tsunoda Y., Goodman J.W. Combined optical AD conversion and page composition for holographic memory applications // Appl. Opt. 1977. V. 16, № 10. P. 2607.

53. Mason R., Taylor J. High-speed, high-resolution analogue-to-digital conversion using a hybrid electro-optic approach // Proceedings of ISCAS'95 - International Symposium on Circuits and Systems. IEEE. V. 1. P. 704.

54. Konishi T. et al. All optical analog-to-digital conversion: Principle and recent progress // 2009 15th Asia-Pacific Conference on Communications. IEEE, 2009. P. 487.

55. Ho P.P. et al. High-resolution spectra of cross phase modulation for an A/D converter / ed. Hendrickson B.M. 1994. P. 37.

56. Loh L.M. Subnanosecond sampling all-optical analog-to-digital converter using symmetric self-electro-optic effect devices // Opt. Eng. 1996. V. 35, № 2. P. 457.

57. Miao B. et al. Two bit optical analog-to-digital converter based on photonic crystals // Opt. Express. 2006. V. 14, № 17. P. 7966.

58. Yu S., Koo S., Park N. Coded output photonic A/D converter based on photonic crystal slow-light structures // Opt. Express. 2008. V. 16, № 18. P. 13752.

59. Sani M.H., Khosroabadi S., Shokouhmand A. A novel design for 2-bit optical analog to digital (A/D) converter based on nonlinear ring resonators in the photonic crystal structure // Opt. Commun. 2020. V. 458. P. 2019.

60. Liu Y. et al. Photonic analog-to-digital converter based on wavelength sampling and quantizing // 2009 15th Asia-Pacific Conference on Communications. IEEE, 2009. P. 491.

61. Pant R. et al. Investigation of all-optical analog-to-digital quantization using a chalcogenide waveguide: A step towards on-chip analog-to-digital conversion // Opt. Commun. 2010. V. 283, № 10. P. 2258.

62. Wen H. et al. All-optical quantization and coding scheme for ultrafast analog-to-digital

conversion exploiting polarization switches based on nonlinear polarization rotation in semiconductor optical amplifiers // Opt. Commun. 2012. V. 285, № 18. P. 3877.

63. Callahan P.T. et al. Photonic analog-to-digital conversion // Optics and Photonic J. 2020.

64. Dadashev M.S. et al. Photonic Analog-to-Digital Converter with Electronic Quantization and Optical Sampling at Rates up to 10 GSa/s // J. Commun. Technol. Electron. 2023. V. 68, № 2. P. 185-191.

65. Dingel B. et al. Adaptive High Linearity Intensity Modulator for Advanced Microwave Photonic Links // Opt. Commun. Technol. 2017. № 4.

66. Небавский В.А. и др. Методы линеаризации аналоговых оптических трактов // Успехи современной радиоэлектроники. 2021. T. 75. № 12. С. 42

67. Huber D.R. et al. Increased Linear Dynamic Range by Low Biasing the Mach-Zehnder Modulator // IEEE Photonics Technol. Lett. 1993. V. 5, № 7. P. 779.

68. Karim A. et al. Optimization of linearity figure of merit for microwave photonic links // IEEE Photonics Technol. Lett. 2009. V. 21, № 13. P. 950.

69. Roussell H. V. et al. Gain, noise figure and bandwidth-limited dynamic range of a low-biased external modulation link // IEEE Int. Top. Meet. Microw. Photonics. 2007. P. 84.

70. Singh S. et al. A Study Review of Various Optical Linearization Techniques for Next Generation RoF Networks // Proc. IEEE Int. Conf. Signal Process. Control. 2019. V. 10. P. 125.

71. Betts G.E. Optical Analog Links. 1994. Cambridge U. press. P. 3.

72. Betts G.E., Donnell F.J.O. Suboctave Linearized : Modulators // Technology. 1996. V. 8, № 9. P. 8.

73. Sabido D.J.M. et al. Improving the Dynamic Range of a Coherent AM Analog Optical Link Using a Cascaded Linearized Modulator // IEEE Photonics Technol. Lett. 1995. V. 7, № 7. P. 813.

74. Burns W.K. Linearized Optical Modulator with Fifth Order Correction // J. Light. Technol. 1995. V. 13, № 8. P. 1724.

75. Karim A., Devenport J. High dynamic range microwave photonic links for RF signal transport and RF-IF conversion // J. Light. Technol. 2008. V. 26, № 15. P. 271876.

76 Dai Y. et al. Feedforward linearization for RF photonic link with broadband adjustment-free operation // Opt. Express. 2017. Vol. 25, № 17. P. 20770.

77. Korotky S.K., De Ridder R.M. Dual Parallel Modulation Schemes for Low-Distortion Analog Optical Transmission // IEEE J. Sel. Areas Commun. 1990. V. 8, № 7. P. 1377.

78. Urick V.J. et al. Phase modulation with interferometric detection as an alternative to intensity modulation with direct detection for analog-photonic links // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2007. V. 55, № 9. P. 1978.

79. McKinney J.D. et al. Linearization of phase-modulated analog optical links employing interferometric demodulation // J. Light. Technol. 2009. V. 27, № 9. P. 1212.

80. Zhu G., Liu W., Fetterman H.R. A broadband linearized coherent analog fiber-optic link employing dual parallel Mach-Zehnder modulators // IEEE Photonics Technol. Lett. 2009. V. 21, № 21. P. 1627.

81. Li S. et al. Highly linear radio-over-fiber system incorporating a single-drive dual-parallel Mach-Zehnder modulator // IEEE Photonics Technol. Lett. 2010. V. 22, № 24. P. 1775.

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

Li J. et al. Third-order intermodulation distortion elimination of microwave photonics link based on integrated dual-drive dual-parallel Mach-Zehnder modulator // Opt. Lett. 2013. V. 38, № 21. P. 4285.

Chan E.H.W. Microwave photonic mixer based on a single bidirectional Mach-Zehnder modulator // Appl. Opt. 2014. V. 53, № 7. P. 1306.

Liang D. et al. Influence of Power Distribution on Performance of Intermodulation Distortion Suppression // IEEE Photonics Technol. Lett. 2015. V. 27, № 15. P. 1639

Singh S. et al. Linearization of Photonic Link Based on Phase-Controlled Dual Drive Dual-Parallel Mach-Zehnder Modulator // Wirel. Pers. Commun. Springer, 2020. V. 114, № 1.P. 85.

Shaqiri S. et al. Elimination of odd and even intermodulation distortions of analog microwave photonics link based on GaAs MZMs // Opt. Express. 2020. V. 28, № 12. P. 17521.

Shaqiri S., Haxha S. Linearization and down-conversion of microwave photonics Signal based on dual-drive dual-parallel MMZ with eliminated 3rd intermodulation and 2nd distortions // Optik (Stuttg)., 2020. V. 204, № 12, P. 164103.

Mirza T.N., et al. A Linearized Analog Microwave Photonic Link With an Eliminated Even-Order Distortions // IEEE Syst. J. 2021.V.5. № 15. P.4843

Ackerman E.I. Broadband linearization of a Mach-Zehnder electro-optic modulator // IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig. 1999. V. 3, № 12. P. 999.

Ackerman E.I. et al. Inherently broadband linearized modulator for high-SFDR, low-NF microwave photonic links // 2016 IEEE Int. Top. MWP 2016. 2016. V. 3. P. 265-268.

Ackerman E.I., Cox C.H. Improved RF Interference Suppression Method // J. Light. Technol. 2020. V. 38, № 19. P. 5546.

Zhang W. et al. Dual-wavelength linearization of analog photonic link based on PM-IM conversion // Opt. Commun. Elsevier Ltd., 2018. V. 420, № 4. P. 174.

Johnson L.M., Roussel H. V. Reduction of intermodulation distortion in interferometric optical modulators. 1988. V. 13, № 10. P. 119.

Haas B.M., Murphy T.E. A simple, linearized, phase-modulated analog optical transmission system // IEEE Photonics Technol. Lett. 2007. V. 19, № 10. P. 729.

Masella B., Zhang X. Linearized optical single sideband Mach-Zehnder electro-optic modulator for radio over fiber systems // Opt. Express. 2008. V. 16, № 12. P. 9181.

Han X., Chen X., Yao J. Simultaneous even- and third-order distortion suppression in a microwave photonic link based on orthogonal polarization modulation, balanced detection, and optical sideband filtering // Opt. Express. 2016. Vol. 24, № 13. P. 14812.

Zhang H. et al. Polarization-modulated analog photonic link with compensation of the dispersion-induced power fading // Opt. Lett. 2012. V. 37, № 5. P. 866.

Zhao F. et al. Linearized microwave photonic link based on dual-driven Mach-Zehnder modulator // Opt. Eng. 2020. V. 59, № 1. P. 1.

Wang Y. et al. Microwave photonic link with flexible even-order and third-order distortion suppression // IEEE J. Quantum Electron. IEEE, 2019. V. 55, № 3. P. 1.

Filter M. Wavelength Conversion Using a Light Injected : 1995. V. I, № 9. P. 998.

Bogaerts W. et al.Si - microring resonators // Laser Photonics Rev. 2012. V. 6, № 1. P. 47.

102. Haffner C. et al. Low-loss plasmon-assisted electro-optic modulator.// Nature 556, 2018. P. 483

103. Prescod A. et al. Super-linear modulator with extended bandwidth capability for broadband access applications // Broadband Access Commun. Technol. III. 2009. V. 7234, № 5. P. 72340E.

104. Dingel B., Madamopoulos N., Prescod A. Adaptive High Linearity Intensity Modulator for Advanced Microwave Photonic Links // Opt. Commun. Technol. 2017.

105. Dingel B. et al. Analytical model, analysis and parameter optimization of a super linear electro-optic modulator (SFDR > 130 dB) // Opt. Commun. Elsevier B.V., 2011. V. 284, № 24. P. 5578.

106. Dingel B.B. et al. Power balancing effect on the performance of IMPACC modulator under critical -, over- and under -coupling conditions at high frequency // Broadband Access Commun. Technol. VI. 2012. V. 8282. P. 828208.

107. Prescod A. et al. Effect of ring resonator waveguide loss on SFDR performance of highly linear optical modulators under suboctave operation // IEEE Photonics Technol. Lett. 2010. V. 22, № 17. P. 1297.

108. Childs R.B., O'Byrne V.A. Multichannel AM Video Transmission Using a High-Power Nd: YAG Laser and Linearized External Modulator // IEEE J. Sel. Areas Commun. 1990. Vol. 8, № 7. P. 1369-1376.

109. Agarwal A. et al. Predistortion compensation of nonlinearities in channelized RF photonic links using a dual-port optical modulator // IEEE Photonics Technol. Lett. 2011. Vol. 23, № 1. P. 24-26.

110. Nazarathy M. et al. Progress in externally modulated AM CATV transmission systems // J. Light. Technol. 1993. V. 11, № 1. P. 82.

111. Li P. et al. Fast Self-adaptive Generic Digital Linearization for Analog Microwave Photonic Systems // J. Light. Technol. 2021.V. 39. № 24, P. 7894

112. Lam D., Fard A.M., Jalali B. Digital broadband linearization of analog optical links // 2012 IEEE Photonics Conf. IPC 2012. V. 38, № 4. P. 370.

113. Liu E. et al. Nonlinear Distortions Compensation Based on Artificial Neural Networks in Wideband and Multi-Carrier Systems // IEEE J. Quantum Electron. 2019. V. 55, № 5. P. 1.

114. Bai W. et al. Multi-octave linearized off-quadrature biased MZM analog optical link using blind digital linearization // 2020 Asia Commun. Photonics Conf. ACP 2020 Int. Conf. Inf. Photonics Opt. Commun. IPOC 2020 - Proc.. V. 1, № 1. P. 4.

115. Jiang T. et al. Broadband Spurious-Free Dynamic Range Expander for Microwave Photonic Links Based on Optical Distortion Control // IEEE Photonics J. 2019. V. 11, № 1. P. 1.