ФОТОННЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области фотонных интегральных схем.
Известен фотонный аналого-цифровой преобразователь (далее - АЦП), содержащий источник высокочастотной последовательности лазерных импульсов (решетку лазерных диодов) и оптически соединенные с ним параллельные, в количестве, равном числу разрядов АЦП, каналы, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные модулятор Фабри-Перо и фотоприемник. Модуляторы Фабри-Перо и волноводы, обеспечивающие оптическое соединение каждого из них с соответствующим лазерным диодом, сформированы на подложке из ниобата лития LiNb(b), решетка лазерных диодов и решетка фотоприемников выведены за пределы подложки (см. статью Chang C.L., Tsai C.S. «Electro-optic analog-to-digital converter using channel waveguide Fabry-Perot modulator array», Appl. Phys. Lett., 43(1), 1 July 1983, pp. 22-24).
Основной недостаток известного АЦП состоит в том, что он отличается невысоким быстродействием вследствие использования модуляторов Фабри-Перо. Кроме этого, компоновка известного АЦП снижает его точность и быстродействие в связи с наличием протяженных линий связи, т.к. АЦП имеет не интегральное, а дискретное исполнение, а по ходу распространения сигнал затухает и искажается.
Раскрытый в упомянутой статье АЦП принят в качестве ближайшего аналога заявленного АЦП.
Техническая проблема, решаемая заявленной полезной моделью, состоит в устранении указанных недостатков.
При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении быстродействия АЦП при одновременном обеспечении его компактности и, как следствие, возможности его простой интеграции в электронные устройства широкого спектра назначения, в том числе обладающие малыми габаритами.
Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания фотонного АЦП, содержащего источник высокочастотной последовательности лазерных импульсов и оптически соединенные с ним параллельные, в количестве, равном числу разрядов АЦП, каналы, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные модулятор и фотоприемник, представляющего собой интегральную схему. В качестве каждого из модуляторов использован магнитно-оптический модулятор Маха-Цендера. Длина каждой из магнитных пленок, входящей в состав модулятора, соответствующего последующему разряду АЦП, увеличена в два раза относительно длины магнитной пленки, входящей в состав модулятора, соответствующего предыдущему разряду АЦП.
В частном варианте выполнения упомянутый источник высокочастотной последовательности лазерных импульсов представляет собой интегральный полупроводниковый лазер.
В другом частном варианте выполнения упомянутый источник высокочастотной последовательности лазерных импульсов выполнен с возможностью подведения лазерного излучения от внешнего лазера.
В предпочтительном варианте выполнения упомянутый источник высокочастотной последовательности лазерных импульсов выполнен с возможностью подведения лазерного излучения с помощью каплера или средства фокусировки.
В еще одном частном варианте выполнения упомянутая интегральная схема выполнена на материалах А3В5.
В еще одном частном варианте выполнения в качестве материала упомянутых магнитных пленок использован ферромагнетик, выбранный из группы, включающей в себя DyFeCo, GdFeCo или соединения граната.
На фиг. 1 показано схематическое изображение заявленного АЦП, согласно частному варианту выполнения.
На фиг. 2 показана передаточная характеристика 4-разрядного фотонного АЦП.
АЦП, показанный на фиг. 1, содержит источник высокочастотной последовательности лазерных импульсов 1 и оптически соединенные с ним параллельные, в количестве N, равном числу разрядов АЦП (например, четырем), каналы, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные магнитно-оптический модулятор Маха-Цендера (2a-2d) и фотоприемник (3a-3d). Дополнительно каждый из каналов включает в себя последовательно соединенные усилитель 4a-4d и компаратор 5a-5d. Длина каждой из магнитных пленок 6a-6d, входящей в состав модулятора 2a-2d, соответствующего последующему разряду АЦП, увеличена в два раза относительно длины магнитной пленки 6a-6d, входящей в состав модулятора 2a-2d, соответствующего предыдущему АЦП, что обеспечивает нужную передаточную характеристику (см. фиг. 2).
Описанные выше модуляторы обладают быстродействием, существенно превышающим быстродействие модуляторов Фабри-Перо, за счет того, что намагниченность пленки переключается за время действия сигнала, кроме того, модуляторы Фабри-Перо обладают более высокой инерционностью, чем модуляторы Маха-Цендера.
3
Заявленный АЦП представляет собой единую интегральную схему (далее - ИС), выполненную, в частности, на подложке 7 из LiNbO, на которой выращивают необходимую для реализации топологии ИС гетероструктуру (например, на материалах А3В5 соединений) и проводят с ней необходимые технологические операции, согласно технологическому маршруту. Топологию ИС проектируют и моделируют в САПР, например, при помощи программного обеспечения Lumerical, COMSOL, PhoeniX или Optiwave. Оптическое соединение источника высокочастотной последовательности лазерных импульсов 1 с каждым из каналов АЦП обеспечено, в частности, путем формирования волноводов диффузией титана.
В частном варианте, показанном на фиг. 1, источник высокочастотной последовательности лазерных импульсов 1 выполнен с возможностью подведения лазерного излучения от внешнего лазера (например, волоконного лазера). Лазерное излучение заводят в торец ИС с помощью каплера или средства фокусировки (условно не показаны). Внешний лазер должен обладать нужными для осуществления аналого-цифрового преобразования характеристиками: совмещенной с модуляторами Маха-Цендера 2a-2d и фотоприемниками 3a-3d длиной волны излучения, способностью генерировать высокочастотную последовательность лазерных импульсов, необходимой (учитывая потери) мощностью, достаточной для работы стабильностью. В другом частном варианте в качестве источника высокочастотной последовательности лазерных импульсов 1 может быть использован интегральный полупроводниковый лазер, сформированный на подложке 7 в составе ИС.
Фотоприемники 3a-3d должны обладать достаточной чувствительностью и скоростью приема для осуществления быстрого аналого-цифрового преобразования.
Заявленный АЦП используют следующим образом.
Оцифровываемый сигнал усиливают в усилителе 8 и последовательно подают на магнитные пленки 6a-6d магнитно-оптических модуляторов Маха-Цендера 2a-2d, а фотоприемники 3a-3d принимают модулированную оптическую несущую от источника высокочастотной последовательности лазерных импульсов 1, обеспечивая необходимую передаточную характеристику. Далее сигнал через усилители 4a-4d попадает на компараторы 5a-5d. На выходе из входного аналогового сигнала получается набор из N цифр (0 или 1), соответствующих числу разрядов N, обозначающий число. Например, сигнал + V/2, согласно передаточной характеристике на фиг. 2, будет числом 1001.
Заявленный АЦП способен осуществлять аналого-цифровое преобразование с частотой 10 ГГц и может быть использован, например, для реализации алгоритма шифрования цветного изображения на основе лазерной хаотической системы дробного порядка.