DE1217463B - Einrichtung zur Modulation - Google Patents

Einrichtung zur Modulation

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DE1217463B
DE1217463B DES89239A DES0089239A DE1217463B DE 1217463 B DE1217463 B DE 1217463B DE S89239 A DES89239 A DE S89239A DE S0089239 A DES0089239 A DE S0089239A DE 1217463 B DE1217463 B DE 1217463B
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Dipl-Ing Reginhard Pospischil
Dipl-Ing Hans-Norber Toussaint
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
H 03 c
Deutsche Kl.: 21 a4-14/01
Nummer: 1217 463
Aktenzeichen: S 89239IX d/21 a4
Anmeldetag: 27. Januar 1964
Auslegetag:' 26. Mai 1966
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Modulation einer Trägerschwingung mit einer Signalschwingung, die mit Mitteln zur frequenzselektiven Entnahme des geforderten Modulationsproduktes versehen ist.
Als Modulatoren werden in der Praxis häufig neben Elektronenröhren mit mehreren Elektroden auch Schaltungen mit Dioden angewendet, wie der Ringmodulator oder die bekannte Dioden-Überlagerungsstufe, wie sie beispielsweise in Mikrowellenempfängern Anwendung findet. Bei Modulatoren dieser Art zeigt sich, daß es relativ schwierig ist, wenigstens einzelne Anschlüsse gegenüber anderen Anschlüssen in einem weiten Frequenzbereich praktisch vollkommen zu entkoppeln.
Bei einer Einrichtung zur Modulation einer Trägerschwingung mit einer Signalschwingung, die mit Mitteln zur Frequenzselektiven Entnahme des geforderten Modulationsproduktes versehen ist, wird erfindungsgemäß eine praktisch vollkommene Entkopplung wenigstens einzelner Anschlüsse dadurch erreicht, daß wenigstens eine Emissionsdiode und wenigstens eine mit dieser optisch gekoppelte Photodiode vorgesehen sind, daß die Emissionsdiode in den Stromkreis der einen der beiden Schwingungen mit einbezogen ist und in den Stromkreis der Photodiode die Mittel zur frequenzselektiven Entnahme des geforderten Modulationsproduktes eingeschaltet sind und daß in den Stromkreis der anderen Schwingung eine der beiden Dioden oder eine mit der Photodiode optisch gekoppelte weitere Emissionsdiode einbezogen ist.
Vorteilhaft ist es, wenn an Stelle einer einzelnen Emissionsdiodemehrere in Reihe geschaltete Emissionsdioden, deren Strahlung der oder den Photodiode(n) zugeführt wird, vorgesehen sind. In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich auch, wenn an Stelle einer einzelnen Photodiode mehrere elektrisch parallelgeschaltete Photodioden vorgesehen sind.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Schaltung zumindest auf der Seite der Photodioden symmetrisch ausgeführt ist.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die üblicherweise verwendeten Diodenmodulatoren weisen einen großen Nachteil auf: sie sind nicht rückwirkungsfrei. Da die Diode ein Zweipol ist, ist auch keine Entkopplung der Ströme bzw. Spannungen der einzelnen Frequenz möglich. Um Abhilfe zu schaffen, hat man schon Transistormodulatoren vorgeschlagen. Bei diesen ist die die Modulation bewirkende nichtlineare Emitter-Basis-Strecke des Tran-Einrichtung zur Modulation
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Hans-Norbert Toussaint, München;
Dipl.-Ing. Reginhard Pospischil, Graf elf ing
sistors durch ein nichtreziprokes Verstärkerelement (den Transistor) von der im Kollektorkreis des Transistors befindlichen Last praktisch entkoppelt; Eine ausreichende Entkopplung, d. h. auch eine ausreichende Rückwirkungsfreiheit des Transistormodulators läßt sich indessen nur bei relativ tiefen Frequenzen erreichen, da bei höheren Frequenzen über die Kollektorkapazität und den Basiswiderstand des Transistors der Kollektorkreis mit dem Eingangskreis gekoppelt ist.
Ziel der Erfindung ist es, einen auch bei hohen Modulationsfrequenzen (Größenordnung Gigahertz) rückwirkungsfreien Modulator vorzuschlagen. Dieser besteht in seiner einfachsten Form aus einem elektrooptischen Energiewandler und einem mit diesem, optisch gekoppelten optoelektrischen Wandler, wobei der das Modulationsprodukt verarbeitende Verbraucher elektrisch in Reihe zum optoelektrischen Wandler geschaltet ist. Die beiden miteinander zu modulierenden Signale werden entweder additiv dem elektrooptischen Wandler zugeführt, oder das eine Signal wird dem elektrooptischen Wandler und das andere Signal der Reihenschaltung aus optoelektrischem Wandler und Verbraucher zugeführt. Der erfindungsgemäße Modulator ist rückwirkungsfrei, weil eine Lichtübertragung nur in Richtung vom elektrooptischen zum optoelektrischen Wandler möglich ist.
Die F i g. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Modulator gemäß der Erfindung. Die Quellen der beiden miteinander zu modulierenden Spannungen mit den Frequenzen Co1 und ω2 sind mit 1 und 2 bezeichnet. Die Spannungen der genannten Quellen liegen additiv am elektrooptischen Wandler 3. Das ist eine Emissionsdiode ζ. B. eine Gallium-Arsenid-
609 570/207
Diode, eine Gallium-Phosphid-Diode od. dgl., also Der optoelektrische Wandler 4, z. B. eine Photoeine Einrichtung, die den sie durchfließenden elek- diode, setzt die einfallenden Lichtquanten mit dem trischen Strom in elektromagnetische Strahlung um- Quantenwirkungsgrad?; in für den Stromtransport wandelt und nichtlineare Eigenschaften hat. Zur zur Verfügung stehende elektrische Ladungsträger um Einstellung eines günstigen Arbeitspunktes kann es 5
unter Umständen zweckmäßig sein, in Reihe zu den Q =η · N. (4)
beiden Spannungsquellen eine im Prinzipschaltbild
der F i g. 1 nicht dargestellte Gleichspannungsquelle Hierin bedeutet Q die pro Zeiteinheit erzeugten
einzuschalten. Der optoelektrische Wandler 4, das elektrischen Ladungsträger mit jeweils der Elementarist z. B. eine Photodiode, ist in Reihe mit dem Ver- io ladung q.
braucher 5 und einer Gleichspannungsquelle 6 ge- Der durch den optoelektrischen Wandler fließende
schaltet. Unter einer Photodiode wird eine Ein- elektrische Strom Ib ist somit gegeben durch die richtung verstanden, die elektromagnetische Strahlung Beziehung
in einen elektrischen Strom umwandelt. Den Verbrauchers in Fig. 1 stellt in der Praxis der im all- 15 lE — q-Q = q^-N — q^[b1 U8 + b2 U8 2 + ■··].
gemeinen komplexe Eingangswiderstand eines Filters /r\
dar, mit dessen Hilfe das gewünschte Modulations-
produkt herausgesiebt 'wird. Die vom elektrooptischen Der Strom ist um so größer, je größer der Quanten-
Wandler 3 ausgesandten Photonen — in F i g. 1 wirkungsgrad η ist. Bei Verwendung von sogenannten durch die Wellenlinie 7 angedeutet — treffen auf den 20 Photowiderständen aus Cadmiumsulfid kann der optoelektrischen Wandler 4, in dem sie elektrische Quantenwirkungsgrad wesentlich größer als 1 sein, Ladungsträger erzeugen. z. B. 200. Der Quantenwirkungsgrad η ist jedoch
Die Wirkungsweise der Anordnung soll nachfolgend spannungsabhängig. Diese Spannungsabhängigkeit erläutert werden. Die Leistung P8 des vom elektro- kann sich unter Umständen in der Anordnung nach optischen Wandler abgestrahlten Lichtes ist gegeben 25 der F i g. 1 störend bemerkbar machen, wenn der durch die Beziehung·; ■ Widerstandswert der Arbeitsimpedanz 5 so groß
gewählt wird, daß die an ihr auftretende Wechselns = N-EpJ1 = N'· h· f. (1) spannung nicht mehr klein gegen die Spannung der
Gleichspannungsquelle 6, z. B; einer Batterie, ist. Da
Hierin bedeutet N die Anzahl der pro Zeiteinheit 30 Photowiderstände jedoch Betriebsspannungen von emittierten Photonen, Eph die Energie eines Photons, einigen hundert Volt erlauben, bedeutet die Spannungs- h das Plancksche Wirkungsquantum und / die abhängigkeit ihres Quantenwirkungsgrades keinen Frequenz des emittierten Lichtes. Voraussetzungs- schwerwiegenden Nachteil.
gemäß bestehe zwischen der Spannung U8= U1+ U2 Der Quantenwirkungsgrad für Halbleiterphoto-
am elektrooptischen Wandler 3 und der von diesem 35 dioden, z. B. aus Germanium, ist annähernd 1, z. B. abgestrahlten Leistung P8 ein nichtlinearer Zusammen- 0,9. Der Quantenwirkungsgrad ist bei hinreichend hang, der durch eine Potenzreihe beschreibbar ist. großen Sperrspannungen (>1V) praktisch unab
hängig von der Größe der an der Photodiode liegenden
Ps = Ci1Us + a2 U5 2 + · · ·. (2) Spannung, d. h., es sind bei Photodioden große
40 Arbeitswiderstände zulässig. Ein weiterer Vorteil der
Von besonderem Interesse als elektrooptische Photodioden ist, daß sie eine geringe Trägheit besitzen Wandler sind die Elektrolumineszenzplatte und die und daher noch bei Modulationsfrequenzen im neuerdings bekanntgewordene Ga-As-Emissionsdiode.· Gigahertzbereich verwendet werden können.
Man unterscheidet bei den Emissionsdioden zwei ■ Es wird angenommen, daß die Quelle 1 bei dem Typen. Der eine Typ sendet inkohärente Strahlung aus. 45 Modulator nach der F i g. 1 eine Spannung
per andere Typ sendet kohärente Strahlung aus. Die
erfindungsgemäßen Anordnungen vermögen mit beiden U1 cos O)1 1
Typen zu arbeiten.
Aus den Gleichungen (1) und (2) läßt sich die pro erzeugt und die Quelle 2 die Spannung
Zeiteinheit emittierte Anzahl N von Photonen als 50
Funktion der Spannung Us ermitteln zu U2 cos co2t.
, _ 1 . In Gleichung (5) ist dann die Spannung Us gegeben
JS - --Va1U8 + O2U8 + ■ · -j [ia) durch
- .. Λ Λ
oder mit der Zusammenfassung -L- · an = b» zu U8=U cos ω11 + U2 cos ω21. (6)
Unter der Annahme eines spannungsunabhängigen
N = bx Us + b2 U8 Z + ■ · ·. (3 b) Quantenwirkungsgrades η — dies läßt sich durch
geeignete Betriebsbedingungen zumindest näherungs-
Die Anzahl N der pro Zeiteinheit emittierten Licht- 60 weise erfüllen — erhält man mit Gleichung (5) den im quanten ist also gleichermaßen eine nichtlineare Kreis des optoelektrischen Wandlersfließenden Strom/g Funktion der Spannung U3= U1+ U2. zu
b-t U1COSCOi t + b-, U9COSmot + —boCUt* + UJ) A b% CZ1 2cos2O)1 1 A δ2 Z72 acos2ω2/
+ Jb2U1 U2 cos(CO1.+ Cu2Ji + b2Ux U2COs(CO1-co^t + ···\. ·. 0)
Neben den beiden Stromanteilen mit den gewünschten Frequenzen (Co1 + a>2) und/oder (W1 — W2) treten auch noch Stromanteile mit unerwünschten Frequenzen auf.
In den vorstehenden Gleichungen wurde explizit jeweils nur bis zum quadratischen Glied entwickelt.; In der Praxis müssen unter Umständen auch Glieder höherer Ordnung noch berücksichtigt werden. Dies gilt vor allem bei Verwendung von kohärent strahlenden Emissionsdioden als elektrooptische Wandler. Aus den Kennliniengleichungen lassen sich in für Diodenmischstufen an sich bekannter Weise auch die Bedingungenfür die Arbeitspunkte und die Amplitudenverhältnisse der einzelnen Signale ableiten, wovon hier aus Gründen der Übersichtlichkeit abgesehen wird.
Die Anteile mit unerwünschten Frequenzen lassen sich in an sich bekannter Weise durch entsprechende Gestaltung der Schaltung unterdrücken. Als Beispiele hierfür zeigt die F i g. 2 einen Modulator, der einen zweiten gegenphasig gespeisten elektrooptischen Wandler 8 verwendet, der gleichfalls optisch (Photonenstrom 9) mit dem optoelektrischen Wandler gekoppelt ist.
Es läßt sich zeigen, daß bei dieser Ausbildung der Schaltung und gleichen Arbeitsbedingungen für die beiden elektrooptischen Wandler 3, 8, bezogen auf den optoelektrischen Wandler 4, Ströme mit den Frequenzen Cu1 und ω2 im Ausgangskreis nicht auftreten.
Als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die F i g. 3 einen Modulator mit zwei elektrooptischen Wandlern 10,11, die jeweils mit einem optoelektrischen Wandler 12,13 optisch gekoppelt sind. Die beiden Quellen 1, 2 sind über einen Übertrager 14 so zusammengeschaltet, daß am Wandler 10 die Summe der beiden Spannungen der Quellen 1 und 2, am Wandlern hingegen die Differenz der beiden Spannungen der Quellen 1 und 2 auftritt. Die optoelektrischen Wandler sind in einer Brückenanordnung geschaltet. Es läßt sich zeigen, daß der im Ausgangs-; kreis des Übertragers 15 gelegene Verbraucher 16 von Strömen der Frequenzen ω2, W1-^w2, O)1-Co2 durchflossen ist. Die Batterie 17 dient der Strom-, Versorgung der optoelektrischen Wandler. Der Übertrager 15 kann auch in Fortfall kommen, wenn der; Verbraucher 16 in den gemeinsamen Strompfad beider optoelektrischen Wandler, z. B. wie gestrichelt angedeutet, eingeschaltet wird.
ίο Die F i g. 4 zeigt in Weiterbildung der Anordnung nach der F i g. 1 einen Modulator, bei dem von der »Spannungsabhängigkeit des Quantenwirkungsgrades« des optoelektrischen Wandlers 19 Gebrauch gemacht wird. »Spannungsabhängigkeit des Quantenwirkungsgrades« ist hierbei rein formal als Ursache für die Spannungsabhängigkeit des durch den optoelektrischen Wandler fließenden Stromes aufzufassen. Die physi-. kaiischen Ursachen können auch anderer Art sein, z. B. ist die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger ·
eine Funktion der elektrischen Feldstärke und damit; der anliegenden Spannung.
Die Quelle 1 speist, gegebenenfalls unter Zwischen-. schaltung einer der Arbeitspunkteinstellung dienenden, nicht dargestellten Gleichspannungsquelle, den elektrooptischen Wandler 17. Dieser sendet Photonen 18 aus, die dem optoelektrischen Wandler 19 zugeführt werden. Der Wandler 19 ist mit einer Gleichspannungsquelle 20, der Wechselspannungsquelle 2 und dem Verbraucher 21 in Reihe geschaltet. Drückt man die (scheinbare) Spannungsabhängigkeit des Quantenwirkungsgrades in der Form
V=2Vo + Vi U2COSco2t (8a)
aus und setzt
Us = U1COSCO1I, (8 b)
so erhält man den durch den optoelektrischen Wandler fließenden Strom Ie zu
Ib = q(Vo + Vi U2COSw2I)Qj1 EZ1 COSCo1; + b2 U1 2COS2Co1; + · · ·).
(9)
Aus der Gleichung (9) ist erkennbar, daß eine Modulation auch dann eintritt, wenn zwischen der Spannung am elektrooptischen Wandler 19 und der von 17 emittierten Leistung ein linearer Zusammenhang besteht.
Bei Verwendung von Photodioden als optoelektrische Wandler in der Anordnung von F i g. 4 muß die Spannung der Quelle 2 so groß gewählt sein, daß die an der Photodiode wirksame Spannung Ud= U2+ U20 einmal je Periode der Spannung der Quelle 2 annähernd gleich Null ist oder sogar die Diode schwach in Flußrichtung polt.
Das an Hand von F i g. 4 erläuterte Prinzip ist auch in anderen Modulatorschaltungen, z. B. in Gegentakt- oder in Brückenschaltungen, anwendbar.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die F i g. 5, bei der von dem Schaltungsprinzip der F i g. 4 ausgegangen wird. Die Signalquelle 2 ist hierbei jedoch mit einem gesonderten elektrooptischen Wandler 22 in der vorgeschilderten Weise gekoppelt. Die elektromagnetische bzw. optische Strahlung des Wandlers 22 wird dem optoelektrischen Wandler 19 zugeführt. Damit die geforderte Spannungssteuerung mit dem Signal von 2 im Stromkreis des optoelektrischen Wandlers 19 erreicht wird, ist in diesen Stromkreis ein auf die Frequenz von 2 abgestimmter Parallelresonanzkreis 24 eingeschaltet.
Abschließend sollen noch einige Bemerkungen zur Realisierung der optischen Kopplung zwischen den elektrooptischen und den optoelektrischen Wandlern gemacht werden. Im einfachsten Falle wird man die Austrittsöffnung der Strahlung des elektrooptischen Wandlers die Eintrittsöffnung für Strahlung des optoelektrischen Wandlers berühren lassen. Zur Verbesserung der optischen Anpassung ist es jedoch zweckmäßig, besondere optische Kopplungselemente vorzusehen. Hierfür kommen beispielsweise in Frage:
a) Eine Sammellinse, die im Strahlengang zwischen dem elektrooptischen Wandler und dem optoelektrischen Wandler angeordnet ist und das Licht auf die lichtempfindliche Schicht des optoelektrischen Wandlers bündelt.
b) Ein Spiegel, der das aus dem elektrooptischen Wandler austretende Licht gebündelt zum optoelektrischen Wandler reflektiert.
c) Eine Faseroptik, wie einen sogenannten optischen Wellenleiter, z. B. aus Glasfiber.
Bei räumlich zu enger Anordnung der beiden optisch gekoppelten Wandler kann — sonst bedingt durch kapazitive oder induktive Kopplung der beiden Wandler — doch noch eine unter Umständen unerwünschte Rückwirkung auftreten. Die Rückwirkung
läßt sich durch größeren Abstand der beiden Wandler voneinander praktisch vermeiden.
Schließlich besteht auch die Möglichkeit, eine weitere Modulation im optischen Kanal vorzunehmen. Hierfür eignen sich vorzugsweise Modulatoren, die den Kerr-Effekt oder Pockels-Effekt ausnutzen.
Die elektrische Reihenschaltung mehrerer Emissionsdioden und/oder die elektrische Parallelschaltung mehrerer Photodioden hat im einzelnen folgende Vorteile. Bei der elektrischen Reihenschaltung mehrerer Emissionsdioden hat die Bewegung einer bestimmten Anzahl Ladungsträger in einem differentiellen Leitungsabschnitt eine entsprechende Ladungsträgerbewegung in jeder der Emissionsdioden zur Folge. In jeder der Emissionsdioden wird daher durch die entsprechende gleichzeitigeLadungsträgerbewegung ein dem jeweiligen Quantenwirkungsgrad dieser Emissionsdiode entsprechender Anteil an Photonen ausgelöst bzw. abgegeben. Selbst wenn also der Quantenwirkungsgrad in der einzelnen Emissionsdiode wesentlich unter 100% hegt, dann läßt sich durch eine entsprechende Anzahl von in Reihe geschalteten Emissionsdioden eine Photonenzahl erreichen, die gegenüber einer einzelnen Emissionsdiode der Diodenanzahl entsprechend höher liegt. Man kann dann auf einen Quantenwirkungsgrad größer als 100 % bzw. größer als 1 kommen.
Die von den einzelnen Emissionsdioden abgegebenen Photonen können nun an sich einer gemeinsamen Photodiode zugeführt werden. Es ist dann nur erforderlich, die einzelnen Emissionsdioden entsprechend auf die gemeinsame Photodiode auszurichten. In Weiterbildung der Erfindung sollen mehrere Photodioden in elektrischer Parallelschaltung für die Signalströmung vorgesehen sein. Dabei kann beispielsweise jeder Emissionsdiode eine Photodiode zugeordnet sein. Es können aber auch weniger oder mehr Photodioden vorgesehen werden. In diesem Fall ist es dann nur erforderlich, den Photonenstrom der Emissionsdioden entsprechend auf die einzelnen, für die Signalströme elektrisch parallelgeschalteten Photodioden aufzuteilen. Mehrere Photodioden für eine Emissionsdiode empfehlen sich vor allem dann, wenn die Emissionsdiode ihre Photonenstrahlung nicht in einen engen Raumsektor gebündelt, sondern in einen größeren Bereich verteilt abgibt. Man kann dann den Verlust an Photonen, die nicht zu Photodioden gelangen, nennenswert verringern.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Einrichtung zur Modulation einer Trägerschwingung mit einer Signalschwingung, die mit Mitteln zur frequenzselektiven Entnahme des geforderten Modulationsproduktes versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Emissionsdiode und wenigstens eine mit dieser optisch gekoppelte Photodiode vorgesehen sind, daß die Emissionsdiode in den Stromkreis der einen der beiden Schwingungen mit einbezogen ist und in den Stromkreis der Photodiode die Mittel zur frequenzselektiven Entnahme des geforderten Modulationsproduktes eingeschaltet sind und daß in den Stromkreis der anderen Schwingung eine der beiden Dioden oder eine mit der Photodiode optisch gekoppelte weitere Emissionsdiode einbezogen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle einer einzelnen Emissionsdiode mehrere in Reihe geschaltete Emissionsdioden vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle einer einzelnen Photodiode mehrere elektrisch parallelgeschaltete Photodioden vorgesehen sind.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zumindest auf der Seite der Photodioden symmetrisch ausgeführt ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 570/207 5.66 © Bundesdruckerei Berlin
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