DE69613709T2

DE69613709T2 - Frequenzsynthetisierer

Info

Publication number: DE69613709T2
Application number: DE69613709T
Authority: DE
Inventors: Yvonne Etem; Francis Lewis
Original assignee: DEFENCE EVALUATION AND RES AGE; UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1995-11-17
Filing date: 1996-11-13
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2016-11-14
Also published as: JP3891361B2; EP0861513B1; WO1997019504A1; JP2000500923A; GB2307332A; EP0861513A1; DE69613709D1; GB9523518D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Frequenzsynthesizer und ihre Stabilität. Fluktuationen der Phase eines Oszillators können auch als Frequenzfluktuationen angesehen werden, und in dieser Darstellung wird zwischen Frequenz- und Phasenfluktuation nicht unterschieden. Die Beziehung zwischen Phase und Frequenz ist beschrieben in "Frequency Analysis Modulation and Noise", Kapitel V, Modulation von Stanford Goldman, McGraw-Hill (1948).
Frequenzsynthesizer sind bekannte Vorrichtungen, die dazu ausgelegt sind, ein Ausgangssignal mit einer Frequenz zu liefern, die aus einem diskreten Wertesatz gewählt ist. Frequenzsynthesizer können einen Frequenzdiskriminator zur Beibehaltung der Stabilität der gewählten Frequenz des Ausgangssignals verwenden.
Ein Beispiel für einen einfachen Frequenzdiskriminator ist in "Electricity and Magnetism" von B.I. Bleaney und B. Bleaney, Seite 581, 3. Auflage, Oxford University Press, 1983 gezeigt. Diese Vorrichtung ist ein LC-Schaltungsdiskriminator, bei dem L und C Schaltungskomponenten mit einer Induktivität L und einer Kapazität C sind. Ein Oszillatorausgangssignal wird in den Diskriminator eingegeben, der ein Ausgangssignal erzeugt, das von der Eingangsfrequenz abhängig ist, so daß er zur Steuerung der Oszillatorausgangsfrequenz in einer Regelungsschleife verwendet werden kann. Solch ein Diskriminator ist zum Betrieb bei lediglich einer einzigen Frequenz geeignet. Für einen Mehrfrequenzsynthesizer ist er nicht geeignet.
Frequenzdiskriminatoren werden bekanntermaßen in Rückkopplungsschleifen verwendet. Rückkopplungsschleifen sind Systeme, in denen ein Ausgangssignal an den Eingang eines Systems zurückgeführt wird, um die Systemcharakteristik zu modifizieren. In solchen Rückkopplungssystemen tritt "Mitkopplung" auf, wenn das an den Eingang zurückgeführte Signal eine Erhöhung des Ausgangssignals bewirkt, wie dies bei Oszillatoren der Fall ist; und "Gegenkopplung" tritt auf, wenn es eine Verringerung des Ausgangssignal bewirkt. Gegenkopplungseffekte werden verwendet, um Schaltungen, wie beispielsweise Verstärkerschaltungen, zu stabilisieren.
Diskriminator-Rückkopplungsschleifen werden bekanntermaßen zur Stabilisierung der Ausgabe von Frequenzquellen verwendet, etwa bei spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCOs). Änderungen der Umgebungstemperatur können jedoch zu Abweichungen der Werte von Impedanzen und Kapazitäten der Komponenten der bekannten Frequenzdiskriminatoren führen. Dies kann dazu führen, daß sich die Ausgabe des Frequenzdiskriminators verändert, so daß sich auch die Ausgangsfrequenz der Quelle verändert.
Eine weitere Ausführungsform von VCOs umfaßt die Verwendung von zwei Hochfrequenzoszillatoren, von denen zumindest einer abstimmbar ist, um eine abstimmbare Ausgangsschwebungsfrequenz zu erzeugen. Der VCO kann zwei Laser aufweisen, deren Strahlung gemischt wird, um eine Mikrowellen-Schwebungsfrequenz zu erzeugen. Die Auswirkung von Temperaturveränderungen sind besonders bei Quellen, die auf Lasermischung beruhen auffällig. Die Strahlungsfrequenz eines Lasers bei 1,3 um ist etwa 3 · 10¹&sup4; Hz und eine Verschiebung von lediglich 1 ppm (part per million) kann zu Änderungen der Schwebungsfrequenz von 300 MHz führen. Änderungen dieser Größenordnung können ein merklicher Anteil der beabsichtigten Arbeitsmikrowellenfrequenz der Quelle sein und sind somit nicht wünschenswert bzw. sogar nicht hinnehmbar, wenn sie in einem System verwendet werden, das eine stabile Frequenzquelle braucht.
Ein stabilisierter elektronischer Oszillator mit Faseroptik wurde von R.T. Logan, Jr. und anderen in "Proceedings of the 45th Annual IEEE Frequency Control Symposium", Seiten 508-512, 1991, beschrieben. Das Logan-Gerät weist einen VCO auf mit einer Ausgabe, die zu einem Faseroptikdiskriminator geleitet wird, der über einen Schleifenfilter dem VCO eine Frequenzsteuerung verleiht. Der Faseroptikdiskriminator spaltet ein RF-Eingangssignal in zwei Signale auf, wobei ein Teil in ein moduliertes optisches Signal umgewandelt wird und unter Verwendung einer Faseroptikverzögerungsleitung verzögert wird und dann über einen Photodiodenempfänger in ein elektrisches Signal zurückgewandelt wird, und wobei der andere Teil durch einen Phasenschieber geleitet wird. Die zwei Teile werden dann in einem Phasendetektor verglichen, der eine Spannung in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen den zwei Teilen ausgibt. Die Phaseroptikverzögerungsleitung weist eine Laserdiode auf, die ein moduliertes optisches Signal erzeugt, das in eine Strecke einer Ein-Moden-Faser eingespeist wird. Die Qualität des Logan-Geräts ist durch das Faseroptikdiskriminatorrauschen begrenzt. Das Logan-Papier schlägt zur Verbesserung des Systems vor, diodengepumpte Feststofflaser und externe Intensitätsmodulatoren zu verwenden, um den Signal-Rausch-Abstand zu erhöhen. Das Logan-Gerät hat den Nachteil, daß zur Verwendung einer Faseroptikverzögerungsleitung zur Stabilisierung des Oszillators das RF-Oszillator-Signal von einem elektrischen Signal in ein optisches Signal und danach zurück in ein elektrisches Signal umgewandelt werden muß. In einem weiten Papier von Logan und anderen, veröffentlicht in "Proceedings of the 1992 IEEE Frequency Control Symposium", 27. bis 29. Mai 1992, Seiten 420-424, wird ein außerordentlich stabiler Mikrowellen und Millimeterwellenphotonenoszillator beschrieben. Das Gerät ähnelt dem oben beschriebenen, weist jedoch eine eigenmodengesperrte Laserdiode auf, die als Mikrowellen- oder Millimeterwellensignalquelle dient. Eine Abhandlung betreffend die Anpassung des Geräts zum Liefern eines Ausgangssignals über einen Frequenzbereich jenseits des Verhaltens des eigenmodengesperrten Lasers als Frequenzvervielfacher wird in diesem Papier nicht angesprochen.
Eine weitere Oszillatorvorrichtung von Logan ist im US-Patent 5 379 309 beschrieben. Die dort beschriebene Vorrichtung weist zwei injektionsgesperrte Laser auf, die mit einem optischen Signal von einem aktiv modengesperrten Laseroszillator gespeist werden. Beide injektionsgesperrte Laser empfangen ein getrenntes optisches Modensignal vom modengesperrten Laser. Die Ausgaben der zwei injektionsgesperrten Laser werden kombiniert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Frequenz gleich der Differenzfrequenz zwischen den zwei Moden ist, die von den injektionsgesperrten Lasern von den modengesperrten Lasern empfangen werden. Der Synthesizer kann eingestellt werden, indem einer der injektionsgesperrten Laser eingestellt wird, während der zweite auf einer festen Frequenz gehalten wird. Das Vorhandensein einer Einstellmöglichkeit für die Laser führt aber zu möglichem Stabilitätsverlust der Ausgabe des Synthesizers, beispielsweise aufgrund thermischer Drift des Lasers. Das Patent richtet sich auf eine Vorrichtung, die zur Verringerung von Phasenrauschen der zwei Laser, die bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, ausgelegt ist, und nicht so sehr auf die Frequenzinstabilität der Vorrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen anderen Frequenzsynthesizer anzugeben.
Erfindungsgemäß wird ein Frequenzsynthesizer zur Erzeugung eines Ausgangssignals angegeben, dadurch gekennzeichnet, daß der Synthesizer aufweist:
(i) zwei kohärente optische Quellen, von denen jede jeweils einen Strahlungsstrahl erzeugt und eine einstellbare Strahlungsausgangsfrequenz hat, wobei die Strahlungsstrahlen unterschiedliche Frequenzen haben;
(ii) einen Strahlkombinierer zum Kombinieren der zwei Strahlungsstrahlen zur Erzeugung zweier modulierter optischer Signale, wobei die optischen Signale eine Modulationsfrequenz haben;
(iii) eine Einrichtung zum Verzögern eines der modulierten optischen Signale bezüglich des anderen; und
(iv) eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der optischen Quellen nach Maßgabe einer erfaßten Modulationsphasendifferenz zwischen den relativ verzögerten modulierten optischen Signalen.
Die Verwendung einer Einrichtung zur Verzögerung eines optischen Signals ermöglicht die Herstellung von Frequenzsynthesizern, die im Aufbau kleiner sind als entsprechende Synthesizer mit herkömmlichen Verzögerungsleitungen wie etwa Koaxialkabeln.
Die Erfindung kann zur Steuerung der Ausgangsfrequenzen von HF bis Millimeterstrahlung verwendet werden, erzeugt durch das Mischen der Strahlung von zwei Lasern. HF-Strahlung liegt im Frequenzbereich zwischen 3 MHz und 30 MHz.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Frequenzsynthesizers weist er eine Faseroptikverzögerungsleitung auf, die die relative Verzögerung des einen optischen Signals bewirkt, wobei die Länge der Verzögerungsleitung den Frequenzabstand stabiler Frequenzen bestimmt. Die Kombination hoher Bandbreite gemischter Laserstrahlung mit hoher Phasenstabilität und großer Bandbreitenfähigkeit der optischen Faserverzögerungseinrichtung erlaubt es, die Frequenz der gemischten Strahlung in einem weiten Frequenzbereich abzustimmen und zu stabilisieren.
Die Steuerungseinrichtung des Synthesizers kann zwei Detektoren zum Empfangen der modulierten optischen Signale und zum Erzeugen jeweiliger Detektorausgangssignale aufweisen, einen Phasendetektor, der auf eine Phasendifferenz zwischen den Detektorausgangssignalen anspricht, um in Abhängigkeit davon eine Ausgabe zu erzeugen und eine Einrichtung, die auf die Phasendetektorausgabe anspricht, um die optischen Quellen zu steuern. Der Phasendetektor kann ein Gegenkopplungssignal an eine darauf ansprechende Einrichtung liefern.
Bekannte Frequenzsynthesizer mit Rückkopplung haben den Nachteil, daß sie hohe Genauigkeit nur bei hoher Verstärkung im Rückkopplungszweig erreichen. Dieses Erfordernis schwächt sich ab, wenn im erfindungsgemäßen Synthesizer Laser verwendet werden, da die Schwebungsfrequenz gegenüber bruchteilhaften Änderungen der Frequenz eines der Laser sehr empfindlich ist.
Eine verbesserte Stabilität ergibt sich, wenn die Faseroptikverzögerungsleitung gegen Längenänderungen wegen Temperaturänderungen stabilisiert ist. Wenngleich die Länge der Verzögerungsleitung in einer Ausführungsform die Frequenzen stabilen Betriebs bestimmt, kann gleichwohl die Fähigkeit zur Erzeugung kontinuierlicher Frequenzen in einem beschränkten Bereich vorliegen. Die Ausgangsfrequenz kann frequenzmodulierbar sein.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft bezugnehmend auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Frequenzsynthesizers der Erfindung, der zur Steuerung der Frequenz einer gemischten Laserquelle ausgelegt ist,
Fig. 2 einen Graphen der Veränderung einer Phasendetektorausgabe des Synthesizers der Fig. 1 über der Frequenz,
Fig. 3 einen zusammengesetzten Graph, der 12 einzelne Ausgangsspektren des Synthesizers der Fig. 1 zeigt.
Fig. 1 zeigt einen Frequenzsynthesizer nach der Erfindung, der dazu ausgelegt ist, eine gemischte Laserstrahlungsquelle zu steuern, die als RF/Mikrowellenfrequenzsynthesizer ausgelegt ist, wobei der Synthesizer allgemein mit 300 bezeichnet ist. Ein Laser-Offset- und -Verriegelungszubehör (LOLA) 302 ist mit zwei Lasern 304 und 306 verbunden. Die LOLA-Einheit 302 ist eine LNC-Einheit der Serie 2000 von Lightwave Electronics. Es ist die Leistungsversorgung der Laser 304 und 306 und dient in bestimmten Betriebsmoden auch zur Verriegelung bzw. Fixierung der Unterschiede der Frequenzen auf einen Referenzoszillator. Die Laser 304 und 306 sind Geräte von Lightwave Electronics, etwa diodengepumpte Nd: YAG-Modelle 123-1319-040-F-W und -B-W. Sie haben Spitzenleistungen von 40 mW und eine maximale Frequenztrennung von 100 GHz.
Strahlung aus den Lasern 304 und 306 wird einem 50/50-Richtungskoppler 308 zugeführt. Strahlung vom Laser 306 läuft durch eine Polarisationssteuerung 309 und erst danach zum Koppler 308. Der Koppler 308 hat einen zentralen Bereich 310 mit zwei gekoppelten optischen Fasern und zwei Ausgängen 312 und 314. Die Strahlung der zwei Laser 304 und 306 wird durch Dämpfungskopplung im zentralen Bereich 310 kombiniert.
Der kombinierte Strahlungsausgang vom Ausgang 312 wird einer optischen Faser 316 und von da aus einem Strahlungsdetektor 318 zugeführt. Der Detektor 318 ist eine gegengespannte PIN-Diode. Die vom Ausgang 314 ausgegebene kombinierte Strahlung läuft durch eine Verzögerungsleitung 322. Die Verzögerungsleitung 322 ist ein Stück optische Faser von 250 m, die eine Ausbreitungsverzögerung von etwa 1,2 us bewirkt. Die die Verzögerungsleitung 322 bildende optische Faser ist zur Erhöhung der Temperaturstabilität ummantelt. Ein zweiter Strahlungsdetektor 324 befindet sich am Ende der Verzögerungsleitung 322 entfernt vom Ausgang 314 des Kopplers 308. Der Detektor 324 ist eine gegengespannte PIN- Diode, die identisch zum Detektor 318 ist. Die Ausgabe des Synthesizers 300 kann von einem oder beiden der Detektoren 318 und 324 genommen werden. Zur Verdeutlichung der Zeichnung sind elektrische Verbindungen der Detektoren 318 und 324 nicht gezeigt.
Damit die gemischten Laserausgaben zu Ausgaben der Detektoren 318 und 324 an der Schwebungsfrequenz führen, ist es notwendig, daß der Koppler 308 Strahlung von den zwei Lasern 304 und 306 mit gleicher Polarisation erhält. Die Polarisationssteuerung 309 ist so vorgesehen, daß die Polarisation des Lichts vom Laser 306 zu der vom Laser 304 paßt. Die Intensität der Detektor-RF-Ausgaben wird überwacht, und die Polarisation der Strahlung vom Laser 306, die den Koppler 308 erreicht, wird mittels der Polarisationssteuerung 309 so eingestellt, daß die Intensität maximiert wird.
Die Signalausgaben der Detektoren 318 und 324 werden mit Eingangsanschlüssen 326 und 328 des Phasendetektors 330 verbunden. Der Phasendetektor 330 ist ein gleichspannungsgekoppelter ANZAC MD141-Mischer. Sein Ausgang 332 ist über zwei 10 dB-Dämpfer 334 und 336, einen Verstärker 338 und einen 5,1 kΩ- Widerstand 340 mit der LOLA-Einheit 302 verbunden. Der Widerstand 340 wirkt zusammen mit der kapazitiven Eingangsimpedanz der LOLA-Einheit 302 als Tiefpaßfilter.
Falls notwendig, können Verstärker mit geringem Rauschen im Synthesizer 300 vorgesehen sein, um die Signalausgänge der Detektoren 318 und 324 vor den Eingangsanschlüssen 326 und 328 zu verstärken.
Es wird nun der Betrieb des Synthesizers 300 beschrieben. Das Kombinieren der Laser im 50/50-Richtungskoppler 308 führt zu optischen Signalen mit einer RF-, Mikro- oder Millimeterwellenintensitätsmodulation an der Schwebungsfrequenz der Laser, die von den Ausgängen 312 und 314 zur optischen Faser 316 und der Verzögerungsleitung 322 gelangen. Das optische Signal in jeder der Fasern 316 bzw. der Verzögerungsleitung 322 wird in ein elektrisches Signal mittels der Detektoren 318 und 324 umgewandelt. Der Signalausgang des Detektors 324 wird in bezug auf den Signalausgang vom Detektor 318 um eine Zeit etwa gleich der Laufzeit des optischen Signals durch die Verzögerungsleitung 322 verzögert. Demzufolge verändern sich die Eingangssignale des Phasendetektors 330 hinsichtlich ihrer Phase, wenn sich die Modulationsfrequenz des Ausgangs vom Koppler 308 mit der Zeit ändert, was wiederum zu einer zeitveränderlichen Ausgabe vom Phasendetektor 330 führt. Die Modulationsfrequenz kann sich aufgrund einer Frequenzdrift über die Zeit in einem oder beiden der Laser 304 und 306 ändern.
Wenn die Modulationsfrequenz über die Zeit stabil ist, wird auch die Ausgabe des Phasendetektors über die Zeit konstant sein. Wenn insbesondere die Modulationsfrequenz über die Zeit konstant ist und die Frequenz so ist, daß die zwei Eingaben des Phasendetektors zueinander in Phasenquadratur sind, wird der Phasendetektor einen Ausgang von Null erzeugen. "Phasenquadratur" bedeutet, daß die Signale gleiche Frequenz und Wellenform haben, jedoch eine Phasendifferenz von n/2.
Fig. 2 zeigt einen Graphen der Veränderung, die im nicht rückgekoppelten Modus der Ausgabe des Phasendetektors 330 in einem Bereich der Schwebungsfrequenz von einigen MHz gemessen wurde. Die Ausgabe folgt einer näherungsweise sinusförmigen Kurve 400. Die Kurve 400 hat stabile Punkte 402, 404, 406, 408, 410 und 412 und unstabile Punkte 414, 416, 418, 420 und 422. Die Ausgabe vom Phasendetektor 330 wirkt als steuerndes Spannungseingangssignal für die LOLA-Einheit 302 über Dämpfer 334 und 336, Verstärker 338 und Widerstand 340. Der Frequenzsynthesizer 300 weist somit ein Rückkopplungssystem auf. Wenn die Frequenz der gemischten Strahlung über die Zeit konstant ist und einen geeigneten Wert zur Vernachlässigung der Ausgabe vom Phasendetektor 330 hat, wird das steuernde Eingangsspannungssignal für die LOLA-Einheit 302 sehr klein. Es folgt nun eine vereinfachte Beschreibung der Wirkung der Rückkopplungsschleife. Wenn beispielsweise die Modulationsfrequenz dem Punkt 402 entspricht, ist dann der Ausgang des Phasendetektors 330 Null, und die Ausgangsfrequenz des Synthesizers 300 bleibt bei dieser Frequenz. Wenn die Modulationsfrequenz zu höheren Frequenzen driftet, spricht der Phasendetektor in der Weise an, daß er eine negative Spannungsausgabe erzeugt. Demzufolge ist auch das steuernde Spannungseingangssignal für die LOLA-Einheit 302 negativ, was zu einer Verringerung des Frequenzabstands zwischen der Ausgabe des Lasers 304 und der des Lasers 306 führt, was zu einer Abnahme der Modulationsfrequenz zurück auf die Frequenz am Punkt 402 führt.
In ähnlicher Weise bewirkt eine Abnahme der MOdulationsfrequenz vom Punkt 402 aus, daß der Phasendetektor 330 eine positive Spannungsausgabe erzeugt.
Demzufolge ist das steuernde bzw. korrigierende Spannungseingangssignal für die LOLA-Einheit 302 positiv. Dies führt dazu, daß die Modulationsfrequenz zurück zur Frequenz am Punkt 402 erhöht wird. An der Frequenz am Punkt 402 wird somit jede Instabilität der Modulationsfrequenz, gleich ob es sich um eine Zunahme oder um eine Abnahme handelt, zu einer negativen Rückkopplung im Synthesizer 300 führen, was dazu führt, daß die Ausgangsfrequenz stabil an einer Frequenz nahe der des Punkts 402 liegt. Die obigen Erwägungen gelten auch, wenn der Synthesizerausgang auf die anderen stabilen Punkte 404 bis 412 gesetzt wird.
Die Punkte 414 bis 422 stellen dagegen unstabile Punkte dar. Wenn sich die Modulationsfrequenz an der Frequenz des Punkts 414 befindet, führt eine Zunahme der Modulationsfrequenz dazu, daß der Phasendetektor eine positive Spannung erzeugt, die die Modulationsfrequenz noch weiter erhöht, so daß ein stabiler Betrieb nicht möglich ist. Instabilität an jedem der Punkte 414 bis 422 führt zu einer positiven Rückkopplung im Synthesizer 300, was dazu führt, daß die Ausgangsfrequenz von einem unstabilen Punkt wie 414 weggeschoben wird.
Wenn die Schwebungsfrequenz der gemischten Strahlung von einer Frequenz entsprechend derjenigen einer der stabilen Punkte 402 bis 412 abweicht, erzeugt der Phasendetektor 330 ein Ausgangssignal so, daß er die Frequenz eines oder beider Laser 304 und 306 so ändert, daß der Schwebungsfrequenzfluktuation der gemischten Strahlung entgegengewirkt wird.
Der Synthesizer 300 weist gegenüber bekannten Frequenzstabilisierungssytemen signifikante Vorteile auf. In den bekannten Systemen sind die einzelnen Laser stabilisiert, während im Synthesizer 300 die Schwebungsfrequenz stabilisiert wird, die durch Mischen der Strahlungen von den Lasern 304 und 306 erzeugt wird. Deshalb muß nur ein Parameter, nämlich die Schwebungsfrequenz, stabilisiert werden, während in bekannten Sytemen zumindest zwei Parameter - die einzelnen Laserfrequenzen - gleichzeitig stabilisiert werden müssen.
Die Ausgangsfrequenzen der Laser 304 und 306 können durch elektrische Steuerungsanschlüsse an der LOLA-Einheit 302 eingestellt werden. Alternativ dazu kann die Temperatur eines der Laser 304 oder 306 geändert werden, indem Temperatursteuerungen der LOLA-Einheit 302 verwendet werden, um dessen Frequenz zu ändern. Die verursachten Temperaturänderungen liegen in der Größenordnung von 1 GHz pro Grad Celsius. Eine weitere Möglichkeit ist die kombinierte thermische und elektrische Steuerung unter Verwendung der LOLA- Einheit 302, wobei die thermische Steuerung für die grobe Frequenzeinstellung und die elektrische Steuerung für die Feineinstellung verwendet werden.
Die optischen Fasern 316 und 322 in Fig. 1 können temperaturstabile Fasern sein. Temperaturstabile Fasern sind beschrieben worden von R. Kashyap und anderen in "Electronic Letters", Band 19, Nr. 24, 1983, Seiten 1039-1040. Die Verwendung temperaturstabilisierter Fasern ermöglicht es, die Frequenz der Ausgabe der jeweiligen Quellen in hohem Ausmaß zu stabilisieren, da Änderungen der Umgebungstemperatur einen verringerten Effekt auf die optischen Verzögerungspfade des Synthesizers 300 haben. Alternativ hierzu können die Fasern in einer temperaturgeregelten Umgebung untergebracht sein, oder die optische Pfadlänge kann einen hilfsweisen temperaturabhängigen Pfad in Serie zur Faser aufweisen, um eine konstante Verzögerungsdauer zu erhalten.
Die Verwendung der optischen Faser 322 im optischen Verzögerungspfad des Synthesizers 300 ermöglicht einen merklich höheren wirksamen Qualitätsfaktor QF als in bekannten Diskriminatoren, insbesondere bei hohen Frequenzen. Für die Ausbreitung von 1,3 um-Strahlung haben Ein-Moden-Fasern einen Verlust von etwa 0,4 dB pro km. Strahlung bei dieser Wellenlänge benötigt etwa 5 us, um den Kilometer der optischen Faser zu durchlaufen, so daß demzufolge die Dämpfung etwa 0,1 dB pro Mikrosekunde ist. Für eine Faser, bei der ein Verlust von 3 dB hinnehmbar ist, bedeutet dies, daß eine Ausbreitungsverzögerung von 30 us erreicht werden kann.
Der effektive Qualitätsfaktor QF ist durch folgende näherungsweise Gleichung gegeben:
QF = πfτ,
wobei f die Frequenz der Strahlung und τ die Ausbreitungsverzögerung ist.
Für X-Band-Mikrowellenstrahlung bei einer typischen Frequenz von 10 GHz und einer relativen Verzögerung von 30 us ist QF etwa 106 oder eine Million. Dies ist deutlich höher als in bekannten Synthesizersystemen, wenngleich solche hohen Q-Werte in der Praxis nicht notwendigerweise eingesetzt werden, da für hohe Q- Werte das Ausgangsspektrum lediglich nahe an der Mittenfrequenz verbessert ist, die Ausbreitungsverzögerung t legt auch die Trennung der stabilen Frequenzen Δf fest, da Δf = 1/τ.
Fig. 3 zeigt einen Graphen des ausgegebenen RF-Spektrums bei verschiedenen Frequenzen. Fig. 3 ist ein zusammengesetzter Graph von 12 einzelnen Spektren, wobei jedes Spektrum eine einzelne Spitze hat, etwa Spitzen 500 und 502, die in der Frequenz um 0,8 MHz beabstandet sind. 0,8 MHz ist der Kehrwert von 1,2 us Verzögerungszeit, die durch die optische Faser 322 bewirkt wird. Der Synthesizer 300 kann zur Erzeugung von Ausgangsfrequenzen des Mehrfachen von etwa 0,8 MHz verwendet werden.
Der Synthesizer 300 kann mit einer Abstimmeinrichtung zum Auswählen einer bestimmten erzeugten Ausgangsfrequenz versehen sein. Dies kann beispielsweise mittels einer hilfsweisen groben Spannungssteuerung für den VCO erreicht werden, die Einrichtungen zur Einstellung der Temperatur eines oder beider einzelner Laser steuern kann. Die Wirkung der Rückkopplungsschleife ist es, die Frequenz auf einen der stabilen Punkte der Diskriminatorantwort der Fig. 2 festzulegen.
Der Synthesizer 300 ermöglicht einen diskreten Satz von Ausgangsfrequenzen, die man erhält, indem die LOLA-Einheit 302 auf einen näherungsweisen Wert gesteuert wird und die Rückkopplungschleife zur Festlegung der Frequenz genau auf einen der stabilen Werte in Fig. 2 und 3 verwendet wird. Solch eine diskrete Frequenzauswahl ist für viele Synthesizeranwendungen wertvoll, beispielsweise als örtlicher Oszillator in einem FM-Radioempfänger, wo ein Kanalabstand von beispielsweise 50 kHz benötigt wird. In anderen Anwendungen ist es wünschenswert, eine größere Steuerungsmöglichkeit für die Ausgangsfrequenz zu haben. Kleinere Frequenzabstände, eine kontinuierliche Abstimmfähigkeit oder die Fähigkeit ein FM-Signal zu erzeugen, können gewünscht sein. Solche Fähigkeiten erreicht man durch geringfügige Modifikationen des Synthesizers 300 in Fig. 1.
Die unstabilen Frequenzen 414, 416, 418, 420 und 422 in Fig. 2 werden in einfacher Weise verfügbar, indem das Vorzeichen der Ausgabe des Verstärkers 338 umgekehrt wird. Wenn der Verstärker 338 ein Differenzverstärker mit zwei Eingängen ist, von denen einer geerdet ist, kann das Vorzeichen der Ausgabe invertiert werden, indem die Eingangsbelegungen vertauscht werden.
Eine kontinuierliche Frequenzfähigkeit über einen begrenzten Bereich erhält man, indem vor dem Verstärker 338 ein Differenzverstärker vorgesehen wird. Der Differenzverstärker kann die Verstärkung 1 haben und wäre somit vernachlässigbar für die Wirkungsweise des Synthesizers, wenn sein zweiter Eingang geerdet wäre. Wenn jedoch der zweite Eingang mit einer variablen Spannung V2 verbunden wird, hat die Rückkopplungsschleife die Wirkung, die Spannung des Phasendetektors auf V&sub2; zu zwingen. In Fig. 2 sieht man, daß dies zu einer kontinuierlichen Durchstimmbarkeit über etwa den halben Frequenzbereich führt. Indem zusätzlich eine Invertierungsmöglichkeit für den Differenzverstärkerausgang vorgesehen wird, ist im wesentlichen die kontinuierliche Frequenzabdeckung möglich. Das Zuführen einer Wechselspannung als Eingangsspannung V&sub2; würde zu Frequenzmodulationsfähigkeiten führen. Diese FM-Fähigkeit wäre jedoch auf niedere Frequenzen begrenzt, da hohe Frequenzen durch die Tiefpaßfilterwirkung des Widerstands 340 und der kapazitiven Eingangsimpedanz der LOLA-Einheit 302 unterdrückt wären.
Auf andere Weise erhält man die Fähigkeit der kontinuierlichen Abstimmbarkeit, indem ein RF-Phasenschieber vor einem oder beiden der Eingangsanschlüsse 326 und 328 des Phasendetektors 330 eingefügt wird. Verändern der relativen Phasen der zwei Eingänge zum Phasenschieber 330 hat den Effekt des Verschiebens der Kurve 400 parallel zur x-Achse.
Hochfrequenz-FM-Fähigkeit erhält man, indem ein Differenzverstärker mit Verstärkung 1 unmittelbar vor dem Eingang der LOLA-Einheit 302 eingefügt wird, also nach allen Tiefpaßfiltern. Üblicherweise ist es die Wirkungsweise der Rückkopplungsschleife, Frequenzmodulationen oder Instabilitäten der Ausgangsfrequenz zu korrigieren. Bei dieser Hochfrequenz-FM-Anordnung ist das Korrektursignal, das den Wirkungen der Frequenzmodulation entgegenwirkt, durch den Tiefpaßfilter unterdrückt.
Der Graph der Fig. 2 zeigt eine im wesentlichen sinusförmige Ausgabe. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Wellenform der Frequenzdiskriminatorantwort auf Frequenzänderungen erfindungsgemäß von untergeordneter Bedeutung ist. Die wichtigsten Parameter der Diskriminatorantwort sind die Frequenzen, bei denen Nullpunkte wie 402 bis 422 auftreten, da diese die stabilen und unstabilen Punkte für den Betrieb des Diskriminators und die Steilheit bei den stabilen Frequenzen definieren. In einer anderen Ausführungsform kann die Verzögerungsleitung 322 durch ein geeignet konfiguriertes Fabry-Perot-Etalon ersetzt werden, um die notwendige optische Verzögerung zu liefern.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen weisen Nd:YAG-Laser auf. Andere Ausführungsformen der Erfindung können jedoch Feststofflaser aufweisen, die auf einer einzigen integrierten Schaltung integriert sein können, so daß die Herstellungskosten verringert werden.

Claims

1. Frequenzsynthesizer (300) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wobei der Synthesizer (300) aufweist:

(i) zwei kohärente optische Quellen (304, 306), von denen jede jeweils einen Strahlungsstrahl erzeugt und eine einstellbare Strahlungsausgangsfrequenz hat, wobei die Strahlungsstrahlen unterschiedliche Frequenzen haben;

(ii) einen Strahlkombinierer (310) zum Kombinieren der zwei Strahlungsstrahlen zur Erzeugung zweier modulierter optischer Signale, wobei die optischen Signale eine Modulationsfrequenz haben;

(iii) eine Einrichtung (322) zum Verzögern eines der modulierten optischen Signale bezüglich des anderen; und

(iv) eine Steuerungseinrichtung (302) zum Steuern der optischen Quellen (304, 306) nach Maßgabe einer erfaßten Modulationsphasendifferenz zwischen den relativ verzögerten modulierten optischen Signalen.

2. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung für ein optisches Signal bezüglich des anderen eine Strecke einer optischen Faser (322) ist.

3. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlkombinierer ein optischer Faserkoppler (310) ist.

4. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung aufweist:

(i) zwei Detektoren (318, 324), von denen jeder jeweils ein Detektorausgangssignal nach Maßgabe eines empfangenen modulierten optischen Signals erzeugt;

(ii) einen Phasendetektor (330), der auf die Phasendifferenz zwischen den Detektorausgangssignalen anspricht, um in Abhängigkeit davon eine Ausgabe zu erzeugen, und

(iii) eine Einrichtung (302), die auf die Ausgabe des Phasendetektors anspricht zum Einstellen der optischen Quellen (304, 306).

5. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (330) an die auf den Phasendetektor ansprechende Einrichtung (302) ein gegenkoppelndes Signal liefert.

6. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faserstrecke (322) gegen temperaturbedingte Längenänderungen stabilisiert ist.

7. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzsynthesizer dazu ausgelegt ist, ein Ausgangssignal zu liefern, das eine Frequenz hat, die gleich der Modulationsfrequenz und niedriger als 100 GHz ist.

8. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kohärenten optischen Quellen (304, 306) Laser sind.

9. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser Nd:YAG-Laser sind.

10. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Synthesizer eine Einrichtung aufweist, mit der er kontinuierlich durchstimmbar ist.

11. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal frequenzmodulierbar ist.