Фотонные аналого-цифровые преобразователи

Р.С. СТАРИКОВ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ФОТОННЫЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ: СОВРЕМЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
И ПЕРСПЕКТИВЫ
Проведён обзор методов построения и схем практической реализации фотонных аналого-цифровых
преобразователей.
Современные задачи обработки сигналов предъявляют всё более высокие требования к выполнению
аналого-цифрового (АЦ) преобразования. Существующие электронные технологии АЦ-преобразования
обладают рядом принципиальных ограничений, формирующих «пределы возможного» при его выполнении
– как по скорости, так и по точности. Анализу ограничений электронных технологий АЦП посвящен
значительное количество опубликованных исследований; принято считать, что наиболее существенно на
функциональных характеристиках АЦП сказываются шумы и нелинейности системы, ограничения
временных характеристик элементной базы, ограничения энергетики сигнала, неопределённость
компараторов, а также апертурная ошибка дискретизации, фундаментально ограничивающаяся
соотношением неопределённости Гейзенберга. Сложность снижения перечисленных факторов определяет
недостаточность прогресса в технологиях электронных АЦП, всё более заметную в настоящее время. В
связи с вышеотмеченным, поиск возможностей создания устройств, выполняющих АЦ-преобразования на
основе технологий, альтернативных современной микроэлектронике представляется весьма актуальным.
Одной из таких возможностей является создание устройств использующих свет в качестве носителя сигнала.
Применение оптических средств при выполнении АЦ-преобразования вызывает интерес благодаря:

широкой полосе модуляции оптического сигнала,

высокой стабильности временных характеристик лазерных источников света,

высокой пропускной способности оптических каналов,

возможностям коммутации оптического сигнала в параллельно работающие дискретные каналы,

возможностям временного растяжения и многократного повторения оптического сигнала в
волоконных системах, и др.
Настоящая обзорная работа посвящена оптико-электронным устройствам, осуществляющим
преобразование входных временных электрических сигналов в цифровые электрические выходные сигналы,
получивших название «фотонные АЦП» (ФАЦП, photonic ADC, PhADC). Начиная с 1970х гг. рядом авторов
были представлены основные фундаментальные методы построения ФАЦП, предложены и
экспериментально продемонстрированы различные возможные варианты схем их реализующих. С начала
1990х гг. и по настоящее время число теоретических и экспериментальных исследований в области ФАЦП
неуклонно растёт; более того, на текущий день можно отметить, что с середины 2000х гг. работы в данной
области в значительной степени приобретают технологический характер. К настоящему моменту с
использованием технологий ФАЦП рядом зарубежных исследователей заявлены рекордные результаты по
скорости выполнения АЦ-преобразования – до 1013 выборок в секунду при относительно приемлемой
точности в 3-4 эффективных бита; при скоростях же преобразования на уровне 10 10 выборок в секунду и
выше предполагается и достаточно высокая точность – до 6-8 эффективных бит.
Настоящий обзор ставит своими целями краткое представление и обсуждение современных
возможностей ФАЦП. В докладе представлены основные методы, используемые при построении ФАЦП для
выполнения дискретизации и квантования, а также специфические методы оптической предобработки
обрабатываемого сигнала. Рассмотрены принципы построения ФАЦП следующих возможных классов:

с оптической поддержкой и предобработкой,

с оптической дискретизацией и электронным квантованием,

с электронной дискретизацией и оптическим квантованием,

с оптической дискретизацией и оптическим квантованием.
Приведены теоретические оценки возможностей и данные по экспериментально достигнутым
характеристикам ФАЦП. Представлены и обсуждаются конкретные реализации ФАЦП, особое внимание
уделено современным тенденциям в данной области, в частности работам по микросхемной реализации
ФАЦП.
Обзор основан на обработке более чем 140 литературных источников, при его проведении автор старался
уделить наибольшее внимание не только классическим работам в данной области, но и результатам
новейших исследований, представленных после 2010 г.