CN104253597A - 用于传输光学时钟信号的光电电路和方法 - Google Patents

用于传输光学时钟信号的光电电路和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于将光学时钟信号发送至电子部件(74a、74b)的光电电路包含用于产生光学时钟信号的时钟产生设备、用于将光学时钟信号转换为供给至电子部件(74a、74b)的电学时钟信号的转换器元件(73a、73b)以及从时钟产生设备至转换器元件(73a、73b)的光路(72a、72b)。在本文中，光电电路(4a、4b)提供从时钟产生设备至转换器元件(73a、73b)的光学时钟信号的延迟时间。所述光电电路(4a、4b)相应地包括用于调节时钟产生设备和电子部件(74a、74b)之间的延迟时间的可调节光学元件(72a、72b)。

Description

用于传输光学时钟信号的光电电路和方法
技术领域
本发明涉及一种允许在光学路径中微调信号延迟时间的光电电路和方法。
背景技术
光学和光电系统一般提供用于输送光学信号的复杂的波导结构。在许多应用中，要求信号延迟时间可控为几fs的精度，以实现整个系统的要求性能。例如，美国专利US7956788B2公开了一种光电模拟-数字转换器，其中使用光学时钟信号控制单独的采样并保持元件。
采样时间的分散发生在光学网络内，并且还以依赖于制造方式而发生在电子部件中。例如，这些分散由波导几何制造中的容差、波导折射率的容差引起，而且还通过电子部件中的容差引起。除此之外，电路中的热梯度引起光学和电子部件的延迟时间中的位置相关波动。
与整个系统性能相关的一个值是对模拟信号采样所使用的时间精度。具体来说，通过使用一起提供具有N次采样频率(sampling rate)的采样器的N个时间嵌套(time-nested)采样器，准确的采样必须在时间t0+(M/N)*t时间点。在本文中，M表示系统中单独采样器的数目。如果不能确保在采样器之间的时间准确采样，则不期望的支路就会发生在从单独采样器重新构建的信号中。
这引起了提供允许非常精确的观察信号的计划性延迟时间的光电电路和用于操作光电电路的方法的目的。
发明内容
根据本发明的目的是实现通过独立权利要求1的特征表现的设备和通过独立权利要求10的特征表现的方法。有利的进一步发展形成了这些权利要求的从属权利要求的主题。
根据本发明用于将光学时钟信号发送至电子部件的光电电路包含用于产生光学时钟信号的时钟产生设备、用于将光学时钟信号转换为供给至电子部件的电学时钟信号的转换器部件以及从时钟产生设备至转换器元件的光路。在本文中，光电电路提供从时钟产生设备至转换器元件的光学时钟信号的延迟时间。光电电路相应地包括用于调节时钟产生设备和电子部件之间的延迟时间的可调节光学元件。因此，由部件容差、热应力等引起的延迟时间的误差可以被补偿。
光路优选是可调节光学元件。然后，延迟时间可以通过改变光路的光学长度而调节。然后，光路提供用于加热光路的至少一个加热元件。光路的光学长度可以被调节，以通过加热光路而调节延迟时间。通过这种方式，在不需要连接在光学路径中的进一步的部件的情况下，可以非常简单的调节延迟时间。通过改变温度，折射率也可以被调节。因此，延迟时间也可以被影响。
作为替代，光电电路提供作为可调节光学元件而串联连接至光路的克尔盒(Kerrcell)或普克尔斯盒(Pockels cell)。然后，延迟时间可以通过调节克尔盒或普克尔斯盒的光学长度而调节。通过这种方式，延迟时间可以特别精确的调节。另外，通过这种方式可以避免使用也提供高功耗的加热元件。
最好，时钟产生设备是使用时钟频率施加脉冲的脉冲光源，特别是脉冲激光器或脉冲激光二极管或脉冲二极管。转换器元件优选是光电二极管或光电晶体管。根据本发明的光电设备包括至少两个上述光电电路、用于控制光电电路的延迟时间的控制设备以及至少两个电子部件。通过这种方式，可以实现两个电子部件中时钟信号到达的不同时间。
最好，光电设备是采样电路。然后，光电设备包括作为电子部件的采样并保持元件，光电电路将时钟信号发送至采样并保持元件。在本文中，光电电路的延迟时间以这样的方式规定：在一个采样周期内，获得采样并保持元件的不同采样时间。调整设备相应地体现为通过调节光电电路的延迟时间而微调采样时间。因此，可以实现采样时间的特别高精度。
可替代地，光电设备是多路复用器电路。然后，光电设备包括作为电子部件的开关元件，光电电路将时钟信号发送至开关元件。然后，光电电路的延迟时间以这样的方式而规定：开关元件的不同开关时间使用每个时钟周期的整数因子(whole-numberdivisor)而获得。然后，调整设备体现为通过调节光电电路的延迟时间而微调开关时间。通过这种方式，可以实现单个开关元件的开关时间的特别的精确调节。
最好，调整设备体现为通过可调节光学元件补偿光电设备内的温度梯度。因此，可以补偿影响延迟时间的其他部件引起的温度梯度。
光电设备进一步优选包括用于输入校准信号的校准设备。然后，光电设备体现为根据输入的校准信号在校准测量的环境中确定校准值，并且根据校准值，调节可调节光学元件。通过这种方式，可以实现延迟时间微调的特别的高精度。
根据本发明的方法用于将时钟信号发送至电子部件。最初，产生光学时钟信号。在供给至电子部件之前，光学时钟信号被转换为电信号。光学时钟信号相应地经由光路引导至电子部件。在本文中，光学时钟信号提供从时钟产生至电子部件的延迟时间。这延迟时间可以被调节。因此，基于部件容差、热应力等的延迟时间的误差可以被补偿。
附图说明
在下文中，基于附图，通过示例的方式描述本发明，其中呈现了本发明的优选示例性实施例。附图示出：
图1示出示例性光电设备中的根据本发明的光电电路的第一示例性实施例；
图2示出根据本发明的光电电路的第二示例性实施例的细节；
图3示出在操作中的根据本发明的光电电路的第三示例性实施例的细节；
图4示出根据本发明的光电电路的第四示例性实施例；以及
图5示出根据本发明的方法的示例性实施例。
具体实施方式
首先结合图1具体描述本发明潜在的问题。然后结合图1-图4解释根据本发明的光电电路的各个示例性实施例的构建和机能。最后结合图5描述根据本发明的方法的示例性实施例的机能。在某些情况下，在类似附图中的相同元件的展示和描述未被重复。
图1示出光电设备1。这里示出的光电设备1是采样电路，诸如用于例如模拟-数字转换器中的采样电路。因此，光电设备1包含信号连接50，通过信号连接50，可以输入要采样的信号。多个采样并保持元件40-47连接至信号连接50，在不同情况下，要采样的信号被提供至多个采样并保持元件40-47。另外，光电设备1包含多个光电电路2，每个光电电路2都包含转换器元件30-37。在本文中，转换器元件30-37表现为光电二极管。这些转换器元件的每一个都连接至光电设备1的采样并保持元件40-47中的一个，并表现为光学信号一旦到达各个转换器元件30-37就通过采样并保持元件触发采样。
光电电路2的每一个进一步包括光路，通过该光路，光电电路2的每一个连接至时钟产生设备25，这里时钟产生设备25由激光器形成。在本文中产生的各个光学路径的长度不同。
因此，从时钟产生设备25至单个转换器元件30-37的信号的不同延迟时间得以实现。在本文中，时钟产生设备25与采样并保持元件40-47之间的延迟时间以这样的方式调节：获得采样并保持元件40-47在由时钟产生设备25规定的时钟的一个时钟周期期间的采样时间的平均分布。因此，在本示例中，能够以时钟频率的8倍的采样频率而采样。
在本文中，光电电路2的每一个包括其自身的转换器元件30-37以及从时钟产生设备25至转换器元件30-37的光路。另外，光电电路2共享公共的时钟产生设备25。这里，时钟产生设备25相应地是全部光电电路2的一部分。
为了将光学时钟信号输入至光路内，这里示出的系统进一步包括被调节至时钟产生设备25的波长的光栅耦合器26，并且通过这种方式，能将尽可能大的功率接收到光路内。输入的光学时钟信号经由信号分路器20被光栅耦合器26分为左路径和右路径。左路径经由信号分路器19再次分开。信号分路器19的左路径被提供至进一步的信号分路器18。信号分路器18的左路径直接用于控制转换器元件30。信号分路器18的右路径连接至包括由曲折的光路规定的长度的延迟元件11。在本文中，延迟元件延迟时钟信号，并将时钟信号路由至转换器元件31。
信号分路器19的右路径经由进一步的延迟元件12连接至进一步的信号分路器22。信号分路器22的右路径直接控制转换器元件33，同时信号分路器22的左路径经由进一步的延迟元件13控制转换器元件32。信号分路器20的右路径最初经由进一步的延迟元件17并然后引向至进一步的信号分路器24。信号分路器24的左路径引向至进一步的信号分路器23，信号分路器23的左路径直接用于控制转换器元件34。信号分路器23的右路径经由进一步的延迟元件14引向至转换器元件35。信号分路器24的右路径经由进一步的延迟元件16引向至进一步的信号分路器21。信号分路器21的右路径直接控制转换器元件37，同时其左路径经由进一步的延迟元件15控制转换器元件36。
关于光学信号的延迟时间，通常误差发生在1-100fs的范围。在不补偿老化标志、部件容差和温度变化的情况下，更精确的校准是不可能的。也就是说，上述误差通过匹配光学长度来补偿。
在这里所示的示例性实施例中，未示出用于调节时钟产生设备25与各个转换器元件30-37之间的延迟时间的单独的可调节光学元件。这里，延迟时间可以通过延迟元件11-17直接调节。也就是说，延迟元件11-17对应于用于调节延迟时间的可调节光学元件。图1未示出调节延迟元件11-17的延迟时间的机理。这将结合图2和图3更详细的描述。
如已经解释的，关于从时钟产生设备至应当被控制在准确确定的时间的电子部件的信号延迟时间的误差由各种原因造成。因此，在一方面，光学路径的光学长度的误差可能存在于时钟信号产生和转换器元件30-37之间。在另一方面，在转换器元件30-37和电子部件40之间可能存在电学长度的误差。为了补偿这些误差，信号延迟时间可以通过匹配从时钟产生设备25至单个转换器原件30-37的光学路径的光学长度而微调。也就是说，不仅光学误差可以被补偿，而且电子误差也可以被补偿。
关于波导中的光速，适用CMedium＝C0/n(T)。在本文中，C0表示自由空间中的光速，n(T)是波导的温度相关折射率。因此，波导内的光速可以通过改变温度而匹配。通过这种方式，波导内的延迟时间可以通过匹配温度而改变。
在图2中，示出了根据本发明的光电电路的第二示例性实施例的细节。图2示出波导60和多个加热元件61。在本文中，加热元件61被布置在波导60的周围，并且体现为加热波导60。因此，单个加热元件61可以被单独控制以实现温度梯度。例如，如果例如由强烈加热部件引起的温度梯度存在于线路的其余部分中，则这是特别有用的。在这种情况下，反方向梯度可以通过加热元件61而产生，以实现最均匀的温度分布，并相应地实现最平衡延迟时间可能性。这将结合图3更详细的描述。通过匹配加热元件61的温度，波导60的温度可以被改变。最终，改变了波导60的光学长度。可替代地，预期的梯度可以通过针对性的方式而产生，以实现预期延迟时间分布。
图3示出了根据本发明的光电电路的第三示例性实施例在操作期间的细节。这里已经省略了图2中对于波导60的呈现。这里示出了多个加热元件61和由存在于线路中的其他部件产生的温度梯度62。通过控制加热元件61中的一些，更精确地，通过控制加热元件64，能够产生允许大部分均匀温度分布的反方向梯度63。
除了使用可以布置在波导周围的加热元件，在通向图1中的转换器元件30-37中的一个的每个光学路径中，单独的可调节光学元件也可以替代地串联连接至光路—波导。例如，克尔盒或普克尔斯盒可以被用于此目的。这些允许通过施加电信号而匹配光学长度。这里还可以使用可以被激励以改变其光学长度的其他部件。
图4示出光电设备3中的光电电路的第四示例性实施例。这里特别参考可调节光学元件的控制，这里，波导能够经由加热元件而加热。
光电设备3包含两个光电电路4a、4b，并且在各种情况下，采样并保持元件74a或74b分别连接至光电电路4a、4b，并且在各种情况下，模拟-数字转换器76a、76b分别连接至采样并保持元件74a或74b。另外，光电设备3包含控制设备77和调整设备78a和78b。这里未提供光电设备包含的时钟产生设备的描述。
光路70被用于输入光学时钟信号。经由信号分路器71，光学时钟信号被细分给第一光电电路4a和第二光电电路4b。在本文中，光电电路4a、4b分别包含光路72a、72b，并且加热元件79a、79b分别被布置在光路72a、72b的周围。
光学时钟信号从信号分路器71分别发送至两个光路72a、72b，并且从光路72a、72b分别光学地发送至转换器元件73a和73b。转换器元件73a和73b分别将光学信号转换为电信号。转换器元件73a和73b分别是，例如，光电二极管或光电晶体管。产生的电学时钟信号在各种情况下分别被发送至采样并保持元件74a、74b。要采样的信号被进一步提供给采样并保持元件。采样并保持元件74a、74b分别产生的采样值被分别提供给模拟-数字转换器76a和76b。为了清晰起见，这里未示出模拟-数字转换器76a、76b的信号输出。
如果光电设备3被装载有要采样的未知信号，则不能够确定通过光电电路79a、79b的信号的延迟时间是否正确。为了实现这一目的，校准被实施。为了实施校准，光电设备3包含分别连接至采样并保持元件74a、74b的校准设备75，在本文中，校准设备75产生校准信号，例如取代有效负载信号而被发送至采样并保持元件74a、74b的高精度已知正弦信号。如上所述，光学时钟信号通过光路72a、72b发送至转换器元件73a、73b，并被转换器元件73a、73b转换为电学时钟信号。通过这种方式，校准设备75的校准信号的测量通过由采样并保持元件采样并通过模拟-数字转换器76a、76b而实施。
产生的信号发送至连接至模拟-数字转换器的控制设备77，并且被模拟-数字转换器评估。将产生的信号与由校准设备75产生的理想校准信号相比较。为了清晰起见，这里未描述校准设备75和控制设备77之间的连接。因此，控制设备77根据理想校准信号和测量的校准信号相应地确定延迟时间是否已经被正确调节。如果不是这样，则控制设备77向与其连接的调整设备78a、78b分别发送触发对应调节加热设备79a、79b的信号。
然后，重复这样的校准测量，直到单个光学路径上的预期延迟时间被调节。一旦校准完成，就可以重新开始有效负载信号的测量。在激活设备之后，这样的校准程序就可以被自动实施。可替代地，设备的用户还可以开始这样的校准程序。
当然，校准程序还可以通过上述克尔盒或普克尔斯盒与延迟时间的调节相兼容。在这种情况下，调整设备78a和78b分别控制克尔盒或普克尔斯盒。当然，针对更多数量的光学路径，图4所示的示例性实施例还可以以类似的方式扩展。
除了使用校准信号测量的主动调整之外，在工厂校准的环境中，不同的操作条件可以被另外的测量。例如，然后，加热元件或者克尔盒或普克尔斯盒的最终设置被存储在查找表中，并且在实际情况下，针对相应的操作条件而调出。
作为进一步的替代例，在电路的不同位置，直接测量温度是可能的。然后，这些测量的温度可以通过加热元件有针对性的加热或通过调节克尔盒或普克尔斯盒来补偿。也就是说，在电路中实施温度的实时测量。
图4示出由调整设备78a、78b单独控制加热元件79a、79b。可替代地，至少两个单独的加热元件的组合以形成联合控制组也是可能的。通过这个措施，可以降低线路的成本。
也可以使用冷却元件代替加热元件，以修改光学长度。作为替代例，例如，可以以非接触方式，例如通过红外辐射，在电路的给定位置引入热，而不使用分布在电路中的分立加热元件操作。在上面的示例性实施例中，术语光路和波导可以作为同义词使用。
最后，结合图5描述根据本发明的方法的示例性实施例的机能。在可选的第一步骤100中，输入校准信号，即高精度且已知的信号，而不是输入有效负载信号。在第二步骤101中，输入光学时钟信号。在第三步骤102中，在不同的光路上延迟光学时钟信号，以通过这样的方式实现光学时钟信号的预期延迟时间。在第四步骤103中，对由光学时钟信号触发的信号进行采样和测量。如果可选的步骤100被实施，则在步骤103中测量校准信号。否则，测量有效负载信号。
在进一步可选的步骤104中，根据已知校准信号和测量的校准信号，计算补偿时间，为了计算预期延迟时间，这是必须的。在可选的第六步骤105中，根据计算的补偿时间，调节延迟时间。例如，通过调节改变光路的光学长度的加热元件实施延迟时间的这种调节。可替代地，还可以使用结合设备而解释的克尔盒或普克尔斯盒。
在本文中，步骤100、104和105是可选的，并且应当一起实施。也就是说，要么仅步骤101至103应当被实施为测量有效负载信号，要么步骤100至105应当被实施以实施校准。
本发明并不局限于所呈现的示例性实施例。正如已经提及的，可以使用不同的电路功能，诸如采样电路或多路复用器电路。根据本发明，通过优化延迟时间，可以使用提供光学时钟树的所有电路。上述所有特征或附图中示出的所有特征可以优选在本发明的范围内任意有利互相结合。

Claims (17)

1.一种用于将光学时钟信号发送至电子部件(40-47、74a、74b)的光电电路，具有：
用于产生所述光学时钟信号的时钟产生设备(25)，
用于将所述光学时钟信号转换为供给至所述电子部件(40-47、74a、74b)的电学时钟信号的转换器元件(30-37、73a、73b)，以及
从所述时钟产生设备(25)至所述转换器元件(30-37、73a、73b)的光路(60、72a、72b)，其特征在于
所述光电电路(2、4a、4b)提供用于调节所述时钟产生设备(25)和所述电子部件(40-47、74a、74b)之间的延迟时间的可调节光学元件(60、72a、72b)。
2.根据权利要求1所述的光电电路，其特征在于，
所述光路(60、72a、72b)是所述可调节光学元件(60、72a、72b)，
所述延迟时间是通过改变所述光路(60、72a、72b)的光学长度而可调节的，
所述光路(60、72a、72b)提供用于加热所述光路(60、72a、72b)的至少一个加热元件(61、79a、79b)，并且
用于调节所述延迟时间的所述光路(60、72a、72b)的光学长度是通过加热所述光路(60、72a、72b)而可调节的。
3.根据权利要求1所述的光电电路，其特征在于，
所述光电电路(2、4a、4b)提供作为所述可调节光学元件而串联连接至所述光路(60、72a、72b)的克尔盒或普克尔斯盒，并且所述延迟时间是通过施加电信号至所述克尔盒或普克尔斯盒而调节所述克尔盒或普克尔斯盒的光学长度而可调节的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电电路，其特征在于，
所述时钟产生设备(25)是使用所述时钟频率施加脉冲的光源，特别是脉冲激光器或脉冲激光二极管或脉冲二极管，和/或所述转换器元件(30-37、73a、73b)是光电二极管或光电晶体管。
5.一种光电设备，其具有至少两个根据权利要求1至4中任一项所述的光电电路(2、4a、4b)、用于控制所述光电电路的延迟时间的控制设备(78a、78b)和至少两个电子部件(40-47、74a、74b)。
6.根据权利要求5所述的光电设备，其特征在于，
所述光电设备(1、3)是采样电路，所述光电设备(1、3)包括作为所述电子部件(40-47、74a、74b)的采样并保持元件(40-47、74a、74b)，所述光电电路(2、4a、4b)将所述时钟信号发送至所述采样并保持元件(40-47、74a、74b)，所述光电电路(2、4a、4b)的延迟时间以这样的方式规定：所述采样并保持元件(40-47、74a、74b)的不同采样时间使用每个时钟周期的整数因子而获得，并且
所述调整设备(78a、78b)体现为通过调节所述光电电路(2、4a、4b)的延迟时间而微调所述采样时间。
7.根据权利要求5所述的光电设备，其特征在于，
所述光电设备是多路复用器电路，所述光电设备包括作为所述电子部件的开关元件，所述光电电路(2、4a、4b)将所述时钟信号发送至所述开关元件，
所述光电电路(2、4a、4b)的延迟时间以这样的方式规定：所述开关元件的不同开关时间使用每个时钟周期的整数因子而获得，并且所述调整设备(78a、78b)体现为通过调节所述光电电路(2、4a、4b)的延迟时间而微调所述开关时间。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的光电设备，其特征在于，
所述调整设备(78a、78b)体现为通过所述可调节光学元件补偿所述光电设备内的温度梯度(62)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的光电设备，其特征在于，
所述光电设备(3)持续提供校准设备(75)，以输入校准信号，
所述光电设备(3)体现为根据在校准测量的环境中输入的校准信号确定校准值，并且根据所述校准值，调节所述可调节光学元件(72a、72b)。
10.一种用于将光学时钟信号发送至电子部件(40-47、74a、74b)的方法，具有以下步骤：
产生所述光学时钟信号，
将所述光学时钟信号转换为供给至所述电子部件(40-47、74a、74b)的电学时钟信号，以及
经由光路(60、72a、72b)供给所述光学时钟信号以用于转换为所述电学时钟信号，
其中所述时钟信号提供从所述时钟产生至所述电子部件(40-47、74a、74b)的延迟时间，
其特征在于，
所述延迟时间被调节。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
所述延迟时间是通过改变所述光路(60、72a、72b)的光学长度而可调节的，
通过加热所述光路(60、72a、72b)调节所述光路(60、72a、72b)的光学长度以调节所述延迟时间。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
所述延迟时间通过施加电信号至克尔盒或普克尔斯盒调节克尔盒或普克尔斯盒的光学长度而调节，所述克尔盒或普克尔斯盒串联连接至光路。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，
所述延迟时间被调整。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
所述方法用于采样电路中时钟信号的传输，
所述时钟信号所发送至的所述电子部件(40-47、74a、74b)是采样并保持元件(40-47、74a、74b)，
所述延迟时间以这样的方式规定：所述采样并保持元件(40-47、74a、74b)的不同采样时间使用每个时钟周期的整数因子而获得，并且
所述采样时间通过调节所述光电电路(2、4a、4b)的延迟时间而微调。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
所述方法用于多路复用器电路中时钟信号的传输，
所述时钟信号所发送至的所述电子部件是开关元件，
所述延迟时间以这样的方式而规定：所述开关元件的不同开关时间使用每个时钟周期的整数因子而获得，并且
所述开关时间通过调节所述延迟时间而微调。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，
温度梯度(62)被补偿。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其特征在于，
在校准测量的环境中确定基于输入的校准信号的校准值，并且所述延迟时间根据所述校准值而调节。
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