El convertidor analógico-digital de estiramiento temporal ( TS-ADC ), [1] [2] [3] también conocido como el registrador mejorado de estiramiento temporal ( TiSER ), es un sistema de conversión analógico-digital (ADC) que tiene la capacidad de digitalizar señales de ancho de banda muy alto que no pueden ser capturadas por los ADC electrónicos convencionales . [4] Alternativamente, también se lo conoce como digitalizador fotónico de estiramiento temporal (PTS), [5] ya que utiliza un frontend óptico . Se basa en el proceso de estiramiento temporal, que efectivamente ralentiza la señal analógica en el tiempo (o comprime su ancho de banda) antes de que pueda ser digitalizada por un ADC electrónico estándar.
Existe una enorme demanda de convertidores analógico-digitales (ADC) de muy alta velocidad, ya que son necesarios para equipos de prueba y medición en laboratorios y en sistemas de comunicaciones de datos de alta velocidad . [ cita requerida ] La mayoría de los ADC se basan puramente en circuitos electrónicos, que tienen velocidades limitadas y añaden muchas deficiencias, lo que limita el ancho de banda de las señales que se pueden digitalizar y la relación señal-ruido alcanzable . En el TS-ADC, esta limitación se supera estirando en el tiempo la señal analógica, lo que efectivamente ralentiza la señal en el tiempo antes de la digitalización. Al hacerlo, se comprime el ancho de banda (y la frecuencia portadora ) de la señal. Los ADC electrónicos que habrían sido demasiado lentos para digitalizar la señal original ahora se pueden utilizar para capturar y procesar esta señal ralentizada.
El procesador de estiramiento temporal, que generalmente es un frontend óptico , estira la señal en el tiempo. También divide la señal en múltiples segmentos utilizando un filtro , por ejemplo, un filtro de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) , para garantizar que la réplica estirada de los segmentos de señal analógica original no se superpongan entre sí en el tiempo después del estiramiento. Los segmentos de señal estirados en el tiempo y ralentizados se convierten luego en muestras digitales mediante convertidores analógicos/digitales electrónicos lentos. Finalmente, estas muestras son recopiladas por un procesador de señal digital (DSP) y reorganizadas de manera tal que los datos de salida sean la representación digital de la señal analógica original. Cualquier distorsión agregada a la señal por el preprocesador de estiramiento temporal también es eliminada por el DSP.
Para llevar a cabo este proceso de estiramiento temporal , se suele utilizar un front-end óptico. Un pulso óptico ultracorto (normalmente de 100 a 200 femtosegundos de duración), también denominado pulso supercontinuo , que tiene un ancho de banda óptico amplio, se estira en el tiempo dispersándolo en un medio altamente dispersivo (como una fibra compensadora de dispersión). Este proceso da como resultado un mapeo de tiempo a longitud de onda (casi) lineal en el pulso estirado, porque las diferentes longitudes de onda viajan a diferentes velocidades en el medio dispersivo. El pulso obtenido se denomina pulso chirped , ya que su frecuencia cambia con el tiempo y normalmente tiene una duración de unos pocos nanosegundos. La señal analógica se modula sobre este pulso chirped utilizando un modulador de intensidad electroóptico . Posteriormente, el pulso modulado se estira aún más en el segundo medio dispersivo que tiene un valor de dispersión mucho mayor. Finalmente, este pulso óptico obtenido se convierte al dominio eléctrico mediante un fotodetector , lo que da como resultado la réplica estirada de la señal analógica original.
Para el funcionamiento continuo, se utiliza un tren de pulsos supercontinuos . Los pulsos que llegan al modulador electroóptico deben ser lo suficientemente amplios (en el tiempo) como para que el borde posterior de un pulso se superponga al borde anterior del siguiente pulso. Para la segmentación, los filtros ópticos separan la señal en múltiples canales de longitud de onda en la salida del segundo medio dispersivo. Para cada canal, se utiliza un fotodetector independiente y un convertidor analógico-digital electrónico de extremo posterior . Finalmente, la salida de estos convertidores analógico-digitales se pasa al DSP , que genera la salida digital deseada.
El procesador PTS se basa en enlaces de fibra óptica analógica (o fotónica de microondas ) especializados [5], como los que se utilizan en la distribución de televisión por cable . Si bien la dispersión de la fibra es una molestia en los enlaces ópticos analógicos convencionales , la técnica de estiramiento temporal la explota para ralentizar la forma de onda eléctrica en el dominio óptico. En el enlace de televisión por cable, la fuente de luz es un láser de onda continua (CW) . En PTS, la fuente es un láser de pulso chirriante.
En un enlace óptico analógico convencional, la dispersión hace que las bandas laterales de modulación superior e inferior , f óptica ± f eléctrica , se deslicen en fase relativa . En ciertas frecuencias, sus batidos con la portadora óptica interfieren destructivamente, creando nulos en la respuesta de frecuencia del sistema. Para sistemas prácticos, el primer nulo está a decenas de GHz , lo que es suficiente para manejar la mayoría de las señales eléctricas de interés. Aunque puede parecer que la penalización de dispersión impone un límite fundamental en la respuesta al impulso (o el ancho de banda) del sistema de estiramiento temporal, se puede eliminar. La penalización de dispersión desaparece con la modulación de banda lateral única . [5] Alternativamente, se puede utilizar el puerto de salida secundario (inverso) del modulador para eliminar la penalización de dispersión, [5] de la misma manera que dos antenas pueden eliminar nulos espaciales en la comunicación inalámbrica (de ahí las dos antenas en la parte superior de un punto de acceso WiFi ). Esta configuración se denomina diversidad de fase. [6] La combinación de las salidas complementarias mediante un algoritmo de combinación de relación máxima (MRC) da como resultado una función de transferencia con una respuesta plana en el dominio de la frecuencia. Por lo tanto, la respuesta al impulso (ancho de banda) de un sistema de estiramiento temporal está limitada únicamente por el ancho de banda del modulador electroóptico , que es de aproximadamente 120 GHz, un valor que es adecuado para capturar la mayoría de las formas de onda eléctricas de interés.
Se pueden obtener factores de estiramiento extremadamente grandes utilizando longitudes largas de fibra, pero a costa de una mayor pérdida, un problema que se ha superado empleando la amplificación Raman dentro de la propia fibra dispersiva, lo que ha dado lugar al digitalizador en tiempo real más rápido del mundo. [7] Además, utilizando PTS, se ha logrado la captura de señales de muy alta frecuencia con una resolución récord mundial en el rango de ancho de banda de 10 GHz. [8]
Otra técnica, la obtención de imágenes temporales mediante una lente temporal , también se puede utilizar para ralentizar las señales (principalmente ópticas) en el tiempo. El concepto de lente temporal se basa en la equivalencia matemática entre la difracción espacial y la dispersión temporal , la denominada dualidad espacio-tiempo . [9] Una lente sostenida a una distancia de un objeto produce una imagen ampliada del objeto. La lente imparte un cambio de fase cuadrático a los componentes de frecuencia espacial de las ondas ópticas; en conjunción con la propagación en el espacio libre (objeto a lente, lente al ojo), esto genera una imagen ampliada. Debido a la equivalencia matemática entre la difracción paraxial y la dispersión temporal, una forma de onda óptica se puede obtener temporalmente mediante un proceso de tres pasos de dispersión en el tiempo, sometiéndola a un cambio de fase que es cuadrático en el tiempo (la propia lente temporal) y dispersándola de nuevo. Teóricamente, se obtiene una imagen enfocada sin aberraciones en una condición específica cuando los dos elementos dispersivos y el cambio de fase satisfacen el equivalente temporal de la ecuación clásica de la lente. Como alternativa, la lente temporal se puede utilizar sin el segundo elemento dispersivo para transferir el perfil temporal de la forma de onda al dominio espectral, de manera análoga a la propiedad de que una lente ordinaria produce la transformada espacial de Fourier de un objeto en sus puntos focales . [10]
A diferencia del enfoque de lente temporal, la PTS no se basa en la dualidad espacio-tiempo: no hay una ecuación de lente que deba satisfacerse para obtener una versión ralentizada y sin errores de la forma de onda de entrada. La técnica de estiramiento temporal también ofrece un rendimiento de adquisición de tiempo continuo, una característica necesaria para las aplicaciones convencionales de los osciloscopios .
Otra diferencia importante entre las dos técnicas es que la lente temporal requiere que la señal de entrada se someta a una gran cantidad de dispersión antes de su posterior procesamiento. Para las formas de onda eléctricas, no existen dispositivos electrónicos que tengan las características requeridas: (1) alta relación de dispersión a pérdida, (2) dispersión uniforme y (3) anchos de banda amplios. Esto hace que la lente temporal no sea adecuada para ralentizar formas de onda eléctricas de banda ancha. Por el contrario, PTS no tiene tal requisito. Fue desarrollado específicamente para ralentizar formas de onda eléctricas y permitir digitalizadores de alta velocidad.
La transformada de estiramiento de fase o PST es un enfoque computacional para el procesamiento de señales e imágenes. Una de sus utilidades es la detección y clasificación de características. La transformada de estiramiento de fase es un derivado de la investigación sobre la transformada de Fourier dispersiva de estiramiento temporal . Transforma la imagen emulando la propagación a través de un medio difractivo con una propiedad dispersiva tridimensional diseñada (índice de refracción).
Además de la conversión A/D de banda ancha, el estiramiento temporal fotónico (PTS) también es una tecnología que permite la instrumentación en tiempo real de alto rendimiento, como la obtención de imágenes [11] y la espectroscopia . [12] [13] Se ha demostrado que la primera microscopía de fase de alta velocidad facilitada por inteligencia artificial mejora la precisión del diagnóstico de células cancerosas a partir de células sanguíneas mediante la medición simultánea de perfiles espaciales de fase e intensidad. [14] El método de obtención de imágenes ópticas más rápido del mundo, denominado microscopía amplificada codificada en el tiempo en serie (STEAM), utiliza la tecnología PTS para adquirir imágenes utilizando un fotodetector de un solo píxel y un ADC comercial. La espectroscopia de longitud de onda-tiempo, que también se basa en la técnica de estiramiento temporal fotónico, permite realizar mediciones de un solo disparo en tiempo real de espectros que evolucionan o fluctúan rápidamente.
La obtención de imágenes cuantitativas de fase con estiramiento temporal ( TS-QPI ) es una técnica de obtención de imágenes basada en la tecnología de estiramiento temporal para la medición simultánea de perfiles espaciales de fase e intensidad. En la obtención de imágenes con estiramiento temporal, la información espacial del objeto se codifica en el espectro de pulsos láser con una duración de pulso de subnanosegundos. A continuación, cada pulso que representa un fotograma de la cámara se estira en el tiempo para que pueda digitalizarse en tiempo real mediante un convertidor analógico-digital (ADC) electrónico. La iluminación de pulsos ultrarrápidos congela el movimiento de células o partículas de alta velocidad en el flujo para lograr imágenes sin borrosidad. [15] [16]