DE60125566T2

DE60125566T2 - Frequenzgenerator

Info

Publication number: DE60125566T2
Application number: DE60125566T
Authority: DE
Inventors: David Christopher Malvern WATSON; John Alwyn Malvern SEEDS
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Cufer Asset Ltd LLC
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: JP2004512556A; EP1327298A2; WO2002033818A3; US20040051936A1; US6980353B2; WO2002033818A2; ATE349723T1; DE60125566D1; AU2002210678A1; JP4072053B2; CA2426116A1; GB0025662D0; EP1327298B1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Generator zur Erzeugung von Frequenzen im Bereich von nahe null Hertz bis in die Millimeter- und Submillimeterwellenbänder. Insbesondere betrifft es einen Generator, der eine Ausgangsfrequenz erzeugt, indem er Lasersignale mit einem Fotodetektor erfasst, und der beliebig kleine Frequenzinkremente zwischen der minimalen und maximalen Ausgangsfrequenz bietet.
Hintergrund
Es gibt viele Anwendungen für Frequenzgeneratoren, die über einen sehr breiten Frequenzbereich arbeiten können. Instrumentierung, Millimeterwellen- und Submillimeterwellentechnik, Radar, Kommunikationssysteme, Bildverarbeitungssysteme, Spektroskopieanwendungen und allgemeine Labormessausrüstung haben in diesem Bereich Anforderungen. Bestehende Ultra-Breitbandgeneratoren für Frequenzen in dem Bereich, der von der vorliegenden Erfindung abgedeckt wird, funktionieren alle, indem sie von einem Typ Frequenzgenerator zu einem anderen umschalten, wenn sich die erforderliche Ausgangsfrequenz aus dem Bereich eines bestimmten Erzeugertyps wegbewegt.
Es gibt einen Generatortyp, der durch Überlagerung von zwei oder mehr Laserquellen arbeitet und dieses überlagerte Signal auf einen Fotodetektor gibt. Das Ausgangssignal des Fotodetektors umfasst neben anderen Komponenten f_L1–f_L2, wobei f_L1 und f_L2 die entsprechenden Frequenzen der zwei Laserquellen sind. Durch geeignete Wahl von f_L1 und f_L2 kann jede Frequenz erzeugt werden, die innerhalb der Bandbreite des Fotodetektors liegt. Es gibt jedoch Probleme mit dieser Methode. Die Linienbreite eines typischen Lasers kann mehrere Megahertz (MHz) breit sein, und die Überlagerung zweier unkorrelierter Laserquellen auf einer Fotodiode erzeugt ein Ausgangssignal, das für die meisten praktischen Zwecke zu verrauscht ist. Es existieren Methoden^1,2, um dies zu verbessern, indem zwei Laserquellen mit einem gemeinsamen Referenzsignal, wie etwa einer anderen Laserquelle, verrastet werden, sodass viel des Rauschens korreliert ist und folglich in dem gewünschten Ausgangssignal nicht erscheint. Im Allgemeinen werden injektionsverrastete Laser als Laserquellen verwendet, da sie leicht mit einer Referenzlaserquelle verrastet werden können.
Diese Methoden können verwendet werden, um eine Ausgangsfrequenz mit geringem Rauschen zu erzeugen, aber sie haben den Nachteil, dass die Ausgangsfrequenz des Systems relativ unflexibel ist, dahingehend, dass sie nur in Inkrementen von mindestens ungefähr einigen 100 MHz eingestellt werden kann. Wenn zum Beispiel ein Laser mit mehreren Frequenzausgängen als Referenzquelle verwendet wird, dann kann jeder der injektionsverrasteten Laser mit einem anderen Ausgangssignal verrastet werden, aber wenn die Signale auf dem Fotodetektor überlagert werden, ist die Schrittweite des Ausgangssignals auf die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen aus dem Referenzlaser begrenzt. Wenn die Anzahl der Frequenzen des Ausgangssignals pro Bandbreiteneinheit der Referenz gesteigert wird, um die minimale Schrittweite zu verringern, dann wird es schwieriger, jede der Laserquellen mit einer bestimmten Frequenzlinie verrastet zu halten. Drift der injektionsverrasteten Laser bewirkt, dass die sich mit angrenzenden Spektrallinien verrasten, wenn die Linien zu nahe aneinander liegen.
Die vorliegende Erfindung überwindet diese Einschränkungen und liefert sehr schnelle Wechsel zwischen gewünschten Frequenzen.
Darlegung der Erfindung und Vorteile
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Frequenzgenerator geschaffen, der eine erste optische Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung, die verwendet wird, um ein erstes optisches Ausgangssignal zu liefern; und
ein optisches Referenzoszillatorsystem; und
eine Detektoreinrichtung mit einem optischen Eingang und einem Hochfrequenzausgangssignal umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass:
das optische Referenzoszillatorsystem dazu eingerichtet ist, wenigstens ein optisches Referenzausgangssignal mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Frequenz zu liefern, und
die optische Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung mit einem Ausgangssignal des optischen Referenzoszillatorsystems verrastet ist,
und ein zweites optisches Ausgangssignal von einer zweiten optischen Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung geliefert wird, das mit einem Ausgangssignal des optischen Referenzoszillatorsystems verrastet ist,
und wobei das erste und das zweite optische Ausgangssignal dazu eingerichtet ist, mit der Detektoreinrichtung in optischer Kommunikation zu stehen.
Die Verwendung einer Frequenzverschiebungseinrichtung „Continuous-wave Laser Frequency Synthesizer with a 100 GHz Tuning Range an a High Absolute Frequency Stability", K. Shimizu, T. Horiguchi und Y. Koyomada; Proceedings of the European Conference on Optical Communications, Montreux CH, 12.–19. 09.2003, Vol. 3, pp 93–96 – einer Einrichtung, die eine Ausgangsfrequenz liefern kann, die von allen Komponenten des optischen Referenzsystems verschieden ist – liefert zusammen mit einem Frequenzauswahlmechanismus eine viel größere Freiheit bei der Wahl der Ausgangsfrequenz des Systems. Es gibt mehrere verschiedene Typen von Frequenzverschiebungseinrichtungen, die verwendet werden können. Aktuelle Verfahren umfassen heterodyne optische Phase-Locked-Loops, akustooptische Frequenzschieber, elektrooptische Frequenzschieber und heterodyne optische Injektions-Phase-Locked-Loops, sind aber nicht darauf begrenzt. Diese Frequenzverschiebungseinrichtungen können die Eingangssignale aus dem optischen Referenzoszillatorsystem aufnehmen, das mit einem bestimmten Frequenzabstand der Spektrallinien arbeitet, eine gewünschte Spektrallinie auswählen und ein Ausgangssignal erzeugen, das von der ausgewählten Spektrallinie um einen Betrag abweicht, der der Frequenz einer Referenz entspricht, die in die Verschiebungseinrichtung eingegeben wird. Manche dieser Einrichtungen nehmen das optische Eingangssignal auf und verschieben es in der Frequenz, während andere das optische Eingangssignal als eine Basis zur Erzeugung eines neuen optischen Signals verwenden. Folglich arbeiten manche Frequenzverschiebungseinrichtungen einstellbare Quellen, während andere rein als Frequenzschieber wirken. Der letztere Typ erfordert das Hinzufügen eines einstellbaren optischen Filters, um unerwünschte Eingangssignale aus dem Referenzoszillatorsystem zu entfernen, wenn es keine Filterwirkung gibt, die seiner Arbeitsweise inhärent ist. Beide Typen von Frequenzverschiebungseinrichtungen sind für die Verwendung in der vorlie genden Erfindung geeignet. Es ist klar, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung der oben angegebenen Frequenzverschiebungseinrichtungen begrenzt ist, sondern dass alle Einrichtungen, die ein optisches Signal als Eingangssignal aufnehmen und ein optisches Signal als Ausgangssignal ausgeben können, dessen Frequenz von dem Eingangssignal um einen gesteuerten Betrag abweicht, für die Umsetzung der Erfindung geeignet sein können.
Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung optische Signale als solche Signale angesehen werden können, die mit Lasermethoden erzeugt werden können. Diese liegen in der Größenordnung von 10 THz (was einer Wellenlänge von ungefähr 30 μm entspricht) oder darüber. Signale, die aus einem Fotodetektor ausgegeben werden können, können als Hochfrequenzsignale betrachtet werden. Aktuelle Technik ermöglicht die Erfassung von Signalen in der Größenordnung von 150 GHz, aber die Erfindung funktioniert auch mit Fotodetektoren, die eine höhere obere Grenzfrequenz haben.
Vorzugsweise wird das zweite Ausgangssignal auch aus einer Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung abgeleitet, sodass die Auswahl einer beliebigen Ausgangsfrequenz aus der Erfindung einfacher ist, wie unten beschrieben wird.
Das optische Referenzoszillatorsystem ist vorzugsweise ein optischer Frequenzkammgenerator (OFC, Optical Frequency Comb), der mehrere Spektrallinien mit bekannten Frequenzintervallen erzeugen kann. Es kann jedoch auch aus einem System aus zwei oder mehr Lasern bestehen, die mit einer gemeinsamen Quellfrequenz verrastet sind, wobei jeder Laser verschiedene Ausgangsfrequenzen erzeugt. Allgemein kann es jedes System sein, das zwei oder mehr optische Aus gangssignale mit verschiedenen Frequenzen aufweist, die eine Referenz für die Frequenzauswahlmechanismen bereitstellen können.
Es gibt verschiedene Typen von OFC-Erzeugern, von denen manche für die vorliegende Erfindung geeigneter sind als andere. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen aneinandergrenzenden Kammlinien frequenzstabil und dennoch auf eine gewünschte Frequenz einstellbar. Vorzugsweise sind die Amplituden aller zu verwendender Spektrallinien ähnlich. Vorzugsweise haben alle Kammlinien eine hohe Phasenkorrelation. Vorzugsweise liegt der minimale Kammabstand in der Größenordnung von 1 GHz bis 10 GHz, um zu verhindern, dass die Frequenzschieber von einer Spektrallinie zu einer anderen springen.
Es bestehen wie folgt einige Möglichkeiten:
– Phasenverrasterer Laser²:
Dieses Verfahren setzt einen Mehrlinienlaser ein, dessen Moden durch eine periodische Störung des Resonanzraums des Lasers miteinander verrastet sind.
– optischer parametrischer OFC-Generator mit Oszillatorfrequenzteiler³
Dieses Verfahren setzt einen einzelnen Laser ein, um einen Satz von optischen parametrischen Oszillatoren zu pumpen, deren Ausgangssignale mit gleichmäßigen Abstand die Hauptfrequenzmarkierungen des Kamms bilden.
– Elektrooptischer OFC-Erzeuger mit externem Resonanzraum⁴:
Dieses Verfahren beruht auf der Erzeugung eines Kamms mit Moden mit gleichem Abstand aus einer einzelnen Trägerfrequenz. Ein elektrooptischer Modulator wird verwendet, um der optischen Trägerfre quenz eine Mikrowellenfrequenz zu überlagern. Dieser erzeugt einen Kamm aus Moden mit einem Abstand von genau der Mikrowellenfrequenz.
– Faserverfahren⁵:
Es gibt -verschiedene Methoden, die vereinfachte optische Faserschleifen zur OFC-Erzeugung einsetzen. Eine von diesen, die von Ho und Kahn⁶-vorgeschlagen wurden, verwendet eine Faserschleifenstruktur mit elektrooptischem Phasenmodulator. Das zugrundeliegende Konzept ist hier, einen Phasenmodulator in einer rückgekoppelten Schleife anzuordnen, sodass die Phasenmodulation durch mehrfache Durchläufe von Licht durch den Modulator verstärkt wird. Die Schleife enthält außerdem einen optischen Verstärker, um die Verluste bei den Umläufen zu kompensieren.
Es existieren andere Methoden zur OFC-Erzeugung, die für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sein können.
Der Detektor ist vorzugsweise eine Fotodiode. Wenn mehrere Eingangsfrequenzen auf eine Fotodiode gegeben werden, dann führt die Art des Fotoerfassungsprozesses, der einem quadratischen Gesetz folgt, zur Erzeugung von Differenzfrequenztermen. Mit zwei optischen Eingangssignalen, a und b, wobei a = A sin ω1t, und b = B sin ω2t sind,führt der Erfassungsprozess zu einer Frequenzkomponente mit |ω₁ – ω₂|. Dies ist das gewünschte Ausgangssignal aus dem Frequenzerzeugungssystem. Andere, unerwünschte Frequenzkomponenten wer den auch erzeugt, aber diese sind tendenziell viel kleiner als der erwünschte Term.
Nach der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Erzeugung eines Signals geschaffen, das die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Referenzsystems mit einem Ausgangssignal, das mehrere Spektrallinien in dem Frequenzband aufweist, das von einem Laser verwendet wird;
Anlegen dieses Ausgangssignals an eine erste Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung, die ein Ausgangssignal aufweist, das eine einzelne Spektrallinie enthält, die aus denen an ihrem Eingang ausgewählt wurde, die im Frequenzbereich um einen Betrag verschoben wurde, der durch ein Eingangssignal mit Referenzfrequenz festgelegt wird;
Anlegen dieses Ausgangssignals an eine zweite Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung, die ein Ausgangssignal aufweist, das eine einzelne Spektrallinie enthält, die aus denen an seinem Eingang ausgewählt wurde, die im Frequenzbereich um einen Betrag verschoben wurde, der durch ein Eingangssignal mit Referenzfrequenz festgelegt wird;
Aufnehmen der Ausgangssignale aus der ersten und zweiten Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung und Überlagern und Abwärtswandlung der Ausgangssignale, um ein Hochfrequenzsignal zu erzeugen.
Vorzugsweise kann das Referenzsystem bei dem oben beschriebenen Verfahren den Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Spektralli nien entsprechend einer Hochfrequenzreferenz verändern, das an einem Eingang in das Referenzsystem angeordnet ist.
Vorzugsweise kann die Frequenzauswahleinrichtung in dem oben beschriebenen Verfahren auch eine Frequenzverschiebungseinrichtung umfassen. Dies bietet größere Vielseitigkeit bei der Wahl der Ausgangsfrequenz.
Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um sinusförmige Signalverläufe zu erzeugen. Sie kann auch verwendet werden, um komplexere Signalverläufe zu erzeugen, die aus mehreren sinusförmigen Komponenten in dem Hochfrequenzausgangssignal bestehen. Modulierte Hochfrequenzsignalverläufe können ebenso auf einfache Weise erzeugt werden. Ein optischer Modulator kann dem optischen Pfad hinzugefügt werden, um Modulation mit optischen Frequenzen zu leisten, oder der Frequenzschieber selbst kann verwendet werden, um sein optisches Ausgangssignal zu modulieren. Vorzugsweise wird die Modulation im Frequenzschieber durchgeführt. Um ein komplexes moduliertes Signal zu erzeugen, kann mehr als ein optisches Signal moduliert werden, die später überlagert werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Nach dem oben beschriebenen Stand der Technik werden die Ausgangssignale aus zwei injektionsverrasteten Lasern, von denen jeder mit einer anderen Spektrallinie aus dem Referenzsystem verrastet ist, auf der Fotodiode überlagert, um die Ausgangsfrequenz im Hochfrequenzbereich zu erzeugen. Um die Frequenz in einer solchen Einrichtung einzustellen, müssen beide Laser mit einer anderen Spektrallinie aus dem Referenzsystem verrastet sein. Die minimale Frequenzstufe, f₁, im Ausgangssignal eines solchen Systems ist auf den Abstand der Spektrallinien im Referenzsystem begrenzt, was mit der be grenzten Fähigkeit der injektionsverrasteten Laser zusammenhängt, Spektrallinien mit geringem Abstand auszuwählen. In der Praxis liegt diese Grenze in der Größenordnung von 1 GHz.
Die vorliegende Erfindung verbessert dieses Verfahren. Wenn das Referenzsystem den Abstand seiner Spektrallinien modifizieren könnte, z. B., indem die Frequenz einer Taktreferenz f_c auf f_c + Δf_c geändert wird, dann wird es möglich, bestimmte beliebig feine Inkremente zu erhalten, indem sowohl die gewählte Spektrallinie, als auch die Frequenz Δf_c verändert werden. Der Nachteil ist, dass die feinen Inkremente nicht gleichförmig über die gesamte Bandbreite erreicht werden können – sie hängen von der gewählten Ausgangsfrequenz und der Anzahl n der Abstände von Spektrallinien zwischen den gewählten Spektrallinien ab.
Wenn in diesem System einer der injektionsverrasteten Laser durch eine Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung ersetzt würde, sodass sie als ihr Eingangssignal eine bestimmte Spektrallinie aufnehmen würde, und als ihr Ausgangssignal ein Signal erzeugen würde, das diese Spektrallinie umfasst, die in der Frequenz um eine variable Verschiebungsfrequenz f₁ verschoben ist, dann sind beliebig feine Frequenzinkremente über die volle Systembandbreite möglich. Das Ausgangssignal dieses Systems ist F = nf_c ± f₁. Wenn f₁ dann in Schritten Δf₁ imkrementiert wird, dann wird F in Schritten Δf₁ unabhängig von n und F inkrementiert.
Für zusätzliche Zweckmäßigkeit beim Betrieb kann der zweite injektionsverrastete Laser auch durch eine Frequenzverschiebungseinrichtung ersetzt werden, sodass sie als ihr Eingangssignal eine bestimmte Spektrallinie aufnimmt und als ihr Ausgangssignal ein Signal erzeugt, das diese Spektrallinie umfasst, die in der Frequenz um eine Verschiebungsfrequenz f₂ verschoben wird. Das Ausgangssignal eines solchen Systems ist F = nf_c ± f₁ ± f₂. Wenn f₂ in Schritten Δf₂ imkrementiert wird, dann wird F um Schritte Δf₂ unabhängig von n und F inkrementiert. Indem Δf₂ darüber hinaus zu einer Teileinheit von Δf₁ gemacht wird, ist Interpolation zwischen Frequenzinkrementen Δf₁ über den gesamten Bereich der Ausgangsfrequenz möglich.
Der Schaltkreis, um Referenzsignale f_c, f₁ und f₂ zu erzeugen, ist relativ einfach, und viele Methoden sind nach dem Stand der Technik gang und gäbe.
Ein System, das für die Verwendung als Frequenzverschiebungs- und -auswahleinrichtung besonders geeignet ist, ist der heterodyne optische Injektions-Phase-Locked-Loop (OIPLL).
Ein anderes System, das für die Verwendung als eine Frequenzverschiebungs- und -auswahleinrichtung geeignet ist, ist der optische Phase-Locked-Loop (OPLL).
Ein anderes System, das für die Verwendung als Frequenzverschiebungs- und -auswahleinrichtung geeignet ist, ist der gefilterte akustooptische oder elektrooptische Schieber.
Ein anderes System, das für die Verwendung als Frequenzverschiebungs- und -auswahleinrichtung geeignet ist, ist der optische Modulator. Dies kann ein Amplituden- oder Phasenmodulator sein, kann mit einem einzelnem oder beiden Seitenbändern arbeiten, und kann elektrooptische, akustooptische oder andere physikalische Prinzipien nutzen, um das Eingangssignal aus dem OFC zu beeinflussen. Für Modulatoren mit einzelnem Seitenband kann ein einstellbarer optischer Filter für die Auswahl der erforderlichen Spektrallinie aus dem OFC an dem Eingang des Modulators angeordnet werden. Für andere Modulatoren muss ein einstellbarer optischer Filter am Ausgang des Modulators angeordnet werden, um unerwünschte Ausgangssignale zu entfernen. Da diese von den erwünschten Ausgangssignalen um die Verschiebungsfrequenz entfernt sind, muss der Trennschärfe des Filters besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, um angemessene Unterdrückung der unerwünschten Ausgangssignale sicherzustellen. Vorteilhaft kann ein einstellbarer Filter bei allen Modulatortypen am Eingang angeordnet werden, um die Störunterdrückung zu verbessern. Der optische Modulator ist auch besonders geeignet, um das optische Signal mit irgendeinem gewünschten Modulationssignal zu modulieren. Dieses ist typischerweise ein Signal mit niedriger Frequenz oder im Basisband, das irgendeinen Informationsgehalt trägt, aber manche Anwendungen können erfordern, dass Signale mit hohen Frequenzen verwendet werden.
Details über diese Einrichtungen werden unten angegeben, und außerdem in den entsprechenden Referenzen.
Die Überlagerung der optischen Signale aus den Frequenzverschiebungseinrichtungen kann entweder auf dem Fotodetektor selbst oder auf einem separaten Überlagerer durchgeführt werden, und das überlagerte optische Signal durch irgend eine geeignete Einrichtung zu der Fotodiode übertragen werden. Es ist wichtig, dass die Polarisation der Signale aus der Verschiebungseinrichtung zuvor, oder wenn sie überlagert werden, in Übereinstimmung gebracht wird. Insbesondere sollten die E-Felder der Signale im wesentlichen ausgerichtet sein, wenn sie sich vektoriell addieren. Fehlausrichtung führt zu einer weniger effektiven Kopplung und die Größe des optischen Summensignals wird verringert, was zu Verschlechterung der Signal-Rausch-Leistung des Systems führt.
Zeichnungen
Einige Beispiele von speziellen Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nun, nur als Beispiel, mit Bezug auf die veranschaulichenden Zeichnungen im Anhang beschrieben, in denen:
1 in Form eines Blockdiagramms den grundlegenden Aufbau der Hauptkomponenten einer Form der Erfindung zeigt;
2 beispielhafte Spektren zeigt, die typischerweise an verschiedenen Knoten des Aufbaus vorhanden sind, der in 1 gezeigt ist.
3 zeigt detaillierter die Funktionsweise eines Typs der Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung, des heterodynen optischen Phase-Locked-Loops.
4 zeigt detaillierter die Funktionsweise eines anderen Typs der Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung, des optischen Injektions-Phase-Locked-Loops.
5 zeigt detaillierter die Funktionsweise eines anderen Typs der Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung, des gefilterten optischen Modulators.
6 zeigt das System, wenn es auch einen optischen Modulator in einem der Ausgänge aus dem Schieber enthält.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Mit Bezug auf 1 liefert ein optischer Kammgenerator OCG 1, der die Rolle des optischen Referenzoszillatorsystems übernimmt, und der einen Frequenzverrastungseingang 9 hat, ein Ausgangssig nal, das Spektrallinien umfasst, die in der Frequenz einen Abstand um die Signalfrequenz haben, die auf den Frequenzverrastungseingang 9 gegeben wird. Die Hochfrequenzreferenz 2 liefert ein Signal f_c in den Frequenzverrastungseingang 9 und liefert folglich Spektrallinien mit Abständen von f_c an dem Ausgang des OCG.
Die Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtungen 3 und 5 sind jede mit einer der Spektrallinien des OCG verrastet, wobei die Wahl der Linie von der gewünschten Ausgangsfrequenz abhängt. Beide Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtungen 3 und 5 haben ihrer eigenen jeweiligen Hochfrequenzreferenzen 4 und 6.
Während die Frequenzauswahleinrichtung und die Frequenzverschiebungseinrichtung separat betrieben werden können, um optische Frequenzen zu erzeugen, die mit dem OFC verrastet sind, wird die Hochfrequenzerzeugung erreicht, indem die Ausgangssignale von entweder zwei oder mehr Frequenzverschiebungs- und -auswahleinrichtungen, wie in 1 dargestellt, oder von einer Frequenzverschiebungs- und -auswahleinrichtung mit dem/den Ausgangssignal(en) von einer oder mehreren Frequenzauswahleinrichtungen überlagert werden.
Die folgende Beschreibung veranschaulicht die Funktionsweise der Hochfrequenzgeneratoren. In dieser Beschreibung dienen die erwähnten Frequenzen nur der Veranschaulichung; die Erfindung ist nicht auf diese Frequenzen begrenzt. Das Referenzeingangssignal des OFC ist auf 1 GHz eingestellt, die Hochfrequenzreferenz 4 der ersten Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung 3 ist auf eine Frequenz im Bereich zwischen 1 GHz und 2 GHz in Schritten von 1 MHz eingestellt, und die Hochfrequenzreferenz 6 der zweiten Frequenzverschiebungseinrichtung 5 ist auf eine Frequenz im Bereich zwischen 1 GHz und 1,001 GHz in Schritten von 1 kHz eingestellt. Die unteren Enden der Frequenzspannen, die für f₁ und f₂ gewählt werden, werden viel höher als theoretisch erforderlich eingestellt, sodass Probleme durch 1/f-Rauschen verringert werden, und große Schleifenbandbreiten können verwendet werden, um kurze Verrastungszeiten zu erreichen, wenn OPLL/OIPLL als Frequenzverschiebungs- und -auswahleinrichtungen verwendet werden.
Dieses System kann ein Hochfrequenzausgangssignal liefern, das einen Frequenzbereich von 1 kHz bis zur oberen Grenzfrequenz des Fotodetektors in Schritten von 1 kHz hat. Natürlich können durch Verringerung der Inkrementgröße von f₂ ein beliebig kleines Frequenzinkrement und eine beliebig kleine Minimafrequenz erreicht werden.
Die Hochfrequenzreferenzen 2, 4 und 6 bestehen aus Hochfrequenzgeneratoren, und die Referenzen 4 und 6 können in der Frequenz über die oben erwähnten begrenzten Bereiche variiert werden. Alle Frequenzreferenzen 2, 4 und 6 sind mit einer gemeinsamen Referenz verrastet, die in dem Diagramm nicht gezeigt ist.
Weitere Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtungen können zusammen mit ihren Referenzen 13 dem System hinzugefügt werden, um komplexere Signalverläufe zu erzeugen als die Sinusfunktionen, die man sich oben vorstellt.
2a zeigt in Diagrammform eine typische Kammlinie, die man am Ausgang des OCG sehen kann. Das gesamte Spektrum wird an die Eingänge der Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtungen 3 und 5 angelegt.
2b stellt dar, wie die Auswahl- und -verschiebungseinrichtung 3 eine bestimmte Komponente des Spektrums des OCG auswählt und sie um f₁ verschiebt.
2c stellt dar, wie die Auswahl- und -verschiebungseinrichtung 5 eine zweite Komponente aus dem Spektrum des OCG auswählt und sie um f₂ verschiebt. Die Kammlinie, die von der Einrichtung 5 ausgewählt wird, ist um 2 f₂ von der separiert, die durch die Einrichtung 3 ausgewählt wird.
2d zeigt, dass das optische Spektrum, das an den optischen Detektor als Ergebnis der Überlagerung der Ausgangssignale der Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtungen 3 und 5 angelegt wird, zwei optische Komponenten umfasst, die um 2 f_c – f₁ + f₂ separiert sind.
2e zeigt, dass das Hochfrequenzspektrum nach der Erfassung der Hüllkurve eine einzelne Komponente bei 2 f_c – f₁ + f₂ umfasst.
3 zeigt detaillierter die Funktionsweise eines Typs der Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung, des OPLLs.
Das Eingangssignal aus dem OFC-Generator 1 wird mit einem Anteil des Ausgangssignals aus einem einstellbaren Slave-Laser 14, SL, überlagert, sodass ihre elektrischen Felder überlappen, bevor sie auf einem Fotodetektor 16, PD, erfasst werden. Das Ausgangssignal aus dem PD 16 wird in einem Verstärker 17, A, verstärkt und in den Signaleingang eines Mischers 18, M, gespeist. Die Offsetfrequenz f_n wird an den Eingang für den lokalen Oszillator des Mischers 18 angelegt. Der Zwischenfrequenzausgangsanschluss des Mischers 18, der eine Frequenzantwort haben muss, die sich bis Frequenz gleich null er streckt, ist mit dem Eingang eines Schleifenfilters 19, LF, verbunden. LF 19 ist nach der wohlbekannten Phase-Locked-Loop-Theorie ausgelegt, sodass er ein Durchlassband hat, das wesentlich niedriger als die minimale erforderliche Offsetfrequenz f_n liegt. LF 19 kann Schaltkreise für die Aufnahme der Verrastung und die Erfassung enthalten. Das Ausgangssignal aus LF 19 ist mit der Einstellungssteuerung von SL 14 verbunden. SL 14 kann ein einstellbarer Laser mit externem Resonanzraum oder vorzugsweise ein monolithischer einstellbarer Laser sein. Das Ausgangssignal aus SL 14 bildet das Ausgangssignal aus dem Frequenzauswahl- und -verschiebungs-mechanismus. Die Steuerschleife, die PD 16, A 17, M 18, LF 19 und SL 14 umfasst, verrastet sich, wenn die heterodyne Frequenz am Ausgang von PD 16 exakt gleich der Offsetfrequenz f_n ist.
OPLLs sind für die Verwendung geeignet, wenn die Zeit, die das Signal braucht, um um die Steuerschleife zu laufen, relativ zum Reziprokwert der spektralen Linienbreite von SL 14 klein ist.
4 zeigt detaillierter die Funktionsweise eines anderen Typen der Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung, des heterodynen OIPLL.
Bei diesem Ansatz wird eine Frequenzverschiebungseinrichtung 20, T, die ein optischer Intensitäts- oder Phasenmodulator oder ein optischer Modulator eines einzelnen Seitenbandes sein kann, die elektrooptische, akustooptische oder andere physikalische Prinzipien nutzen, zu dem OPLL-Schaltkreis, der oben beschrieben wurde, hinzugefügt. Sie wird verwendet, um das Spektrum des OFC-Generators um den erforderlichen Offset zu verschieben. Das Ausgangssignal aus T 20 ist mit dem Slave-Laser 14 verbunden, um ihn mit der erforderlichen Offsetausgangsfrequenz per Injektion zu verrasten. Dieser An satz vermeidet die Einschränkungen durch die Verzögerung der Steuerschleife des OPLL und ist deshalb für die Anwendung gut geeignet, wobei SL ein monolithischer Halbleiterlaser ist. Der Pfad im Phase-Locked-Loop von PD durch A, M und LF nach SL kann mit schmaler Bandbreite ausgelegt werden, um den Störungen des SL aus der Umgebung zu folgen, und so viel breitere Verrastungsbereiche bereitzustellen, als man erhalten könnte, wenn nur Injektionsverrastung verwendet würde. Die Pfadlängen zwischen der Offsetquelle und T 20 und zwischen der Offsetquelle und M sind so eingestellt, dass sich Injektionsverrastungs- und Phasenverrastungsprozesse konstruktiv überlagern.
5 zeigt detaillierter die Funktionsweise eines anderen Typs von Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung, des gefilterten akustooptischen oder elektrooptischen Schiebers.
Bei diesem Ansatz wird eine Frequenzverschiebungseinrichtung, T, die ein optischer Intensitäts- oder Phasenmodulator oder ein optischer Seitenbandmodulator sein kann, die elektrooptische, akustooptische oder andere physikalische Prinzipien nutzen, verwendet, um das Kammspektrum um den erforderlichen Offset zu verschieben. Das Ausgangssignal aus T wird in einen einstellbaren optischen Filter, TF, gespeist, der durch einen Steuereingang eingestellt wird, um die erforderliche Offsetkammlinie auszuwählen. Wenn Verschiebungseinrichtungen verwendet werden, die nicht mit einem einzelnen Seitenband arbeiten, erfordert dieser Ansatz, dass die minimale Offsetfrequenz relativ zur Bandbreite des einstellbaren optischen Filters groß ist. Obwohl es in dem Diagramm nicht gezeigt ist, ist es vorteilhaft, einen einstellbaren optischen Filter vor der Frequenzverschiebungseinrichtung T zu integrieren, um die unerwünschten Spitzen zu verringern, die sich aus dem Mischungsprozess ergeben.
6 zeigt einen optischen Modulator 21 in dem optischen Pfad von einer der optischen Frequenzverschiebungs- und -auswahleinrichtungen, der dem System ermöglicht, modulierte Signale zu erzeugen. Typischerweise ist das modulierte Signal f_m ein Basisbandsignal, kann aber ein Signal mit Zwischenfrequenz (IF, Intermediate Frequency) sein, das selbst ein Trägersignal umfasst, das mit einem Basisbandsignal moduliert wurde. Modulatoren können in den optischen Pfaden von mehreren der Auswahl- und -verschiebungseinrichtungen angeordnet werden, um die Vielseitigkeit des Hochfrequenzsignals zu steigern, das schließlich erzeugt wird. Obwohl der Modulator in 6 in einer Position gezeigt ist, bevor die Signale überlagert werden, kann er auch nach dem Überlagerers angeordnet werden, aber er müsste dann jedoch das selbe Modulationssignal zu allen optischen Signale hinzufügen können.
Die Ausgangssignale der Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtungen 3 und 5 werden überlagert und auf den Fotodetektor gegeben. Der Fotodetektor sollte eine Bandbreite haben, die größer als die zu erzeugende Maximalfrequenz ist. Der Überlagerungsprozess sollte derart eingerichtet sein, dass die elektrischen Felder der zwei optischen Ausgangssignale überlappen, wie oben diskutiert wurde.
Kommunikationssysteme, die die vorliegende Erfindung enthalten, haben besondere Vorteile. Breitbandkommunikation ist möglich, und Frequenzveränderungen können schnell durchgeführt werden. Ebenso können Signale mit mehreren Ausgangssignalen erzeugt werden, von denen jedes ein unabhängiges Modulationssignal hat. Dies kann besonders für die Erzeugung von Signalen für viele mobile Empfänger geeignet sein. Das System hat auch Vorteile, wenn es in Radarsyste me integriert wird, wo es oft erforderlich ist, breitbandige modulierte Signalverläufe zu erzeugen.
Ein wichtiger Leistungsparameter für alle Frequenzgeneratoren, insbesondere, wenn sie in den obigen Anwendungen verwendet werden, ist das Niveau der Störausgangssignale. Herkömmliche Mehroktaven-Generatoren erzeugen häufig starke (> –40 dB in Bezug auf den erwünschten Ausgang) harmonische und subharmonische Störsignale. Bei der vorliegenden Erfindung wird das Niveau der Störsignale durch die Effektivität der Filterung der optischen Frequenzauswahl- oder optischen Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtungen festgelegt. Mit injektionsverrasteten SG-DBR-Lasern mit einem Kammlinienabstand von 17,5 GHz wurde eine Unterdrückung von nebeneinanderliegenden Kammlinien von > 30 dB gezeigt, was einer Unterdrückung von > 60 dB in dem detektierten Hochfrequenzausgangssignal entspricht. Detaillierte Modellierung⁸ hat gezeigt, dass bei einer injizierten Leistung von –40 dB relativ zu der Leistung des Ausgangssignals des injektionsverrasteten DFB-Lasers die Linien, die einen Abstand von 10 GHz haben, um > 36 dB unterdrückt werden, was einer Unterdrückung von > 72 dB in dem erfassten Hochfrequenzausgangssignal entspricht. Eine Reduzierung des Linienabstands auf 1 GHz verringert die Unterdrückung im optischen Ausgangssignal wegen der Effekte der Verstärkungsmodulation in dem DFB-Laser auf < 16 dB, was einer Unterdrückung von < 32 dB in dem erfassten Hochfrequenzausgangssignal entspricht. Aus diesem Grund und um die Anforderungen an die Steuerung der Temperatur und des Stroms des injektionsverrasteten Lasers zu entschärfen, werden Abstände der Kammlinien von > 2 GHz bevorzugt.
Referenzen:

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2 "High Frequency Source Having Heterodyned Laser Oscillators Injection-Locked to a Mode-Locked Laser". Erteiltes Patent, US 5,379.309
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5 "A multiwavelength source having precise channel spacing for WDM Systems", JJ Veselka and SK Korotky, IEEE Photonics Technology Letters, Vol 10, Nr.7 1998.
6 "Optical Frequency comb generator using phase modulation in amplified circulating loop". KP HO and JM Kahn, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 5. No. 6. p. 721–725, 1993
7 Exact optical frequency synthesis over > 1 THz using SG-DBR lasers", C. F. C. Silva, L N. Langley and A. J. Seeds, CLEO Europe 2000. Nice, September 2000, p.163.
8 "Microwave frequency synthesis using injection locked laser comb line selection", B. Cai, D. Wake and A. J. Seeds, IEEE/LEOS Summer Topical Meeting on RF Opto-electronics, Keystone, USA. August 1995, published in the 1995 Digest of the LEOS Summer Topical Meetings, pp. 13–14.

Claims

Frequenzgenerator mit einer ersten optischen Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung (3), die dazu verwendet wird, ein erstes optisches Ausgangssignal (8) bereitzustellen, und einem optischen Referenzoszillatorsystem (1); und einer Detektoreinrichtung mit einem optischen Eingang und einem Hochfrequenzausgang; dadurch gekennzeichnet, dass: das optische Referenzoszillatorsystem dazu eingerichtet ist, wenigstens ein optisches Referenzausgangssignal bei wenigstens einer ersten und einer zweiten Frequenz bereitzustellen, und die optische Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung mit einem Ausgangssignal des optischen Referenzoszillatorsystems frequenzverrastet ist, und ein zweites optisches Ausgangssignal von einer zweiten optischen Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung (5) bereitgestellt wird, das mit einem Ausgangssignal des optischen Referenzoszillatorsystems verrastet ist, und wobei das erste und das zweite optische Ausgangssignal dazu eingerichtet ist, in optischer Kommunikation mit der Detektoreinrichtungen zu stehen.
Frequenzgenerator nach Anspruch 1, bei dem eine hochfrequenter Referenzfrequenz, die in jede Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung eingegeben wird, verwendet wird, um eine Frequenzdifferenz zwischen dem Eingangssignal aus dem optischen Referenzoszillatorsystem und dem Ausgangssignal aus der Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung abzuleiten.
Frequenzgenerator nach Anspruch 2, bei dem die Referenzfrequenzen, mit denen jede Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung verrastet ist, verschieden sind.
Frequenzgenerator nach Anspruch 3, bei dem das optische Referenzoszillatorsystem und alle Hochfrequenzreferenzen mit einem gemeinsamen Referenzsignal der Frequenz verbunden sind.
Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem wenigstens eine Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung ein heterodyner Phase-Locked-Loop ist.
Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem wenigstens eine Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung ein heterodyner optischer Phase-Locked-Loop mit Injektionsverrastung ist.
Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem wenigstens eine Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung ein akustooptischer Frequenzschieber ist.
Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem wenigstens eine Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung ein elektrooptischer Frequenzschieber ist.
Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem wenigstens eine Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung ein optischer Phase-Locked-Loop mit Injektionsverrastung ist.
Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung mit einem Modulationssignal im Basisband gespeist wird.
Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das optische Ausgangssignal aus der Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung in einen optischen Modulator gespeist wird.
Frequenzgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das optische Referenzoszillatorsystem ein optischer Frequenzkammgenerator ist.
Frequenzgenerator nach Anspruch 12, bei dem der Frequenzabstand zwischen nebeneinanderliegenden Ausgangssignalen von der Frequenz eines Referenzsignals abhängt, das in den optischen Frequenzkammgenerator eingegeben wird.
des Frequenzgenerator nach Anspruch 13, bei dem der optische Frequenzkammgenerator ein optisch-parametrischer Oszillator-Frequenzteiler (Optical Parametric Oscillator Frequency Divider) ist.
Frequenzgenerator nach Anspruch 13, bei dem der optische Frequenzkammgenerator ein elektrooptischer optischer Frequenzkammgenerator mit externem Resonanzraum ist.
Frequenzgenerator nach Anspruch 13, bei dem der optische Frequenzkammgenerator eine Faserringstruktur einsetzt.
Frequenzgenerator nach Anspruch 13, bei dem der optische Frequenzkammgenerator einen modenverrasteten Laser einsetzt.
Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die Detektoreinrichtung einen Fotodetektor umfasst
Kommunikationssystem, das einen Frequenzgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche enthält.
Radarsystem, das einen Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 18 enthält.
Verfahren zur Erzeugung eines Signals, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Referenzsystems mit einem Ausgangssignal, das mehrere Spektrallinien innerhalb des Frequenzbandes aufweist, das von einem Laser verwendet wird; Anlegen dieses Ausgangssignals an eine erste Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung (3), die ein Ausgangssignal aufweist, das eine einzelne Spektrallinie umfasst, die aus denen an ihrem Eingang ausgewählt ist, die im Frequenzbereich um einen Betrag verschoben ist, der durch ein Eingangssignal mit Referenzfrequenz festgelegt wird; Anlegen dieses Ausgangssignals an eine zweite Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung (5), die ein Ausgangssignal aufweist, das eine einzelne Spektrallinie umfasst, die aus denen an ihrem Eingang ausgewählt ist, die im Frequenzbereich um einen Betrag verschoben ist, der durch ein Eingangssignal mit Referenzfrequenz festgelegt wird; Aufnehmen der Ausgangssignale aus der ersten und der zweiten Frequenzauswahl- und -verschiebungseinrichtung und Überlagern und Abwärtswandlung der zwei Ausgangssignale, um ein Hochfrequenzsignal (8) zu erzeugen.