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Hintergrund
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In vielen Anwendungsfällen werden optische Daten mittels Glasfasern über weite Strecken versendet.
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Ebenfalls werden im Radarbereich Glasfasern zur Verteilung des Lokaloszillatorsignals (LO) verwendet.
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Um die Daten bzw. das Radarsignal drahtlos zu verschicken, muss das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, bevor es hochgemischt wird.
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Die Umwandlung von optischen Signalen in elektrische Signale erfolgt mittels Transimpedanzverstärker (TIA). Das Hochmischen auf das gewünschte RF-Band erfolgt dann mittels eines elektrischen Mischers.
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Das Ausganssignal des TIAs kann dann noch mittels eines DC-balancierten Buffers und eines Variable Gain Amplifiers (VGA) vorverarbeitet werden, bevor dieses Signal, mittels eines Mischers, mit einem anderen Signal multipliziert wird.
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Ein Blockschaltbild, welches den naheliegendsten Stand der Technik abbildet, ist in 1 dargestellt. Dort wird von einer Vermittlungsstelle CO ein optisches Signal über eine Faser an einen optischen Basisbandempfänger BPR geführt und dort (über eine beispielhafte Verarbeitung mittels einer Photodiode, Transimpedanzverstärker, DC-balancierten Buffers und eines Variable Gain Amplifiers (VGA)) vorverarbeitet und dann in einer elektrischen Stufe TX mittels eines Mischers (und eines weiteren Signals) auf das gewünschte RF-Band hochgemischt. Dabei werden der optische Basisbandempfänger BPR als auch die elektrische Stufe TX z.B. auf einem BICMOS integrierten Schaltkreis zur Verfügung gestellt.
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Hierbei erhöhen sowohl der Transimpedanzverstärker als auch der elektrische Mischer die Komplexität des Gesamtsystems.
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Zudem benötigt der Transimpedanzverstärker separate Chipfläche in der Größenordnung von ca. 0.25 mm2, wodurch die Kosten eines solchen Systems ansteigen.
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Zudem besitzt jede Einzelkomponente eine gewisse Bandbreite. Durch Verschaltung der beiden Komponenten wird die Bandbreite des Gesamtsystems durch die Bandbreite der einzelnen Komponenten und dabei durch die Komponente mit der geringsten Bandbreite, bestimmt. Um optische Signale hoher Frequenz zu detektieren, muss ein separater TIA verwendet werden um den Einfluss der parasitären Kapazität zu minimieren. Dieser TIA erzeugt zusätzliches Rauschen.
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Ferner generieren die Bauelemente Verlustleistung, welche den Wirkungsgrad des Systems verschlechtern. Daher eignet sich diese Lösung nicht für den Einsatz in Low-Power-Anwendungen oder akkubetriebenen Systemen.
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Ebenso ist festzustellen, dass die Bereitstellung eines Transimpedanzverstärkers als separates Bauelement das Risiko des Ausfalls des gesamten Systems erhöht.
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In einigen Anwendungsfällen kann es nötig sein, dass nur ein gewisses Frequenzband aus dem beliebig breiten optischen Signal genutzt werden soll. Dies wird in der Regel mit einem Filter hinter dem TIA realisiert. Dieser Kanalauswahlfilter (Channel Select Filter) basiert auf passiven Bauelementen.
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Da reale passive Bauelemente immer einen parasitären Widerstand besitzen, steigt das Rauschen enorm an.
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Ferner benötigen die (passiven) Bauelemente sehr viel Chipfläche wodurch die Kosten für das System stark ansteigen.
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In einigen Anwendungsfällen kann es nötig sein, dass eine einzelne Einheit abgeschaltet wird, während auf der Faser ein Daten- und / oder Takt-Signal weiterhin an andere Systeme weitergeleitet wird.
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Um dies zu implementieren, können verschiedene Techniken genutzt werden.
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Durch Verwendung eines Mach-Zehnder-Modulators (MZMs) vor einer Photodiode, kann individuell die optische Leistung an der Photodiode zu null gesetzt werden. Ein solcher Ansatz ist in 2 gezeigt.
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Dort wird ein optisches Eingangssignal einer Laserdiode LD auf einen Mach-Zehnder-Modulator MZM geführt. Das Ausgangssignal des Mach-Zehnder-Modulators MZM ist wiederum optisch und muss erst mittels einer Photodiode PD in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Dieses elektrische Signal ist dann ein Stromsignal. Für eine weitere Verarbeitung muss dieses Stromsignal noch in einem Transimpedanzverstärker in ein Spannungssignal überführt werden.
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Da Mach-Zehnder-Modulatoren sehr viel Fläche und sehr hohe Steuerspannungen benötigen, ist diese Lösung für integrierte Schaltungen und insbesondere extrem skalierte Technologien nachteilig.
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So werden zum Ansteuern eines Mach-Zehnder-Modulators Spannungen im Bereich von 2-3V benötigt. Dieser Spannungsbereich kann für moderne Transistoren mit Abmessungen im Nanometer-Bereich schon zum Ausfall der Treiberkomponenten führen.
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Ferner erhöhen diese Treiberkomponenten wiederum das Rauschen des Mischers.
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Des Weiteren benötigt der MZM mehrere Quadratmillimeter Chipfläche, die wiederum den Gesamtpreis des Systems erhöhen.
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Letztlich besitzen MZM nur eine Bandbreite im Bereich <30 GHz, wodurch diese Lösung ungeeignet für HF-Anwendungen ist.
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Als Alternative zu Mach-Zehnder-Modulatoren kann man die Versorgungsspannung ausschalten.
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Diese Technik weist jedoch den Nachteil auf, dass durch die entsprechenden Schalttransistoren hohe Ströme fließen müssten. Um die entsprechende Verlustleistung in den Transistoren auszugleichen, wären Kühlkapazitäten einzuplanen, die die Komplexität des Systems enorm ansteigen ließen.
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Als noch eine weitere Alternative bestünde die Möglichkeit mit einem analogen Latch die Signale nach dem Transimpedanzverstärker in einem DC-Zustand einzufrieren.
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Analoge Latches sind allerdings im mm-Wellen Bereich sehr teuer, wodurch die Kosten für das System stark ansteigen würden.
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Weiterhin ist bei den bekannten Systemen - soweit vorhanden - das Anpassungsnetzwerk nur als Bandpass ausgelegt, sodass es in aller Regel nicht möglich ist verschiedene Frequenzbänder auszuwählen.
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Aus dem europäischen Patent
EP 0 971 492 B1 ist eine Mischer-Anordnung bekannt, bei der mittels zweier Photodioden amplitudenmoduliertes Laserlicht in Strom gewandelt und mittels eines Transimpedanzverstärkers in ein Zwischenfrequenz-Signalspannung umgesetzt.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung eine Lösung anzugeben, die ein oder mehrere Probleme aus dem Stand der Technik vermeidet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen elektrooptischen Mischer mit elektrischem Ausgang gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
- 1 ein Ausführungsform gemäß Stand der Technik,
- 2 eine weitere Ausführungsform gemäß Stand der Technik,
- 3 eine schematische Darstellung von Ausführungsformen der Erfindung,
- 4 eine weitere schematische Darstellung von weiteren Ausführungsformen der Erfindung.
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Ausführliche Darstellung der Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen
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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.
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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.
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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.
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Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/- 10%.
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Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - auch zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen.
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In den 3 und 4 ist ein elektrooptischer Mischer 1 mit elektrischem Ausgang gemäß Ausführungsformen der Erfindung gezeigt.
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Der elektrooptische Mischer 1 weist mindestens eine Photodiode PD zur Wandlung eines einfallenden optischen Signales auf.
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Weiterhin weist der elektrooptische Mischer 1 mindestens einen ersten Anschluss und mindestens einen zweiten Anschluss auf, wobei an den ersten Anschluss / die jeweiligen ersten Anschlüsse (jeweils) eine erste Spannungsversorgung V1 und an den zweiten Anschluss / die / die jeweiligen zweiten Anschlüsse (jeweils) eine zweite Spannungsversorgung V2 anschließbar ist.
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Alternativ hierzu kann an den ersten Anschluss / die jeweiligen ersten Anschlüsse (jeweils) eine erste Stromversorgung I1 und an den zweiten Anschluss / die / die jeweiligen zweiten Anschlüsse (jeweils) eine zweite Stromversorgung I2 anschließbar sein.
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Der elektrooptische Mischer 1 weist zudem mindestens einen Anschluss für ein Kleinsignal-Massepotential für die erste Spannungsversorgung V1 und die zweite Spannungsversorgung V2 auf. Das Kleinsignal-Massepotential kann ein beliebiges Potential, insbesondere aber auch das Massepotential der Gesamtschaltung, sein.
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Der elektrooptische Mischer 1 weist ein erstes Teilanpassungsnetzwerk - dargestellt durch Z2, Z4 - auf, welches auf der Anodenseite der Photodiode PD angeordnet ist, wobei ein Teil des ersten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z2 - mit dem Anschluss für die zweite Spannungsversorgung V2 schaltbar mittels Schalter S2 verbindbar ist, und wobei ein anderer Teil des ersten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z4 - mit dem Anschluss für das Kleinsignal-Massepotential schaltbar mittels Schalter S2' verbindbar ist.
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Der elektrooptische Mischer 1 weist ein zweites Teilanpassungsnetzwerk - dargestellt durch Z1, Z3 - auf, welches auf der Kathodenseite der Photodiode PD angeordnet ist, wobei ein Teil des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z1 - mit dem Anschluss für die erste Spannungsversorgung V1 schaltbar mittels Schalter S1 verbindbar ist, und wobei ein anderer Teil des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z3 - mit dem Anschluss für das Kleinsignal-Massepotential mittels Schalter schaltbar S1' verbindbar ist.
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Anpassungsnetzwerke sind dabei als Impedanz-Anpassung zu versehen, d.h. eine Wechselspannungstrennung durch einen alleinigen Kondensator (als entkoppelndes Element) ist nicht als Anpassungsnetzwerk zu verstehen.
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Dabei weisen die Elemente des ersten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z2, Z4 - und des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z1, Z3 - induktiven und/oder resistiven Charakter und/oder kapazitiven Charakter auf.
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Der elektrooptische Mischer 1 weist weiterhin ein erstes entkoppelndes Element C1 auf, welches auf der Kathodenseite der Photodiode PD angeordnet ist, und ein zweites entkoppelndes Element C2, welches auf der Anodenseite der Photodiode PD angeordnet ist.
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Das erste entkoppelnde Element C1 und das zweite entkoppelnde Element C2 weisen wiederum induktiven und/oder resistiven Charakter und/oder kapazitiven Charakter auf.
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Zwischen den von der Photodiode PD abgewandten Seiten des ersten entkoppelnden Elementes C1 und des zweiten entkoppelnden Elementes C2 kann dann im Betrieb ein elektrisches Ausgangssignal bereitgestellt werden.
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Mit der vorgestellten Anordnung kann eine einfache, platzsparenden, frequenzeinstellbare Lösung bereitgestellt werden, die zudem abschaltbar ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird das elektrische Ausgangssignal jeweils einem Transimpedanzverstärker TIA1, TIA2 zugeführt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Schalter S1, S2, S1', S2' als beliebiges schaltendes Element, insbesondere jedoch als Halbleiterschalter, z.B. als Transistoren, ausgeführt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann bei geeigneter Schalterwahl die Schaltung als optischer Empfänger arbeiten.
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Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung kann mittels der Schalter S1, S2, S1', S2' der elektrooptische Mischer deaktiviert werden.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung können die Schaltpositionen der Schalter S1, S2, S1', S2' durch ein beliebiges Signal, insbesondere durch ein optisches Signal und/oder durch ein elektrisches Signal und/oder durch ein mechanisches Signal, angesteuert werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Elemente des ersten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z2, Z4 - und des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z1, Z3 - induktiven Charakter auf, wobei der induktive Charakter durch Spulen und/oder durch Leitungen bereitgestellt wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Elemente des ersten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z2, Z4 - und des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z1, Z3- alternativ oder zusätzlich kapazitiven Charakter auf, wobei der kapazitive Charakter durch Kondensatoren und/oder Leitungen bereitgestellt wird.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung ist das System in Halbleitertechnologie, z.B. BiCMOS, implementiert.
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Dabei kann das System aber auch mit diskreten Bauteilen implementiert sein.
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Offensichtlich kann aber der elektrooptische Mischer auch teilintegriert sein und z.B. einzelne Elemente als diskrete Bauteile aufweisen.
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In allen Ausführungsformen kann es vorgesehen sein, dass das System mit beliebig polarisiertem Licht arbeiten kann. Insbesondere kann das System mit rein TE-polarisiertem Licht oder mit rein TM-polarisiertem Licht arbeiten. Ebenso kann das System auch mit rein TE-polarisiertem Licht und mit rein TM-polarisiertem Licht arbeiten und so z.B. die Verarbeitung für eine Polarisationsmultiplexing bereitstellen.
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In der beispielhaften Ausgestaltung der 3 wird das optische Signal RF in der Photodiode PD detektiert und in ein elektrisches Signal gewandelt. Das erste Teilanpassungsnetzwerk und das zweite Teilanpassungsnetzwerk koppeln das elektrische Signal aus und erzeugen bzw. wählen durch die Impedanzanpassung, welche durch das erste Teilanpassungsnetzwerk und das zweite Teilanpassungsnetzwerk bereitgestellt wird, das Frequenzband aus.
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Im Beispiel der 3 sind die Impedanzen Z1 ... Z4 durch Induktivitäten gebildet, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein, sondern die Implementierung der Impedanzen Z1 ... Z4 ist nicht auf Spulen und Kondensatoren beschränkt, auch andere passive Bauelemente können genutzt werden.
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Dadurch, dass die Anoden- und Kathodenimpedanz der Photodiode PD vom Arbeitspunkt abhängen, kann man durch Variieren der Spannungen V1, V2 bzw. Ströme I1, I2 den Kanal / das Frequenzband auswählen, da für jeweils andere Spannungen das Anpassungsnetzwerk gebildet aus dem ersten Teilanpassungsnetzwerk und dem zweiten Teilanpassungsnetzwerk im Zusammenspiel mit den Impedanzen der Photodiode PD für (andere Frequenzen) resonant wird.
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Der eigentliche Mischvorgang wird in der H-Brücke bestehend aus S1, S2, S1', S2', Z1, Z2, Z3, Z4 und PD bereitgestellt.
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Für den Fall, dass die Spannungsversorgungen V1 und V2 jeweils eine von Null verschiedene Spannung (gegenüber dem Kleinsignal-Masse-Potential) zur Verfügung stellen, die betragsmäßig größer ist, kann man nun folgendes beobachten:
- Wenn die Schalter S1 und S1' geschlossen und die übrigen Schalter geöffnet sind befindet sich die Photodiode PD in Sperrrichtung und der Dunkelstrom zzgl. des Photostroms wird detektiert.
- Wenn hingegen die Schalter S2 und S2' geschlossen und die übrigen Schalter geöffnet sind, befindet sich die Diode im Vorwärtsbetrieb und der Strom wird durch den Diodenstrom dominiert, wodurch der Photostrom nicht mehr detektierbar ist.
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Sind hingegen die Schalter S1' und S2' geschlossen und die übrigen Schalter geöffnet, sinkt die Bandbreite der Photodiode PD, sodass nur noch niederfrequente Signale detektierbar sind.
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Sind hingegen die Schalter S2 und S2' (dauerhaft) geschlossen und die übrigen Schalter geöffnet, ist Iphoto<< Idiode. In diesen Fall ist der Mischer 1 ausgeschaltet.
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Offensichtlich gelten diese Ausführungen sinngemäß auch für positive Ströme I1, I2 die jeweils von Null verschieden sind.
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Es sei angemerkt, dass natürlich für den Fall, dass die Spannungsversorgungen V1 und V2 jeweils eine von Null verschiedene Spannung (gegenüber dem Kleinsignal-Masse-Potential) zur Verfügung stellen, die kleiner ist, die vorgenannte Darstellung gleichfalls gültig ist, wobei die Indices zu tauschen sind. Offensichtlich gelten diese Ausführungen sinngemäß auch für negative Ströme I1, I2 die jeweils von Null verschieden sind.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dabei bleibt der passive Kern wie in 3 erhalten. Allerdings können für den Fall, dass die Kapazitäten sehr groß sind, d.h. wenn C1, C2 → ∞, und die Impedanzen Z1, Z2, Z3, Z4 (z.B. Induktivitäten) passend gewählt wurden, auch breitbandige Signale detektiert werden.
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Die Ströme können dabei mittels der Transimpedanzverstärker TIA1 und TIA2 in Spannungen überführt werden. Sollten hingegen Leistungen am Ausgang gewünscht sein, können durch optionale Anpassungsnetzwerke (an den Ausgängen der Transimpedanzverstärker TIA1 und TIA2) die Spannungen in Leistungen bei einer bestimmten Impedanz transformiert werden.
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Ferner ist das System nicht nur auf zwei TIAs Transimpedanzverstärker beschränkt. Es können beliebig viele TIAS verwendet werden, die für verschiedene Frequenzen empfindlich sind. Nach Auswahl des entsprechenden Transimpedanzverstärkers kann dann eine Kanalauswahl stattfinden.
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Die Ausführungsformen gemäß der 4 erlauben sowohl einen breitbandigen wie auch einen schmalbandigen Betrieb.
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Die hier vorgestellten Ausführungsformen nutzen im Gegensatz zu Gilbert-Zellen oder nicht linearisierten Bauelementen eine H-Brücke. Ferner können die Systeme als Breitbandsystem oder mit Kanalauswahl implementiert werden. Zudem bietet das System die Möglichkeit der Deaktivierbarkeit.
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Der elektrooptische Mischer der Erfindung weist ein H-Brücke auf, die es ermöglicht ein optisches Signal mit einem elektrischen Signal direkt zu multiplizieren, ohne die Anwesenheit eines Transimpedanzverstärkers. Der elektrooptische Mischer der Erfindung verbraucht weniger Leistung, bei geringerer Komplexität und geringerem Rauschen. Die Chipfläche wird ebenfalls um die Größe des TIAs bzw. des Mach-Zehnder-Modulators verkleinert. Durch Verwendung entsprechender Teilanpassungsnetzwerke kann die Bandbreite eingestellt werden. Ebenso kann durch die verwendete Halbleitertechnologie die Bandbreite beeinflusst werden.
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Falls Transistoren als Schalter S1, S2, S1', S2', eingesetzt werden, sollte es ausreichend sein, dass die Spannung im Vergleich zum Mach-Zehnder-Modulator nur eine Spannung von >3UT (≈75mV) erreichen, welches deutlich niedriger ist als 2-3V.
