5.4.2. Фазовые электрооптические ацп

Основной составной частью АЦП этого типа является волноводный модулятор на основе интерферометра Маха-Цендера, схема которого показана на рис. 5.10,а. Он содержит пьезоэлектрический кристалл а (например, LiNbO₃, LiTaO₃),на котором выполнен одномодовый волновод b, делящий с помощью Y-разветвителя мощность оптического сигнала на две составляющие. Каждая составляющая светового сигнала проходит одинаковый путь перед сложением со вторым Y-разветвителем. При отсутствии напряжения на кристалле составляющие света при сложении имеют одинаковую фазу, а выходной сигнал - максимальную величину. При подаче напряжения к одному плечу модулятора с помощью компланарных электродов с, фазовая скорость распространения света в этом плече изменяется из-за линейного электрооптического эффекта, что приводит к появлению разности фаз световых сигналов, проходящих через два плеча модулятора перед их сложением. В результате выходной сигнал уменьшается и в предельном случае при разности фаз 18О° он равен нулю.

Использование трехполюсной схемы (рис. 5.10, б), один из полюсов которой находится между двумя волноводами, а два других - с их внешней стороны, позволяет снизить вдвое напряжение V, необходимое для получения заданной разности фаз .

Интенсивность выходного сигнала модулятора равна

, (5.19)

где - для двухполюсной схемы электродов;

- для трехполюсной схемы электродов.

Формируя на монокристаллической подложке из пьезоэлектрического материала а несколько таких модуляторов, как пока­зано на рис. 5.11,а можно построить АЦП, для которого на каж­дый двоичный разряд требуется только один модулятор. Аналоговый сигнал при этом подается параллельно на все модуляторы.

Длина сигнальных электродов в каждом модуляторе рассчитывается по основной формуле ,m=1,2…n.

Рис. 5.10. Схематическое изображение волноводных модуляторов на основе интерферометров Маха-Цендера

Зависимость интенсивности выходного сигнала от напряже­ния приведена на рис. 5.11,б. Двоичный код также получается сравнением выходных сигналов модуляторов, вырабатываемых фотоприемниками I на каждом выходе, с опорным сигналом от того же источника светового сигнала. Как показано на рис. 5.11,б, при интенсивности выходного сигнала, превышающей или меньшей порогового значения , вырабатывается "I" или "0" соответственно. На этом рисунке также показан соответствующий код Грея.

Число значащих разрядов в электрооптическом АЦП этого типа такое же, как в случае поляризационного АЦП, а уровень квантования - V_с для - для двухполюсной схемы эле­ктродов и - для трехполюсной схемы электродов.

Для того чтобы уменьшить потери электрической мощности, оптические потери и время распространения света, необходимо уменьшить длину модулятора, соответствующую наименьшему

значащему разряду. Уменьшить длину в 2 раза можно, пропуская выходной сигнал модулятора, соответствующий наименьшему значащему разряду, через фильтр верхних частот и цепь двухполупериодного выпрямления. Усиленный выходной сигнал выпрямителя управляет затем компаратором. При использовании

Рис. 5.11. Схематическое изображение четырехразрядного ОЭ АЦП на основе интерферометров Маха-Цендера (а) и эпюры напряжений на выходах компараторов (б)

двухполупериодной схемы выходной сигнал (рис. 5.12) является периодической функцией приложенного напряжения с периодом в 2 раза меньшим, чем выходной сигнал фотоприемника.

Рис. 5.12. Диаграммы напряжений на входе компаратора (а) и выходные сигналы (б)

В результате такого изменения происходит уменьшение длины модулятора наименьшего разряда и, следовательно, длины всего устройства в 2 раза.

Используемые в электрооптическом АЦП (рис. 5.11) модуляторы имеют излучательные потери в точке разветвления волноводов. Один из способов преодоления трудностей, связанных с изготовлением разветвленных волноводов с низкими потерями, состоит в использовании направленных ответвителей для деления надвое входного сигнала и сложения модулированных волн. На рис.5.13,а показана схема волноводного электрооптического мо-дулятора с направленными ответвителями (балансный мостовой модулятор).

В балансном мостовом модуляторе входной световой сигнал, поступающий в любой из двух волноводов b, делится поровну в трех-децибельном направленном ответвителе с и вводится в два параллельных волноводных плеча, в каждом плече сигналы модулируются по фазе электрооптическим способом с помощью электродов, расположенных в фазовращательной области d над волноводами (электроды типа "кобра").

Рис. 5.13. Балансный волноводный модулятор

После прохождения фазовращательной области d эти две волны интерферируют между собой во втором направленном ответвителе. Выходной сигнал такого модулятора в случае использования света ТМ поляризации и электрооптического кристалла Z -среза также оказывается модулированным по интенсивности в за­висимости от разности фаз. Для лучшего разделения оптического сигнала между двумя волноводами трех-децибельный направленный ответвитель может содержать подстроечные электроды b.

Оптическая связь между волноводами в фазовращательной области устраняется либо травлением канала между ними, либо сильным рассогласованием за счет двойной диффузии в волноводах. Схема балансного мостового модулятора для двухразрядного фазового электрооптического АЦП приведена на рис. 5.13,б. Уровень квантования в электрооптическом АЦП с балансными модуляторами Vo определяется для .

Как показано ранее, выходной сигнал модуляторов, изменя-ющийся по синусоидальному закону, в зависимости от величины V преобразуется электронными компараторами каждого разряда в последовательность прямоугольных импульсов ("нули" и "единицы"). Учитывая, что эта последовательность аппроксимируется рядом Фурье

, (5.20)

синусоидальный выходной сигнал в каждом канале интерференционного оптоэлектронного АЦП может быть легко преобразован в последовательность прямоугольных импульсов сложением выходных сигналов двух и более модуляторов.

На рис. 5.14 изображена схема одного канала фазового ин­терференционного АЦП.

В каждом канале используются два дополнительных модуля­тора, выходные сигналы которых имеют вид

, (5.21)

, (5.22)

Рис.5.14. Схема одного канала фазового интерференционногоАЦП

где -электрооптический индуцированный фазовый сдвиг вm-м канале фазового интерференционного АЦП; ,- статические фазовые сдвиги, соответственно, во втором и третьем модуляторах m-го канала.

Необходимая величина интенсивности в каждом модуляторе устанавливается подбором коэффициентов связи в связанных волноводах. Суммируя затем выходные сигналы трех модуляторов так, чтобы , , получаем

(5.23)