高速光电数字化：雷达和通信的全频段直采
技术描述
模数转换器主要用于将模拟信号转换成数字信号。数字信号相对于模拟信号在灵活性和成本上具备更大优势，同时具备更高的可编程性，因此现代电子信息系统希望尽可能减少模拟处理而更多采用数字处理。当前以雷达、通信为代表的电子信息系统往宽带化、数字化方向快速演进，为了将宽带模拟信号中携带的信息转换为计算机可处理的二进制信息，高速和高精度的模数转换器（ADC）是必不可少的。根据奈奎斯特采样定理，带宽较大的信号意味着ADC需要更高的采样率。电子模数转换器（电AD）受限于时钟抖动、比较器模糊等“电子瓶颈”，采样率和有效位数难以进一步大幅提高。 光学模数转换器（光AD）将光子学器件和电AD通过新型架构有机结合，采用高速率、低噪声的光脉冲串作为采样时钟，具有超大模拟输入带宽的采样门实现电光采样，从而能够有效地突破“电子瓶颈”，同时后端量化采用高精度电AD来实现，这种架构基于光子技术在带宽、速率和噪声水平方面的优势以及电学的灵活成熟可拓展特性，并结合多维通道失配补偿与校正方法以及调制器偏置点自动锁定技术，实现了更大输入带宽、更高采样率和更高数字量化精度的模数转换，且通过光电混合集成的手段实现芯片化，可满足当前雷达、通信等现代电子信息系统的宽带化、数字化发展需求。
技术优势
智能微波光波融合创新中心研制了四代宽带光模数转换系统样机（第四代样机采样率40GSa/s，模拟带宽30GHz），并通过创新集成思路，采用硅光、铌酸锂薄膜等不同手段研制了高速宽带光AD芯片（其中硅光AD芯片采样率40GSa/s，模拟带宽19GHz，铌酸锂薄膜AD芯片模拟带宽＞30GHz），采样率十倍于国际最先进水平。基于所研制系统样机和芯片与行业部门进行外场联调，实现了跨频段、超宽带信号的高保真接收与厘米级高分辨雷达成像，其中逆合成孔径成像精度最高达3.3cm×1.9cm，较现有雷达提升10倍以上。研制的光电示波器采样率达到200GSa/s，有效位数为5.6bit，在移动通信、高端仪器等领域具有重要应用。目前，中心正在与某知名企业进行深度合作，旨在实现宽带跨频段通信信号的全频段直采，提升6G通信系统的传输速率与带宽，提高信噪比。 当前国际最先进的AD芯片厂商TI和ADI公司采用先进工艺制程研制的电AD芯片采样率最高只有10.4GSa/s和10.24GSa/s，中心研制的光AD芯片工艺制程只需要90nm硅光工艺结合32nm纯电工艺即可实现，其性能却远超7nm纯电工艺制程下的芯片性能，体现了光学模数转换和光电混合集成技术的巨大优势。
效果指标
目标市场：应用领域主要包括雷达、移动通信、仪器仪表、自动驾驶、无人机和机器人等，目标市场包括大型雷达、示波器、移动通信基站以及自动驾驶等市场。 市场规模：雷达市场方面，整体来看，未来五年国内J用、民用雷达都呈现稳增长态势，到2026年，国内民用雷达市场规模约达313.5亿元，J用雷达约达470.2亿元，复合增长率约为3.3%，雷达方面的应用市场主要从J用雷达中的陆基和舰载雷达切入，随着高性能雷达需求增长，假设2026年光AD渗透率达50%，成本占比约20%，光AD单在J用雷达市场规模高达50亿元以上。仪器仪表方面，中国示波器市场规模预计将由2020年的4.4亿美元增长至2025年的6.5亿美元，年均复合增长率8.1%。对于高端示波器领域，受掐脖子严重的某通讯龙头企业，单独就需100台（单价约300万美元）高采样率示波器用于研发，价值规模达20亿元。移动通信方面，对于未来无线基站而言，包括现在的5G基站在内，2024-2025年5G基站市场空间总计约1627.5亿元。6G基站的传输距离仅为200米或更短，将会使用高密度的小型基站，对基站的需求量更高。未来10年将是5G+和6G基站器件更新换代的高峰。假设5G基站中模数转换和数字信号采集处理器件的占比为10%，则2022-2025年，对应宏基站的ADC和数字信号处理器件市场空间将不小于162.75亿元。