DE102010002976A1

DE102010002976A1 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung einer elektromagnetischen Schwingung in einem hohen Freqenzbereich

Info

Publication number: DE102010002976A1
Application number: DE201010002976
Authority: DE
Inventors: Niels Neumann; Michael Haas; Dr. Plettemeier Dirk
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2011-09-22

Abstract

Der Erfindung, welche ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung einer elektromagnetischen Schwingung in einem hohen Frequenzbereich betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zugehörige Schaltungsanordnung anzugeben, womit eine verbesserte Effizienz bei der optischen Aufwärtskonversion erreicht wird. Die Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, dass das dispersive Element einen Dispersionsverlauf D(λ) aufweist, welcher mit zunehmender Wellenlänge λ kleiner wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer elektromagnetischen Schwingung in einem hohen Frequenzbereich, bei welchen mittels eines Puls-Lasers Lichtimpulse erzeugt und über ein dispersives Element zu einem Lichtempfänger übertragen und in ein elektrisches Ausgangssignal gewandelt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Umsetzung des Verfahrens zur Erzeugung einer elektromagnetischen Schwingung in einem hohen Frequenzbereich.
Elektromagnetische Schwingungen in einem hohen Frequenzbereich von beispielsweise 60 GHz und mehr finden Anwendung in Bereichen der Kommunikation, des Radars oder physikalischer Mess- und Prüfsysteme.
Bei der Erzeugung derartiger Hochfrequenzen sind allgemein drei mögliche Verfahren bekannt.
Die zu erzeugende Frequenz kann mittels einer elektronischen Schaltung, bestehend aus einer Anzahl von Bauelementen, bereitgestellt werden, wobei die Realisierung derartiger Anordnungen für den oben genannten Frequenzbereich schwierig ist und derartige Schaltungen schlechte Rauscheigenschaften aufweisen. Die Frequenz kann direkt oder durch eine Aufwärtskonversion/Frequenzvervielfachung erzeugt werden.
Eine andere Variante der Frequenzerzeugung besteht darin, Frequenzen optisch zu erzeugen und diese dann in eine elektrische Schwingung zu wandeln, wobei auch diese Variante durch schlechte Rauscheigenschaften der erzeugten Frequenz gekennzeichnet ist.
Die zu erzeugende Frequenz kann auch in einem aus zwei Teilschritten bestehenden Verfahren erzeugt werden, wobei im ersten Teilschritt eine niedrige Frequenz mittels einer elektronischen Schaltungsanordnung erzeugt wird, welche in einem zweiten Teilschritt mittels einer optischen Aufwärtskonvertierung in die gewünschte hohe Frequenz gewandelt wird. Dieses Verfahren nutzt entweder optische Modulatoren oder den Talbot-Effekt mit einem dispersiven Standard-Element.
Der Vorgang der Aufwärtskonvertierung nach dem Talbot-Effekt ist in T. Jannson and J. Jannson: Temporal self-imaging effect in single-mode fibers. Journal Opt. Soc. Am. Vol. 71, No. 11, 1981 beschrieben.
Beispiele für eine elektronische Erzeugung niedriger Frequenzen und eine optische Aufwärtskonversation nach dem Stand der Technik sind den Dokumenten J. Azana and A. Muriel: Temporal Self-Imaging effects: Theory and Application for Multiplying Pulse Repetition Rates. IEEE Journal an Selected Topics in Quantum Electronics. Vol. 7, No. 4, 2001 und G. Meloni and others: 250-times repetition frequency multiplication for 2.5 THz clock signal generation. Electronics Letters, Vol. 41, No. 23, 2005 entnehmbar.
Unter der chromatischen Dispersion, im Folgenden nur kurz als Dispersion bezeichnet, wird in der Optik die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen von ihrer Wellenlänge λ verstanden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts wird durch die Brechzahl n beschrieben. Verwendet man nun Wellenpakete, die gemäß der Fourier-Transformation immer aus mehreren spektralen Komponenten, also mehreren Wellenlängen bestehen, so breiten sich die einzelnen Komponenten des Wellenpaketes unterschiedlich schnell entlang einer Glasfaser aus. Ein dispersives Standard-Element ist somit beispielsweise eine Glasfaser, welche die oben beschriebenen Eigenschaften aufweist. Ursachen für die Dispersion können in einer Materialdispersion oder einer Wellenleiterdispersion liegen.
Somit liegen die Nachteile aus dem Stand der Technik in einem hohen Aufwand bei der Realisierung einer benötigten Anordnung, einer geringen Effizienz der optischen Aufwärtskonversion sowie schlechten Rauscheigenschaften.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zugehörige Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer elektromagnetischen Schwingung in einem hohen Frequenzbereich zu schaffen, womit eine verbesserte Effizienz bei der optischen Aufwärtskonversion erreicht wird.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Erzeugung einer elektromagnetischen Schwingung in einem hohen Frequenzbereich der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das dispersive Element einen Dispersionsverlauf D(λ) aufweist, welcher mit zunehmender Wellenlänge λ kleiner wird.
Während ein dispersives Element im Stand der Technik nur in einem Teilbereich der Wellenlänge λ, in welchem die Phasenbedingung erfüllt ist, eine konstruktive Überlagerung von ausgewählten Spektralanteilen ermöglicht, wird der Verlauf der Dispersion D mittels der Gleichung D = cT_r ²/(mλ²) über einen weiten Bereich der Wellenlänge λ so ausgeführt, dass eine konstruktive Überlagerung der Spektralanteile erfolgt. Durch diese verbesserte Überlagerung ist die Effizienz der Aufwärtskonversion höher.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Umsetzung des Verfahrens zur Erzeugung einer elektromagnetischen Schwingung in einem hohen Frequenzbereich der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das dispersive Element als Glasfaser, gechirptes Faser-Bragg-Gitter (FBG), Arrayed Waveguide Grating (AWG) oder Lattice Filter/Delay Line Filter ausgeführt ist.
Als dispersives Spezial-Element kann erfindungsgemäß eine Glasfaser verwendet werden, deren Dispersionsverlauf D(λ) so gestaltet ist, dass der oben beschriebene Kurvenverlauf erreicht wird. Eine Glasfaser aus dem Stand der Technik hat einen von der Erfindung abweichenden Dispersionsverlauf D(λ).
Faser-Bragg-Gitter entstehen durch eine periodische Veränderung der Kernbrechzahl entlang der Glasfaser. Wird die Periodizität moduliert, entstehen gechirpte Faser-Bragg-Gitter. Diese Gitter reflektieren einfallende Wellenlängen mit einer von der Wellenlänge abhängigen Verzögerung. Dies führt zu einem Dispersionsverlauf, dessen Form mit der Modulation der Periodizität gesteuert werden kann.
Arrayed Waveguide Gratings spalten das einfallende Licht nach ihren Wellenlängen auf und verzögern die nun ortsaufgelösten Wellenlängen einzeln. Mit dieser Verzögerung kann die Form des Dispersionsverlaufes gesteuert werden.
Lattice Filters/Delay Line Filters sind optisch realisierte FIR-Filter, die durch eine kohärente Überlagerung von unterschiedlich zueinander verzögerten Signalanteilen eine Übertragungsfunktion realisieren, die im Spezialfall einen Dispersionsverlauf D(λ) bereitstellen kann. Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 eine Anordnung zur Erzeugung einer elektromagnetischen Schwingung in einem hohen Frequenzbereich,
2 ein Leistungs-Zeit-Diagramm, darstellend die vom Puls-Laser erzeugten Lichtimpulse,
3a eine Darstellung der durch den Puls-Laser erzeugten Frequenzkämme in verschiedenen Wellenlängenbereichen,
3b eine Darstellung des Verlaufs der Dispersion am Beispiel einer Standard-Glasfaser und dem erfindungsgemäßen dispersiven Spezialelement und
4 ein Diagramm darstellend die Leistungseinbuße der generierten Frequenz in dB in Abhängigkeit des Tastverhältnisses.
1 zeigt einen Puls-Laser 1 zur Erzeugung optischer Lichtimpulse, welche eine Pulsfrequenz f_r aufweisen. Dieser Puls-Laser 1 sendet aufeinanderfolgende Lichtimpulse mit einer Dauer von T_Puls und mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz f_r aus. Vorteilhafterweise kann der Puls-Laser 1 mittels einer Synchronisationsanordnung 2 synchronisiert werden. Dabei ist unter dieser Synchronisation sowohl die Einstellung der Impulsdauer als auch der Impulsabstände zu verstehen. Die Frequenz der erzeugten optischen Lichtimpulse liegt beispielsweise bei nur 10 GHz, also weit unter der durch die Erfindung zu erzeugenden Hochfrequenz.
Ein Beispiel für die erzeugten Lichtimpulse des Puls-Lasers 1 ist in der 2 dargestellt. Die Impulse haben eine Impulsdauer von T_Puls und werden im Abstand T_r erzeugt, wobei gilt
Die erzeugten Lichtimpulse werden durch das dispersive Element 3 geleitet und erreichen die nachgeschaltete Fotodiode 4. Das durch die Fotodiode 4 erzeugte elektrische Ausgangssignal hat die um den Multiplikationsfaktor m vervielfachte Ausgangsfrequenz f der Wiederholfrequenz f_r gemäß f = m·f_r.
Ein Beispiel für ein Spektrum einer durch den Puls-Laser 1 erzeugten Lichtimpulsfolge ist in der 3a dargestellt. Das Spektrum, welches auch als Frequenzkamm bezeichnet wird, weist mehrere nadelförmige Anteile auf, welche im Abstand der Frequenz f_r voneinander auftreten. Im Beispiel besteht der Frequenzkamm aus aufeinanderfolgenden nadelförmigen Anteilen und tritt kontinuierlich auf. Dargestellt ist in der 3a auszugsweise der Bereich der Wellenlängen λ_L, λ₀ und λ_H. Die Darstellung ist lediglich als Prinzipdarstellung zu verstehen und nicht als maßstabsgerechte Abbildung.
In der 3b ist der Verlauf der Dispersion D(λ) in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ sowohl für eine Standard-Glasfaser als auch für das erfindungsgemäße dispersive Spezialelement 3 dargestellt. Ebenfalls dargestellt ist ein konstanter Verlauf der Dispersion D(λ) in Form einer Punkt-Punkt-Linie parallel zur Abszisse des Dispersion-Wellenlänge-Diagramms.
Dabei sind in der 3b die mit der 3a korrespondierenden Wellenlängenbereiche λ_L, λ₀ und λ_H dargestellt.
Die Darstellung zeigt, dass der Verlauf der Dispersion D(λ) für eine Standard-Glasfaser, beispielsweise eine Corning SMF-28/ITU-T G.652 Norm, mit zunehmender Wellenlänge λ ansteigt, während D(λ) des dispersiven Spezialelements mit zunehmender Wellenlänge λ kleiner wird.
Weiterhin ist gezeigt, bedingt durch den oben beschriebenen Dispersionsverlauf, dass die Phasenbedingung bei einer Standard-Glasfaser nur in dem um λ₀ dargestellten Teilbereich erfüllt ist, während die Phasenbedingung für das dispersive Spezialelement 3 über den gesamten betrachteten Wellenlängenbereich erfüllt ist.
Das dispersive Spezialelement 3 wird erfindungsgemäß derart ausgeführt, dass es die notwendige Phasenbedingung über den gesamten beispielsweise in der 3a dargestellten Wellenlängenbereich erfüllt. Hierfür wird die Gleichung D = cT_r ²/(mλ²) zur Berechnung des Dispersionsverlaufs D(λ) genutzt. In der Gleichung ist c die Lichtgeschwindigkeit, T_r die Periodendauer mit welcher die Lichtimpulse gemäß 2 erzeugt werden, m der Multiplikationsfaktor, um welchen sich die Grundfrequenz f_r erhöht und λ die Wellenlänge.
Die Dispersion D(λ) wird mittels dieser Gleichung für mehrere Punkte, beispielsweise in den Bereichen λ_L, λ₀ und λ_H, berechnet und entspricht dem in der 3b dargestellten Verlauf, bei welchem D(λ) mit zunehmender Wellenlänge λ kleiner wird.
Durch eine gezielte Beeinflussung beispielsweise der Brechzahl und/oder des Brechzahlprofils einer Glasfaser wird ein dispersives Spezial-Element 3 mit dem in der 3b dargestellten Verlauf von D(λ) hergestellt.
Dieses dispersive Spezial-Element 3 erfüllt die Phasenbedingung im gesamten betrachteten Bereich von λ_L bis λ_H, dass heißt die konstruktive Überlagerung der durch die Doppelpfeile in der 3a exemplarisch dargestellten spektralen Anteile im Abstand von 3 mal f_r erfolgt mindestens in allen drei auszugsweise dargestellten Bereichen λ_L, λ₀ und λ_H.
In der Praxis erzeugt sich die durch die konstruktive Überlagerung an einem Lichtempfänger, beispielsweise der Fotodiode 4, erzeugte Ausgangsfrequenz durch eine Überlagerung aller beispielsweise im Abstand von 3 mal f_r beabstandeten spektralen Anteile.
4 zeigt für einen angenommenen Fall der Frequenzvervierfachung (m = 4) einer Pulsquelle mit 10 GHz Pulsfrequenz f_r die Leistungseinbuße der generierten Frequenzen in dB in Abhängigkeit vom gewählten Tastverhältnis. Hierbei beschreibt das Tastverhältnis die Beziehung zwischen der Impulsbreite T_Puls und der Wiederholfrequenz f_r.
In der 4 ist die relative Leistungseinbuße in dB bei einer konstanten Dispersion D und bei der Verwendung einer üblichen Glasfaser als dispersives Element gegenüber dem dispersiven Spezialelement 3 dargestellt.
Mittels einer optischen Pulsquelle 1, welche eine niedrige Wiederholfrequenz f_r = 1/T_r aufweist, wird ein Frequenzkamm erzeugt. Die spektrale Breite des derart erzeugten Frequenzkammes hängt von der Breite der Pulse T_Puls der Quelle ab. Je schmaler die Impulsbreiten der Pulse der Quelle sind, desto größer ist die spektrale Breite des Frequenzkammes.
Als optische Pulsquelle kommt beispielsweise ein Puls-Laser 1 zur Anwendung, welcher mittels einer Synchronisationseinheit 2 auf eine einstellbare Frequenz abgestimmt wird. Die durch den Puls-Laser 1 erzeugten Lichtimpulse sind sowohl in ihrer Pulsfrequenz als auch ihrer Periode regelbar und können beispielsweise im Bereich von ca. 10 GHz liegen.
Die durch den Puls-Laser 1 erzeugten Lichtimpulse sind die Eingangsgrößen eines nachgeschalteten dispersiven Spezial-Elements 3. In diesem dispersiven Spezial-Element 3 ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen von ihrer Wellenlänge λ abhängig.
Das dispersive Spezial-Element 3 kann beschrieben werden durch den Ausdruck D = cT_r ²/(mλ²).
Die Frequenzen im Frequenzkamm mischen sich in der an der Ausgangsseite des dispersiven Spezial-Elements 3 angeordneten Photodiode 4. Durch eine phasenrichtige Addition der Frequenzanteile können höhere Frequenzen gemäß f = m·f_r erzeugt werden. Dabei ist m der Multiplikationsfaktor m, welcher angibt, welche Anteile des Frequenzkamms miteinander überlagert werden. In der 3a ist diese Erzeugung mittels einer phasenrichtigen Addition oder konstruktiven Überlagerung der spektralen Anteile beispielhaft mittels mehrerer Doppelpfeile dargestellt. Die Doppelpfeile zeigen die sich überlagernden Spektralanteile im Abstand von 3 mal f_r da im Beispiel der Multiplikationsfaktor m mit 3 vorgegeben wird, was zu einer Verdreifachung der Wiederholfrequenz f_r gemäß f = m·f_r führt.
Das Rauschen der erzeugten Frequenz f = m·f_r hängt auch von der Pulsbreite der vom Puls-Laser 1 erzeugten Lichtimpulse ab, wobei gilt, je schmaler die Pulse desto weniger Rauschen tritt auf. Das Rauschen hängt auch von anderen Faktoren ab, wie dem Rauschen der Pulse und vom Multiplikationsfaktor.
Eine phasenrichtige Addition der Frequenzanteile für die zu generierende Frequenz f = m·f_rh wird durch die erfindungsgemäße Ausführung des dispersiven Spezial-Elements D = cT_r ²/(mλ²) erzwungen.
Die Effizienz der Frequenzerzeugung hängt somit von der Gestaltung des dispersiven Spezial-Elementes 3 ab. Dieses besitzt erfindungsgemäß einen Dispersionsverlauf, der maximale Effizienz garantiert.
Bislang wurden dispersive Elemente D genutzt, die eine nicht auf den Effekt zur phasenrichtigen Überlagerung abgestimmte Dispersion besaßen, wie beispielsweise Standard-Glasfasern. Daher war die Bedingung für die phasenrichtige Überlagerung nur für einen kleinen Wellenlängenbereich erfüllt. Dies ist in der 3 im Bereich von λ₀ „Phasenbedingung erfüllt” dargestellt.
Das neue dispersive Spezial-Element D 3 ist in Abstimmung mit und durch Analyse des benutzten Effektes so gestaltet, dass für den gesamten Wellenlängenbereich λ die Bedingung für phasenrichtige Überlagerung erfüllt ist. Dies ist besonders wichtig für kurze Pulse, welche zu rauscharmen Frequenzen führen. Nur so kann die volle Effizienz erreicht werden.
Darüber hinaus kann das dispersive Spezial-Element 3 verlustärmer gestaltet werden als Standard-Glasfasern.
Als dispersives Spezial-Elemente 3 können außer einer speziellen Glasfaser auch ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter (FBG), ein Arrayed Waveguide Grating (AWG) oder ein Lattice Filter/Delay Line Filter eingesetzt werden, welche so gestaltet sind, dass die Phasenbedingung über den beispielsweise in der 3a und 3b gezeigten Wellenlängenbereich erfüllt ist.
Die Eigenschaften des dispersiven Spezial-Elements 3 werden beispielsweise durch gezielte Beeinflussung der Brechzahl oder des Verlaufs der Brechzahl über die Querschnittsfläche einer Faser, dem sogenannten Brechzahlprofil einer Glasfaser derart verändert, dass der in der 3b dargestellte Verlauf der Dispersion D erreicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Puls-Laser
2: Synchronisationsanordnung „RF Sync”
3: dispersives Spezial-Element
4: Fotodiode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

T. Jannson and J. Jannson: Temporal self-imaging effect in single-mode fibers. Journal Opt. Soc. Am. Vol. 71, No. 11, 1981 [0008]
J. Azana and A. Muriel: Temporal Self-Imaging effects: Theory and Application for Multiplying Pulse Repetition Rates. IEEE Journal an Selected Topics in Quantum Electronics. Vol. 7, No. 4, 2001 [0009]
G. Meloni and others: 250-times repetition frequency multiplication for 2.5 THz clock signal generation. Electronics Letters, Vol. 41, No. 23, 2005 [0009]
Corning SMF-28/ITU-T G.652 Norm [0031]

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer elektromagnetischen Schwingung in einem hohen Frequenzbereich, bei welchen mittels eines Puls-Lasers Lichtimpulse erzeugt, über ein dispersives Element zu einem Lichtempfänger übertragen und in ein elektrisches Ausgangssignal gewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element (3) einen Dispersionsverlauf D(λ) aufweist, welcher mit zunehmender Wellenlänge λ kleiner wird.
Anordnung zur Umsetzung des Verfahrens zur Erzeugung einer elektromagnetischen Schwingung in einem hohen Frequenzbereich, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element (3) als Glasfaser, gechirptes Faser-Bragg-Gitter (FBG), Arrayed Waveguide Grating (AWG) oder Lattice Filter/Delay Line Filter ausgeführt ist.