DE102020213283A1 - Electro-optical mixer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Mischer (1) aufweisend zumindest eine Photodiode (PD1, PD2) zum Erhalt eines optischen Eingangssignales, wobei die zumindest eine Photodiode (PD1, PD2) das er-haltene optische Eingangssignal in ein elektrisches Eingangssignal wandelt, und weiterhin aufweisend einen elektrischen Mischer (MX), wobei der elektrische Mischer (MX) zumindest einen Eingang für ein Lokaloszillatorsignal erstes zu mischendes Signal (LO) aufweist, wobei der elektrische Mischer (MX) weiterhin einen weiteren Eingang für ein zweites zu mischendes Signal aufweist, wobei im Betrieb zumindest einer aus dem ersten Eingang und dem weiteren Eingang Eingangssignale über zumindest ein Anpassungsnetzwerk (M1; M2) erhält, wobei am Ausgang des Mischers im Betrieb ein gemischtes Signal zur Verfügung ge-stellt wird.The invention relates to an electro-optical mixer (1) having at least one photodiode (PD1, PD2) for receiving an optical input signal, wherein the at least one photodiode (PD1, PD2) converts the optical input signal received into an electrical input signal, and further having a electrical mixer (MX), wherein the electrical mixer (MX) has at least one input for a local oscillator signal to be mixed first signal (LO), wherein the electrical mixer (MX) further has a further input for a second signal to be mixed, wherein in operation at least one of the first input and the further input receives input signals via at least one matching network (M1; M2), a mixed signal being made available at the output of the mixer during operation.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Mischer.The invention relates to an electro-optical mixer.
Hintergrundbackground
Im Bereich der Datenübertragung ist es bekannt Daten mittels Glasfasern über lange Strecken zu übertragen. In anderen Bereichen, z.B. der Radartechnik werden Glasfasern dazu verwendet Signale, z.B. Lokaloszillatorsignale, an mehrere Stationen zur weiteren Verwendung zu verteilen.In the field of data transmission, it is known to transmit data over long distances using glass fibers. In other areas, e.g. radar technology, glass fibers are used to distribute signals, e.g. local oscillator signals, to several stations for further use.
Um Daten bzw. ein Radarsignal drahtlos zu verschicken, wird das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt, bevor es hochgemischt wird. Die Umwandlung von optischen Signalen in elektrische Signale erfolgt typischerweise mittels eines Transimpedanzverstärkers (abgek. TIA).In order to send data or a radar signal wirelessly, the optical signal is converted into an electrical signal before it is upconverted. Optical signals are typically converted into electrical signals using a transimpedance amplifier (abbreviated to TIA).
Das Hochmischen auf das gewünschte RF Band erfolgt dann mittels elektrischem Mischer. Hierbei erhöhen die beiden Bauelemente Transimpedanzverstärker wie auch Mischer die Komplexität des Gesamtsystems. Ferner generieren die Bauelemente Verlustleistung, welche den Wirkungsgrad des Systems verschlechtern.The up-conversion to the desired RF band is then carried out using an electric mixer. The two components, transimpedance amplifiers and mixers, increase the complexity of the overall system. Furthermore, the components generate power loss, which impairs the efficiency of the system.
Letztlich besitzt jede Einzelkomponente eine gewisse Bandbreite. Durch Verschaltung der beiden Komponenten wird die Bandbreite des Gesamtsystems durch die Bandbreite der einzelnen Komponenten bestimmt, d.h. die zur Verfügung stehende Bandbreite sinkt.Ultimately, each individual component has a certain bandwidth. By interconnecting the two components, the bandwidth of the overall system is determined by the bandwidth of the individual components, i.e. the available bandwidth decreases.
Aus der Veröffentlichung „Analysis and Simulation of a Wireless Phased Array System with Optical Carrier Distribution and an Optical IQ Return Path“ der Autoren S. Kruse, C. Kress, H. G. Kurz, T. Schneider, and J. C. Scheytt, in 2020 13th German Microwave Conference (GeMiC), Mar. 2020, Seite 140-143. ist es bekannt, optische Signale mittels einer Photodiode und eines Transimpedanzverstärkers in elektrische Signale umzuwandeln. Das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers kann dann noch mittels eines DC balancierten Buffers und eines VGA vorverarbeitet werden, bevor dieses Signal mittels eines Mischers mit einem anderen Signal multipliziert werden.From the publication "Analysis and Simulation of a Wireless Phased Array System with Optical Carrier Distribution and an Optical IQ Return Path" by the authors S. Kruse, C. Kress, H. G. Kurz, T. Schneider, and J. C. Scheytt, in 2020 13th German Microwave Conference (GeMiC), Mar. 2020, pp. 140-143. it is known to convert optical signals into electrical signals by means of a photodiode and a transimpedance amplifier. The output signal of the transimpedance amplifier can then be pre-processed using a DC-balanced buffer and a VGA before this signal is multiplied with another signal using a mixer.
Nachteilig an der zuvor genannten Lösung ist, dass um optische Signale hoher Frequenz zu detektieren, ein separater Transimpedanzverstärker verwendet werden muss, um den Einfluss der parasitären Kapazität zu minimieren. Dieser Transimpedanzverstärker erzeugt jedoch zusätzliches Rauschen. Zusätzliches Rauschen verschlechtert das Signal-zu -Rausch-Verhältnis.A disadvantage of the previously mentioned solution is that, in order to detect high-frequency optical signals, a separate transimpedance amplifier must be used in order to minimize the influence of the parasitic capacitance. However, this transimpedance amplifier generates additional noise. Additional noise degrades the signal-to-noise ratio.
Des Weiteren konsumiert der Transimpedanzverstärker Leistung, wodurch diese Lösung nicht für den Einsatz in Low Power Anwendungen oder akkubetriebenen Systemen geeignet ist.Furthermore, the transimpedance amplifier consumes power, making this solution unsuitable for use in low-power applications or battery-powered systems.
Ferner verbraucht ein Transimpedanzverstärker zusätzliche Chipfläche in der Größenordnung (typischerweise circa 0.25 mm2). Diese zusätzliche Chipfläche ist teuer.Furthermore, a transimpedance amplifier consumes additional chip area on the order of magnitude (typically about 0.25 mm 2 ). This additional chip area is expensive.
Weiterhin nimmt mit der Anzahl der Komponenten auch die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems zu.Furthermore, the probability of failure of the overall system increases with the number of components.
In einem weiteren Ansatz werden Mach Zehnder Modulatoren (abgek. MZM) als Mischer verwendet. Dabei ist das Ausgangssignal des Mach Zehnder Modulators allerdings wiederum optisch und muss erst mittels einer Photodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Das so gewonnene elektrische Signal ist allerdings ein Stromsignal. Für eine weitere Verarbeitung muss dieses Stromsignal mittels eines Transimpedanzverstärkers in ein Spannungssignal gewandelt werden.In another approach, Mach Zehnder modulators (abbreviated MZM) are used as mixers. However, the output signal from the Mach Zehnder modulator is again optical and must first be converted into an electrical signal using a photodiode. However, the electrical signal obtained in this way is a current signal. For further processing, this current signal must be converted into a voltage signal using a transimpedance amplifier.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass zum Ansteuern des Mach Zehnder Modulators Spannungen im Bereich von 2-3V benötigt werden. Da typischerweise Transistoren mit Baugrößen im Nanometerbereich Verwendung finden, besteht hier bereits Gefahr für die Transistoren, sodass die Langzeitstabilität nicht gegeben ist bzw. nur unter Einsatz weiterer Mittel erhöht werden kann. Damit steigen aber die Komplexität als auch die Kosten einer solchen Lösung an.The disadvantage of this solution is that voltages in the range of 2-3V are required to drive the Mach Zehnder modulator. Since transistors with sizes in the nanometer range are typically used, there is already a risk for the transistors here, so that long-term stability is not given or can only be increased by using other means. However, this increases the complexity as well as the costs of such a solution.
Ferner erhöhen diese Treiberkomponenten wiederum das Rauschen des Mischers. Zusätzliches Rauschen verschlechtert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis.Furthermore, these driver components in turn increase the noise of the mixer. Additional noise degrades the signal-to-noise ratio.
Des Weiteren benötigt der Mach Zehnder Modulator zusätzliche Chipfläche in der Größenordnung (typischerweise mehre mm2). Diese zusätzliche Chipfläche ist teuer.Furthermore, the Mach Zehnder modulator requires additional chip area of the order of magnitude (typically several mm 2 ). This additional chip area is expensive.
Ein weitere Nachteil ist die beschränkte Bandbreite von Mach Zehnder Modulatoren, welche im Bereich von weniger als 30 GHz anzusiedeln ist. Dadurch ist die Verwendbarkeit für zahlrieche Hochfrequenz-Anwendungen aber nicht mehr gegeben.Another disadvantage is the limited bandwidth of Mach Zehnder modulators, which is in the range of less than 30 GHz. However, this means that it can no longer be used for numerous high-frequency applications.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht ein oder mehrere Probleme aus dem Stand der Technik zu vermeiden, insbesondere eine kostengünstige Lösung anzubieten.The invention has set itself the task of avoiding one or more problems from the prior art, in particular of offering a cost-effective solution.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen elektrooptischer Mischer nach dem unabhängigen Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, der Beschreibung und der Figuren.The object is solved by an electro-optical mixer according to the independent claim. Advantageous configurations are against stood the dependent claims, the description and the figures.
Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:
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1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektrooptischen Mischers gemäß Ausführungsformen der Erfindung, -
2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektrooptischen Mischers gemäß einer weiteren Ausführungsformen der Erfindung -
3 eine erste Ausführungsform einer elektrooptischen Lokal-Oszillator Konversion gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und -
4 eine zweite elektrooptische Lokal-Oszillator Konversion gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
-
1 a block diagram of an inventive electro-optical mixer according to embodiments of the invention, -
2 a block diagram of an inventive electro-optical mixer according to a further embodiment of the invention -
3 a first embodiment of an electro-optical local oscillator conversion according to embodiments of the invention; and -
4 a second electro-optical local oscillator conversion according to embodiments of the invention.
Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.In the following the invention will be illustrated in more detail with reference to the figures. It should be noted that different aspects are described, which can be used individually or in combination. That is, each aspect can be used with different embodiments of the invention unless explicitly presented as purely alternative.
Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.Furthermore, for the sake of simplicity, only one entity will generally be referred to below. Unless explicitly noted, however, the invention can also have several of the entities concerned. In this respect, the use of the words “a”, “an” and “an” is only to be understood as an indication that at least one entity is used in a simple embodiment.
Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.Insofar as methods are described below, the individual steps of a method can be arranged and/or combined in any order, unless something different is explicitly stated in the context. Furthermore, the procedures can be combined with one another unless otherwise expressly indicated.
Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/- 10 %.Specifications with numerical values are generally not to be understood as exact values, but also include a tolerance of +/- 1% to +/- 10%.
Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen, die im Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - im Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen zu verstehen.References to standards or specifications are to be understood as references to standards or specifications that are/were in force at the time of filing and/or - if priority is claimed - at the time of priority filing. However, this is not to be understood as a general exclusion of applicability to subsequent or superseding standards or specifications.
In
Ganz allgemein weist der elektrooptische Mischer 1 zumindest eine Photodiode zum Erhalt eines optischen Eingangssignales auf.Very generally, the electro-
In
Die zumindest eine Photodiode (PD1, PD2) wandelt das erhaltene optische Eingangssignal in ein elektrisches Eingangssignal.The at least one photodiode (PD1, PD2) converts the received optical input signal into an electrical input signal.
In
Ganz allgemein weist der elektrooptische Mischer 1 weiterhin einen elektrischen Mischer MX auf. Dieser Mischer kann z.B. aus mehreren (integrierten) Transistoren (dargestellt als (npn-) Bipolar-Transistoren) Q1...Q4 aufgebaut sein. Die Erfindung ist dabei nicht auf eine bestimmte Technologie beschränkt.Very generally, the electro-
Der elektrische Mischer MX weist zumindest einen Eingang für ein erstes zu mischendes Signal LO auf.The electrical mixer MX has at least one input for a first signal LO to be mixed.
Das erste zu mischende Signal LO kann z.B. ein Lokaloszillatorsignal sein.The first signal LO to be mixed can be a local oscillator signal, for example.
Der elektrische Mischer MX weist weiterhin einen weiteren Eingang für ein zweites zu mischendes Signal auf.The electrical mixer MX also has a further input for a second signal to be mixed.
Die genaue Zuordnung welches Signal am ersten Eingang und welches Signal am zweiten Eingang anliegt ist für das Verständnis nicht relevant. Vielmehr kann dies nach Verwendung und/oder elektrischen Eigenschaften der Eingänge geeignet von einem Fachmann gewählt werden.The exact assignment of which signal is present at the first input and which signal is present at the second input is not relevant for understanding. Rather, this can after use and / or electrical properties of the inputs are suitably chosen by a person skilled in the art.
Im Betrieb erhält zumindest einer aus dem ersten Eingang und dem weiteren Eingang Eingangssignale über zumindest ein Anpassungsnetzwerk.During operation, at least one of the first input and the further input receives input signals via at least one matching network.
In den
Am Ausgang des Mischers MX wird auch als switching quad bezeichnet - wird im Betrieb ein gemischtes Signal IF zur Verfügung gestellt.At the output of the mixer MX, also referred to as a switching quad, a mixed signal IF is made available during operation.
In der in
Dabei wird in
Das in
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass auch nichtlineare zeitvariante Mischer, sogenannte NLTI Mischer, ebenso mit der Erfindung zum Einsatz kommen können.It should be mentioned at this point that non-linear time-variant mixers, so-called NLTI mixers, can also be used with the invention.
Das elektrische Signal L0 kann hierbei auch das Signal aus der Photodiode PD1 bzw. daraus abgeleitet sein. Dann kann die Schaltung als Frequenzverdoppler benutzt werden.In this case, the electrical signal L0 can also be the signal from the photodiode PD1 or derived from it. Then the circuit can be used as a frequency doubler.
Das in
In den Photdioden PD1, PD2 können durch das differenzielle optische Signal differenzielle Ladungsträger erzeugt werden. Diese differentiellen Ladungen werden, nach Anpassung der Impedanzen M1, M2 in einem Switchen Quad MX mit dem elektrischen Signal LO in einem Switching quad MX multipliziert werden. Der Switching quad MX ist hierbei das Linear Zeit Variante System. Die Anpassungsnetzwerke M1 und M2 können dabei gleich sein. Dies führt in aller Regel zu einem symmetrischeren Aufbau, sodass auch die Signalführung symmetrisch gestaltet sein kann. Auch hier kann wieder ein NLTI-System verwendet werden.Differential charge carriers can be generated in the photodiodes PD1, PD2 by the differential optical signal. These differential charges, after matching the impedances M1, M2 in a quad MX switch, are multiplied by the electrical signal LO in a quad MX switch. The switching quad MX is the linear time variant system. The matching networks M1 and M2 can be the same. As a rule, this leads to a more symmetrical structure, so that the signal routing can also be symmetrical. Again, an NLTI system can be used here.
Das elektrische Signal L0 kann hierbei auch das Signal aus der Photodiode PD1 oder PD2 bzw. daraus abgeleitet sein. Dann kann die Schaltung als Frequenzverdoppler benutzt werden.In this case, the electrical signal L0 can also be the signal from the photodiode PD1 or PD2 or derived therefrom. Then the circuit can be used as a frequency doubler.
In den
Die Anpassungsnetzwerke M1, M2 stellen bevorzugt einen Gleichstrompfad nach Kleinsignal-Erde zur Verfügung, sodass Gleichstromanteile nicht zum Mischer MX gelangen.The matching networks M1, M2 preferably provide a DC path to small-signal ground, so that DC components do not reach the mixer MX.
Wie bereits angedeutet kann auch das elektrische Signal LO aus einem optischen Signal erzeugt sein. Beispielhafte Ansteuerungen sind in
Die Anpassungsnetzwerke M5, M6 können wiederum in Ausführungsformen der Erfindung die Anschlussimpedanz an die Impedanz der LO+ bzw. LO- Anschlüsse - hier die Basisimpedanz - anpassen.In embodiments of the invention, the matching networks M5, M6 can in turn match the connection impedance to the impedance of the LO+ or LO- connections—here the base impedance.
In den Knoten N1 und N2 können die jeweiligen Ausgangsströme - hier Kollektorströme - der Transistoren Q1 ... Q4 summiert werden.The respective output currents—here collector currents—of the transistors Q1 . . . Q4 can be summed in the nodes N1 and N2.
Der Ausgang der Knoten N1 und N2 kann nunmehr wiederum über Anpassungsnetzwerke M3 und M4 an die Anforderungen an den Ausgang IF angepasst werden.The output of the nodes N1 and N2 can now in turn be adapted to the requirements of the output IF via matching networks M3 and M4.
In einer Ausführungsform der Erfindung erhält das erste zu mischende Signal im Betrieb sein Eingangssignal über erste Anpassungsnetzwerke M1 M2 .In one embodiment of the invention, the first signal to be mixed receives its input signal via first matching networks M1 M2 during operation.
In einer Ausführungsform der Erfindung erhält das zweite zu mischende Signal im Betrieb sein Eingangssignal über ein zweites Anpassungsnetzwerk M5, M6 .In one embodiment of the invention, the second signal to be mixed receives its input signal via a second matching network M5, M6 during operation.
Der vorgestellte elektrooptischer Mischer 1 ermöglicht es ein optisches Signal RF mit einem elektrischen Signal IF direkt, d.h. ohne die Anwesenheit eines Transimpedanzverstärkers, zu multiplizieren. The presented electro-
Die vorgestellten Ausführungsformen verbrauchen daher weniger Leistung. Folglich sind sie besonders gut geeignet für die Verwendung in energielimitierten Systemen.The presented embodiments therefore consume less power. Consequently, they are particularly well suited for use in energy-limited systems.
Weiterhin weist der vorgestellte elektrooptischer Mischer 1 eine geringerer Komplexität auf. Hierdurch sinken die Entwicklungs- als auch Herstellungskosten.Furthermore, the presented electro-
Darüber hinaus besitzt der vorgestellte elektrooptischer Mischer 1 ein geringeres Rauschen. Damit einhergehend kann die Bandbreite über einen großen Bereich genutzt werden. In der Folge ergeben sich dann auch Möglichkeiten an anderer Stelle weniger anspruchsvolle Bauelemente einzusetzen, sodass mit geringerem Aufwand vergleichbare Ergebnisse kostengünstiger erzielt werden können.In addition, the presented electro-
Zudem kann die Chipfläche, auf der ein erfindungsgemäßer elektrooptischer Mischer 1 integriert sein kann, mindestens um die Größe eines Transimpedanzverstärkers bzw. eines Mach Zehnder Modulators verkleinert werden.In addition, the chip area on which an electro-
In aller Regel wird die zu erwartende Bandbreite des erfindungsgemäßen elektrooptischen Mischers 1 im Wesentlichen von den Anpassungsnetzwerken M1 ... M4, M5, M6 und/oder von der verwendeten Halbleitertechnologie abhängen.As a rule, the expected bandwidth of the electro-
So kann z.B. die LO Spannung gering sein, typischerweise im Bereich von weniger als 100 mV, insbesondere etwa 75 mV. Im Vergleich zu typischen Spannungen eines Mach Zehnder Modulators von 2-3 V ergeben sich nun nicht mehr die eingangs beschriebenen Probleme.For example, the LO voltage can be small, typically in the range of less than 100 mV, particularly about 75 mV. Compared to the typical voltages of a Mach Zehnder modulator of 2-3 V, the problems described at the beginning no longer arise.
Ferner muss bei dem vorgestellten Vier Quadranten Mischer kein extra DC balancierter Buffer eingesetzt werden, um ein voll differentielles Signal zu erzeugen.Furthermore, no extra DC-balanced buffer needs to be used with the presented four-quadrant mixer in order to generate a fully differential signal.
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