SE518529C2 - Förfarande och anordning för alstring av en frekvensavstämbar elektromagnetisk signal - Google Patents

Description

20 25 30 518 529 Uppfinningen löser problemet med att åstadkomma en mikrovàgsgenerator som inte erfordrar en extern referenssignal och dyra komponenter.

Lösningen på problemet anges i de självständiga kraven.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN En elektromagnetisk signal alstras genom att överlagra utsignalerna fràn tvà eller flera optiska lasrar på varandra. En genom överlagringen alstrad svävningsfrekvenssignal återkopplas till lasrarnas ingångar för att alstra sidband i den optiska. utsignalen. Varje laser injektionslåses därefter optiskt till ett sidband hos den andra lasern så att lasrarna skiljer sig i frekvens med ett belopp som är lika med svävningsfrekvensen. Svävningsfrekvensen kan varieras genom att variera ingångsförspänningen till en eller flera av lasrarna.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer nu att beskrivas mer i detalj i förklarande och icke- begränsande syfte under hänvisning till bifogade ritningar, pà vilka Fig. 1 schematiskt visar förhållandet mellan effekt och frekvens för en laser som modulerats med en signal, Fig.2 visar en första utföringsform av uppfinningen i form av ett blockschema, Fig. 3 visar utföringsformen enligt flg. 2 mer i detalj och F ig. 4 visar en föredragen utföringsform av uppfinningen inkorporerad i ett halvledarchips.

DETALJBESKRIVNING Fig. 1 visar schematiskt förhållandet mellan effekt ooh frekvens för var och en av tvà avstämbara lasrar, vilkas utsignalbestämmande parameter, i detta exempel likströmsförströmmen, modulerats med en signal såsom exempelvis 10 15 20 25 30 518 529 'f =.=. en mikrovågssignal. Alternativt kan endast en av lasrarna vara avstämbar.

När de icke moduleras alstrar var och en av lasrarna en enda mittfrekvens fc.

När laserns förström moduleras med en signal alstras ett antal sidband vilkas effekt normalt avtar med ökande övertonstal. Övertoner alstras ovanför och nedanför mittfrekvensen fc N-2, N-1, N + 1, N + 2 där N är ett heltal. l figuren visas tvà av dessa övertoner pä varje sida om mittfrekvensen.

Skillnaden i frekvens mellan varje angränsande par av övertoner är lika med den modulerande signalens frekvens fM.

Fig. 2 visar en första utföringsform av uppfinningen i form av ett blockschema. Första och andra lasrar 1, 2 visas parallellt anordnade, varvid var och en av lasrarna alstrar en optisk utsignal. Godtycklig, lämplig typ av laser kan användas. Särskilt lämpliga är lasrar vilkas frekvens styrs av en styrbar parameter som närmare bestämt kan vara en spänning eller ström, exempelvis en förström. Lasern måste också kunna injektionslåsas. Lämpliga lasrar bör företrädesvis kunna integreras, ha smal linjebredd och/eller ha ett enda stabilt polarisationstillstànd. l föreliggande fall är en särskilt lämplig laser en ytemitterande vertikalkavitetslaser ("Vertical Cavity Surface Emitting Lased) (VCSEL).

Den första och den andra laserns 1, 2 utsignaler kombineras och matas till en fotodetektor 4. Utöver mittfrekvenserna fc, f'c kommer svävningsfrekvenser att alstras, vilka är lika med eventuella skillnader i frekvens mellan utsignalerna fràn den första och den andra lasern 1, 2 särskilt skillnader mellan de tvà lasrarnas mittfrekvenser fc, f'c.

De första och andra lasrarnas likströmsförströmmar är olika så att lasrarna inte får samma mittfrekvens. Eftersom de två lasrarna har olika mittfrekvens kommer mittfrekvenserna att överlagras varandra när utsignalerna kombineras. Den genom överlagringen alstrade svävningsfrekvensen är lika med skillnaden mellan mittfrekvenserna fc, f'c. Utsignalen fràn fotodetektom 4 matas till en fördröjningskrets 6 via ett bandpassfilter 5, som bortfiltrerar de 10 _15 20 25 30 518 529 4 andra övertonerna av svävningsfrekvenserna som inte önskas.

Fördröjningskretsen 6 inför en variabel fördröjning i mikrovågsàterkopplingssignalen. Fördröjningskretsen 6 gör det således möjligt att justera återkopplingssignalens fas så att fasbrus reduceras vid mikrovågsutgàngen. Mikrovågsàterkopplingssignalen kombineras med likströmsförströmmen till lasrarna för att modulera laserförströmmen och alstra sidbanden i varje Iaserutsignal. Likströmsförströmmen har således en modulerande frekvens som är densamma som skillnaden mellan mittfrekvenserna. Effekten *av modulering under användande av skillnaden mellan mittfrekvenserna är att alstra sidband i varje lasers utsignal som skiljer sig från mittfrekvensen med ett belopp som är lika med ett heltal av mittfrekvensernas svävningsfrekvens. Detta innebär att det finns ett sidband frán varje laser som är lika med den andra lasems mittfrekvens. Detta illustreras i fig. 1 där varje lasers sidband visas. Den ena lasems mittfrekvens är densamma som ett sidband hos den andra lasern.

Varje lasers optiska utsignal kopplas till den andra lasern medelst en svag optisk länk 7, dvs med reducerad optisk effekt. Den första laserns 1 sidband inkluderar ett sidband vid en frekvens som är lika med den andra laserns 2 mittfrekvens fc så att den andra lasern 2 optiskt kan injektionslàsas till detta sidband hos den första lasern 1. Pà samma sätt inkluderar sidbanden hos den andra lasern 2 ett sidband vid en frekvens som är lika med den första laserns mittfrekvens fc så att den första lasern kan injektionslàsas till detta sidband hos den andra lasern 2. På detta sätt fungerar varje laser som en slav till den andra lasern. En effekt av den optiska injektionslåsningen är att begränsa linjebreddema hos respektive mittfrekvenser. Detta begränsar även linjebredden hos mikrovàgssväv-ningsfrekvensen. Vidare reduceras fasbrus.

Fig. 3 visar ovannämnda utföringsform av uppfinningen mer i detalj. De första och andra lasrarna 1, 2 visas med sina utgångar anordnade parallellt. 10 15 20 25 30 518 529§Å= Skillnaden mellan utföringsform åstadkommas genom anordnandet av en variabel resistans 24 i Iikströmsförströmmarna kan såsom i föreliggande den andra laserns 2 elektriska ingång. Eftersom förekomsten av resistansen 24 reducerar strömmen vid den andra lasern kommer denna laser att ha en annan mittfrekvens fc än den första laserns mittfrekvens fc. Skillnaden mellan mittfrekvenserna fc, fc kommer att bero på värdet av resistansen 24 och varieras således genom att variera denna resistans. Andra medel kan även användas för att åstadkomma en annan likströmsförström till den andra lasern. Alternativt kan lika väl andra medel såsom exempelvis temperatur användas för att variera lasermittfrekvensen.

Utsignalen från varje laser leds genom var sin optisk isolator 9, 10 för att undvika oönskade tillbakareflexer. lsolatorerna är anordnade efter den svaga optiska länken 7. Laserutsignalerna sammanförs i en samlare 3. Samlarens 3 utsignal matas in i en effektdelare 13. Effektdelaren delar sin insignal i två eller flera utsignaler. Utsignalerna kan ha samma eller olika effekt.

Effektdelaren 13 gör det möjligt att exempelvis koppla en optisk utsignal 25 Effektdelaren är mikrovågsgeneratorns funktion. Effektdelaren kan vara av godtycklig, lämplig till en optofiber. emellertid inte väsentlig för form som gör det möjligt att avdela del av den optiska signalen. Lämpliga typer av optiska delare inbegriper exempelvis en stråldelare.

Den optiska signalen från lasrarna omvandlas till en mikrovàgssignal av godtycklig höghastighetsanordning som kan arbeta vid mikrovàgsfrekvenser. Lämpliga fotodetektorn 4. Fotodetektorn kan vara någon fotodetektorer måste ha hög verkningsgrad, hög känslighet och låga brusnivåer. Lämpliga fotodetektorer inbegriper Schottkey-dioder, fotoledare etc. Fotodetektorn 4 reagerar på den kombinerade optiska signalen med att alstra signaler inom mikrovågsomràdet. Signalen från fotodetektorn 4 förstärks medelst en förstärkare 14 som exempelvis kan vara en linjär förstärkare. Den förstärkta mikrovågssignalen matas därefter in i en 10 15 20 25 30 518 529 effektförstärkare 15 för ästadkommande av en mikrovàgsutsignal 26 för vidare användning.

Del av mikrovågssignalen fràn fotodetektorn 4 återkopplas via ledningen 27 till Iasrarnas förström. Signalen passerar först genom ett smalt bandpassfilter 5 som endast tillåter den önskade svävningsfrekvensen att passera och som eliminerar andra frekvenser. Om så önskas kan bandpassfiltret tillåta fler än en svävningsfrekvens att passera. Signalen passerar via en förstärkare 16 till fördröjningskretsen 6 som fungerar på ovan redan beskrivet sätt.

Fràn fördröjningskretsen 6 matas signalen till den första och den andra laserns likströmsförströmmar via en anpassningskrets 21.

Anpassningskretsen 21 matchar impedansen hos förstârkarens 16 utgång med ingångsimpedansen hos lasrarna och likströmskällan. lnjektionslàsning av lasrarna åstadkoms genom att mata del av utsignalen från varje laser in i den andra lasern via den svaga optiska länken 7.

Signalen fràn den första lasern 1 passerar en stràldelare 9 som är placerad framför den optiska isolatorn 11. Stràldelaren delar den optiska utsignalen i två delar. àterkopplingsnivåregulator, i detta fall i form av en dämpare 8, till en andra Den ena delen av utsignalen passerar via en optisk stràldelare 10 som reflekterar denna signal in i den. andra lasem 2 för ästadkommande av emissionsstimulering. Den andra delen av utsignalen passerar till den optiska isolatorn 11. Signalen från den andra lasern 2 passerar pà liknande sätt stràldelaren 10 som är placerad framför den optiska isolatorn 12. Stràldelaren delar utsignalen i två delar. Den ena delen av utsignalen passerar via dämparen 8 till den första stràldelaren 9 som reflekterar denna signal in l den första lasern 1 för ästadkommande av emissions-stimulering. Den andra delen av utsignalen passerar till den optiska isolatorn 12. Den av dämparen 8 åstadkomna dämpningen är variabel och kan varieras för att variera storleken av injektionen. Ett typiskt 10 15 20 25 30 518 529 nu en belopp skulle kunna vara 35-60 dB. Detta värde kan tillämpas på exempelvis lasrar av VCSEL-typ.

Alternativt kan mikrovågsfrekvensen synkroniseras med en extern mikrovågssignal. Mikrovågsåterkopplingsslgnalen matas via en 1/n-delare, exempelvis en 1/128-delare, in i ett faslàst slingfilter 18 och kombineras med en extern referenssignalkälla 20 efter förstärkning medelst en förstärkare 19. båda förströmmar kan varieras samtidigt, exempelvis genom att variera en variabel Endera eller lasramas förströmmar kan varieras. Lasrarnas resistans 23. Den variabla resistansen 23 kopplar likströmskällan till detta fall mittfrekvens med samma belopp så att skillnaden mellan mittfrekvenserna lasrarnas likströmsförströmingång. l ändras varje lasers förblir konstant. Detta betyder att den överlagrade mikrovågsfrekvensen förblir konstant. Det är således möjligt att behandla de optiska signalerna samtidigt som möjligheten till en godtycklig konstant mikrovågsutsignal bibehålls.

Den variabla resistansen som är anordnad i den andra laserns 2 likströmsingång gör det möjligt att variera den andra lasems förström relativt den första lasems förström. Den variabla resistansen 24 skulle lika väl kunna vara anordnad i den första laserns 1 likströmsingàngsledning. Om så erfordras skulle en variabel resistans kunna vara anordnad i båda lasramas ingàngsledningar. Mikrovägssvävningssignalen kommer att ändras där effekten av en ändring i förströmmen till endera eller båda lasrarna sker för att alstra en ny frekvensskillnad mellan de två lasramas mittfrekvenser. Ändringen vill åstadkomma nya sidbandsfrekvenser i laserutsignalerna. De nya sidbandsfrekvenserna kommer att verka för att injektionslåsa lasrarna till de nya frekvenserna och således för att läsa mikrovågssvävnlngsfrekvensen vid den nya frekvensen. Om en modulerande basbandssignal tillförs lasrarnas förströmmar kommer skillnaden mellan de två frekvens/fasmodulering av mikrovågsutsignalen att ernås. 10 15 20 25 30 518 529 Fig. 4 visar en föredragen utföringsform av uppfinningen som utnyttjar ett par VCSEL-lasrar utformade på ett halvledarchips. Anordningen innefattar ett halvledarchipssubstrat 30 på vilket två VCSEL-lasrar 31, 32 utformats. intill substratet finns en tunn, optiskt transparent film 37. Filmen är försedd med första och andra diffraktionsgitter 39, 40, vilka fungerar som stràldelare. l den tunna, optiskt transparenta filmen 37 eller i optisk förbindelse med filmen 37 finns en optisk àterkopplingsniváregulator i form av en dämpare 38. Intill den optiskt transparenta filmen 37 finns en tunn stràlsamlarfilm 33. Samlarfilmen 33 kombinerar strålarna från de två Iasrarna. Intill samlarfilmen 33 finns ett ytterligare substrat 36 som innefattar en fotodiod 34. Fotodioden 34 kan anslutas till mikrovàgkretsanordningar. Samlarfilmen 33 inkluderar tredje och fjärde diffraktionsgitter 41, 42. Det tredje diffraktionsgittret delar utsignalen från den första lasern i en första del som är riktad längs tunnfilmen 33 till den fjärde diffraktionsgittret 42 och en andra del som passerar genom filmen som del av en optisk utsignal. Det fjärde diffraktionsgittret 42 delar stràlen från den andra lasern i en första del som är riktad längs tunnfilmen 33 till det tredje diffraktionsgittret 41 och en del som passerar genom filmen som del av en optisk utsignal. Det tredje diffraktionsgittret 41 avlänkar den del av fjärde diffraktionsgittret 42 i samma riktning som utsignalen fràn den första lasern utsignalen från den andra lasern som kommer fràn det för àstadkommande av en kombinerad optisk utsignal 35. Det fjärde diffraktionsgittret 42 avlänkar den del av tredje diffraktionsgittret 41 i samma riktning som utsignalen från den andra lasem i utsignalen från den första lasern som kommer från det och för att åstadkomma en kombinerad optisk utsignal. Den kombinerade optiska utsignalen fràn det fjärde diffraktionsgittret mottas av fotodioden 34 på substratet 36. Fotodioden 34 alstrar en elektrisk signal som motsvarar svävningsfrekvensema mellan utsignalerna från de första och andra Iasrarna.

Utsignalen från fotodioden kan återkopplas in i de första och andra lasrarna på samma sätt som redan beskrivits med avseende på den i fig. 3 visade utföringsformen. 10 15 20 25 30 vv nu Vid drift bildar den andra lasern en extern kavitet till den första lasern.

VCSEL-lasern har en intem kavitet som är utformad mellan ett par fördelade Bragg-reflektorer ("Distributed Bragg Reflectors"). Den ena av den andra laserns fördelade Bragg-reflektorer bildar en extern spegel för den första lasern. På motsvarande sätt bildar den ena av den första laserns fördelade Bragg-reflektorer en extern spegel för den andra lasern. Om lasrarna befinner sig utanför sina låsningsomràden fungerar varje laser som en passiv spegel för den andra spegeln.

Alternativt kan en polarisator vara anordnad i den optiska banan mellan lasrarna för att stabilisera lasrarnas polarisation särskilt ifall lasrarna inte har stabil polarisation.

Den optiska längden av den externa kaviteten kan varieras genom att ändra brytningsindexet hos den optiskt transparenta filmen 37 genom vilken den optiska signalen passerar. Den optiska längden kan varieras på något lämpligt sätt som kan inkludera upphettning eller pàtryckning av ett elektriskt fält på ett elektrooptiskt material av den typ vars brytningsindex beror på styrkan av ett pålagt elektriskt fält.

I ovanstående beskrivning hänvisas till en VCSEL-laser som arbetar som en enkelmodlaser. En VCSEL-laser kan även arbeta som en multimodlaser. Vid multimoddrift kan ett spatialfilter vara anordnat i den externa kaviteten för att välja önskad mod. Spatialfiltret medger val av mod i beroende av sin tvärsektionsform. Även om uppfinningen beskrivits ovan med avseende på två parallella lasrar kan den även tillämpas pà tre eller flera parallella lasrar, vilka är avstämda till var sin mittfrekvens. I detta fall är fotodetektorn anordnad att åstadkomma två eller flera äterkopplingssignaler. Varje äterkopplingssignal kan passera via ett separat bandpassfilter som väljer olika frekvens för att modulera två 10 518 529 10 eller flera av lasrarna. På detta sätt kan mikrovågsutsignaler åstadkommas vid två eller flera våglängder. Normalt är anordningen så anordnad att mikrovágsutsignalerna är åtskilda minst 1 GHz i och för att undvika korsinterferens, exempelvis inbördes fasbrus. Alternativt kan anordningen vara så anordnad att utsignalerna ligger närmare varandra så att bredbandsmikrovågsbrus kan alstras.

Ovanstående utföringsformer av uppfinningen har beskrivits med avseende på alstring av mikrovågor, dvs elektromagnetiska vågor med frekvenser inom området 1-300 Gigahertz. Med lämpligt val av komponenter kan de emellertid likaväl tillämpas på alstringen av andra frekvenser.

Claims (22)

10 15 20 25 30 518 529 11 PATENTKRAV

1. Förfarande för alstring av en frekvensavstämbar elektromagnetisk signal och innefattande att åtminstone en del av den optiska utsignalen från två eller flera lasrar överlagras varandra, varvid minst en av lasrarna är frekvensavstämbar och lasrarna har optiska frekvenser som alstrar minst en svävningsfrekvens, att lasrarnas utsignaler moduleras med en eller flera av nämnda svävningsfrekvenser för att alstra ett eller flera sidband till nämnda mittfrekvens och att minst en av lasrarna optiskt injektionslàses till ett sidband hos en annan av nämnda lasrar.

2. Förfarande enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n at a v att nämnda andra av nämnda lasrar optiskt injektionslàses till ett sidband hos nämnda ena laser.

3. Förfarande enligt kravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n at a v att åtminstone en del av de optiska utsignalerna från var och en av lasrarna kombineras och att minst en svävningsfrekvenssignal extraheras från den kombinerade signalen som en elektrisk signal.

4. Förfarande enligt kravet 3, k ä n n e t e c k n at a v att en del av nämnda svävningsfrekvenssignal extraheras och att nämnda del av nämnda svävningsfrekvenssignal eller -signaler filtreras för att endast tillåta en av svävningsfrekvenserna att passera.

5. Förfarande enligt kravet 3 eller 4, k ä n n e t e c k n at a v att en del av den från den kombinerade signalen extraherade svävningsfrekvenssignalen matas in i en utgång för svävningsfrekvenssignalen eller -signalerna. 10 15 20 25 30 518 529 :o en 12

6. Förfarande enligt något av kraven 3-5, k ä n n e t e c k n at a v att den kombinerade signalen delas innan svävningsfrekvensen extraheras ur den kombinerade signalen.

7. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n at a v att en referenssignal àstadkommes, vilken modulerar utsignalen från var och en av nämnda lasrar.

8. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n at a v att mittfrekvenserna ändras hos två eller flera av nämnda lasrar samtidigt och med samma belopp i och för att bibehålla samma svävningsfrekvens eller - frekvenser.

9. Förfarande enligt något av kraven 1-7, k ä n n e t e c k n at a v att skillnaden i mittfrekvenser mellan två eller flera av nämnda lasrar ändras i och för att ändra svävningsfrekvensen eller -frekvenserna.

10. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n at a v att minst en av svävningsfrekvensema ligger inom området 1-300 Gigahertz.

11. Anordning för alstring av en frekvensavstämbar elektromagnetisk signal och innefattande två eller flera lasrar (1, 2, 31, 32) av vilka minst en laser är frekvensavstämbar, organ (3, 33) för alstring av en kombinerad signal utifrån de optiska utsignalerna från minst två av nämnda lasrar (1, 2, 31, 32), organ (4, 34) för att som signaler extrahera ur den kombinerade signalen varje svävningsfrekvens som alstrats av en skillnad mellan nämnda lasrars optiska mittfrekvenser, k ä n n e t e c k n a d a v organ för att mata minst en av nämnda svävningsfrekvenssignaler in i minst en av nämnda lasrar för att modulera nämnda lasers utsignal till att alstra ett eller flera sidband till nämnda mittfrekvens och organ (7, 37) som optiskt kopplar en av nämnda lasrars utsignal till en annan av nämnda lasrar för att optiskt 10 15 20 25 30 518 529 on en 13 injektionslåsa nämnda andra laser till ett sidband till nämnda ena lasers mittfrekvens.

12. Anordning enligt kravet 11, k ä n n e t e c k n a d a v att organen (7, 37) som optiskt kopplar utsignalen från den ena av nämnda lasrar till en annan av nämnda lasrar optiskt kopplar även nämnda andra lasers utsignal till nämnda ena laser i och för att injektionslàsa nämnda ena laser till ett sidband till nämnda andra lasers mittfrekvens.

13. Anordning enligt något av kraven 11 eller 12, k ä n n e t e c k n a d a v att organ (15, 27) är anordnade att åstadkomma en utsignal för en eller flera av nämnda svävningsfrekvenssignaler.

14. Anordning enligt något av kraven 11-13, k ä n n e t e c k n a d a v att anordningen är anordnad att mata en eller flera av nämnda svävningsfrekvenssignaler in i en eller flera av nämnda lasrar för alstring av nämnda sidband.

15. Anordning enligt något av kraven 11-14, k ä n n e t e c k n a d a v organ (24) för att variera mittfrekvensen hos den ena lasern relativt en annan laser.

16. Anordning enligt något av kraven 11-15, k ä n n e t e c k n a d a v organ (23) för att variera mittfrekvenserna hos två eller flera Iasrar samtidigt och med samma belopp.

17. Anordning enligt något av kraven 11-16, k ä n n e t e c k n a d a v organ (13, 41) för att avlänka en del av den kombinerade optiska signalen från nämnda lasrar innan signalen matas in i nämnda organ (4, 34) för extrahering av svävningsfrekvens-signaler. 10 15 20 518 529 14

18. Anordning enligt något av kraven 11-17, k ä n n e t e c k n a d a v att lasrarna är ytemitterande vertikalkavitetslasrar (31, 32) som är anordnade på ett halvledarchips (30).

19. Anordning enligt kravet 18, k ä n n e t e c k n a d a v att organen (7, 37) för att optiskt koppla innefattar en tunn, optiskt transparent fiim (37) som är optiskt kopplad till varje lasers optoutgång.

20. Anordning enligt- kravet 18 eller 19, kännetecknad av att organen (3, 33) för aistring av en kombinerad signal innefattar en tunnfilmstràlsamlare (33).

21. Anordning enligt något av kraven 11-20, k ä n n e t e c k n a d a v att fler än tvà lasrar förefinnes och att organen (4, 34) för extrahering av signaler av tvà eller flera svävningsfrekvenssignaler extraherar svävningsfrekvenser.

22. Anordning enligt något av kraven 11-21, k ä n n e t e c k n a d a v att anordningen är anordnad att alstra minst en svävningsfrekvens inom området 1-300 Gigahertz.