DE69629386T2

DE69629386T2 - Indirekter submillimeterheterodynempfänger und verfahren

Info

Publication number: DE69629386T2
Application number: DE69629386T
Authority: DE
Inventors: Charles Su-Chang Tsai
Original assignee: Tsai Charles su-Chang Hacienda Heights
Current assignee: Tsai Charles su-Chang Hacienda Heights
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1996-11-18
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: EP0862818A1; JP2000501195A; CA2237661A1; EP0862818B1; WO1997019527A1; EP0862818A4; DE69629386D1; US5796506A

Description

Hintergrund
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen für den Weltraum geeigneten Koherenzempfänger für Submillimeterstrahlung und für elektromagnetische Strahlung im fernen Infrarot-Bereich sowie Verfahren zur Verwendung von einem solchen Empfänger. Die Erfindung betrifft außerdem das Mischerelement, das mit einem solchen Empfänger verwendet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Bei der Radio-Astronomie werden Weltraum-Teleskope sowie Boden-Teleskope mit Heterodyn-Empfängern, die in dem Frequenzbereich von 100 GHz bis 10 THz arbeiten, verwendet, um das Universum zu untersuchen und zu. beobachten. 1 zeigt die Basis-Konfiguration von dem herkömmlichen Heterodyn-Empfänger in Radioteleskopen, siehe "Submillimeter Receivers for Radio Astronomy" von R. Blundell und C. E. Tong, Proceedings of the IEEE, Band. 80, Nr. 11, November 1992, Seiten 1702–1720. Der Empfänger ist in mehrere Untersysteme unterteilt, und zwar Eingangsoptiken 10, lokaler Oszillator (LO) 20, Diplexer 30, Mischerelement 40 und Elektronik 50.
Die Eingangsoptiken 10, beispielsweise ein Teleskop, enthalten mehrere Reflektoren, um ein extrem schwaches Eingangssignal mit einer Frequenz F_S zu einem Strahl zu fokussieren, der auf einen Diplexer 30 gerichtet wird. Der lokale Oszillator 20 erzeugt einen intensiven Strahl mit der Frequenz F_LO, der ebenfalls auf den Diplexer 30 gerichtet wird. Der Diplexer 30, beispielsweise ein Martin-Puplett-Interferometer, kombiniert diese beiden Strahlen mit den Frequenzen F_S und F_LO zu einem Strahl, der auf das Mischerelement 40 gerichtet wird. Die beiden Signale mit Frequenzen F_S und F_LO werden dem Mischerelement 40 als oszillierende elektrische Ströme über eine Antenne zugeführt, die üblicherweise mit dem Mischerelement 40 integriert oder direkt damit verbunden ist. Durch Mischen in einem nichtlinearen Element, das elektrisch auf die Frequenzen F_S und F_LO anspricht, erzeugt das Mischerelement 40 ein Ausgangssignal mit einer niedrigeren Frequenz F_IF, die gleich der Differenz zwischen F_S und n × F_LO ist, wobei für die meisten Fälle n = 1 ist, mit Ausnahme von harmonischen Mischern, bei denen n > 1 ist. Die Ausgabe des Mischerelements 40 wird der Elektronik 50 für eine weitere Signalverarbeitung zugeführt, wie zum Beispiel Verstärkung, Filtern und/oder spektrale Analyse.
Für breitbandige verzögerungsfreie Submillimeter-Empfänger, die momentan verwendet werden, ist das Mischerelement 40 normalerweise eine der folgenden Vorrichtungen: (1) Halbleiter-Schottky-Übergang-Dioden (SBD), siehe "GaAs Schottky Diodes for THz Mixing Applications" von T. W. Crowe, R. F. Mattauch, H. P. Röser et al., Proceedings of the IEEE, Band 80, Nr. 11, November 1992, Seiten 1827–1841; (2) mit flüssigem Helium gekühlte Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Übergänge (SIS), siehe "Submillimeter-Wave Detection with Superconducting. Tunnel Diodes" von M. J. Wengler, Proceedings of the IEEE, Band 80, Nr. 11, November 1992, Seiten 1810–1826. SIS-Vorrichtungen können als Mischerelement 40 für Frequenzen F_S bis zu 1 THz verwendet werden und benötigen bis zu 10 μW an LO-Pumpleistung pro Vorrichtung. SBD-Vorrichtungen werden als Mischerelement 40 ausschließlich für Frequenzen F_S über 1 THz verwendet, wobei sie bis zu 1 mW LO-Pumpleistung pro Vorrichtung benötigen. Der Eingangsstrahl mit Frequenzen F_S und F_LO kann über Wellenleiter mit den SIS- oder SBD-Vorrichtungen für Frequenzen F_S < 1 THz gekoppelt werden, wobei quasi-optische Kopplungstechniken ausschließlich für Frequenzen F_S > 1 THz verwendet werden, siehe "Quasi-Optical Techniques" von P. F. Goldsmith, Proceedings of the IEEE, Band 80, Nr. 11, November 1992, Seiten 1729–1747.
Der lokale Oszillator 20 ist aus den folgenden Submillimeter-Wellen-Quellen ausgewählt: (1) optisch-gepumpter Fern-Infrarot-Laser (OPFIRL), siehe "Optically Pumped Submillimeter Laser Heterodyne Receivers: Astrophysical Observations and Recent Technical Developments" von G. Chin, Proceedings of the IEEE, Band 80, Nr. 11, November 1992, Seiten 1788–1799; (2) optisches Fotomischen bei Niedrigtemperaturwachstum (LTG) GaAs-Fotoleitern, siehe "Photomixing up to 3.8 THz in low-temperature-grown GaAs" von E. R. Brown, K. A. Macintosh, K. B. Nichols und C. L. Dennis, Applied Physics Letters, Band 66, Nr. 3, 16. Januar 1995, Seiten 285–287; (3) Frequenz-Multiplizierer unter Verwendung von einem Halbleiter-Varaktor, der durch Hochleistungs-Mikrowellen-GUNN-Oszillatoren gepumpt wird, siehe "Frequency Multipliers for Millimeter and Submillimeter Wavelengths" von A. V. Räisänen, Proceedings of the IEEE, Band 80, Nr. 11, November 1992, Seiten 1842–1852; (4) Resonanz-Tunneldioden-Oszillatoren, siehe "Resonant Tunneling Diode Oscillator as an Alternative LO for SIS Receiver Applications" von R. Blundell, D. C. Papa, E. R. Brown und C. D. Parker, Electronics Letters, Band 29, Nr. 3, 4. Februar 1993, Seiten 288–290. Daher hat lediglich das OPFIRL und das optische Fotomischen eine verwendbare Ausgangsleistung bei Frequenzen von F_LO > 1 THz gezeigt.
OPFIRL ist die einzige Quelle, die eine Ausgangsleistung > 1 mW bei Frequenzen F_LO > 1 THz erzeugt.
Der herkömmliche Submillimeter-Heterodyn-Empfänger, der beschrieben wurde, hat, obwohl er für Boden-Teleskope geeignet ist, die Nachteile einer geringen Zuverlässigkeit, Frequenz-Wartung, einer geringer Leistungseffizienz, eines hohen Stromverbrauchs, eines hohen Gewichts und einer großen Größe. Damit ein Empfänger für die Raumfahrt geeignet ist, muss er zuverlässig, kompakt, robust, leicht und leistungseffizient sein. Nach dem Überleben der enormen Kraft und Belastung beim anfänglichen Starten muss der Empfänger stabil und genau bleiben, sowie eine schmale Linienbreite und eine Einzelfrequenz-Leistungsfähigkeit über eine lange Zeitdauer haben, ohne gewartet oder manuell neu kalibriert werden zu müssen, und dies alles in der extrem rauen Umgebung des Weltraums. Keiner der derzeitigen Empfänger erfüllt diese Anforderungen, speziell für Frequenzen von F_S > 1 THz:

(a) Das Kombinieren von LO und Eingang erfordert effizient konstruierte Diplexer, wofür zusätzlicher Platz benötigt wird.
(b) Der Diplexer muss für jede spezifische Frequenz F_LO eingestellt werden, um Kopplungsverluste zu minimieren.
(c) Die Zuverlässigkeit von OPFIRL im Weltraum ist problematisch; eine Festkörper-Technologie ist bevorzugt.
(d) OPFIRL ist nicht kontinuierlich einstellbar, da es nur bei molekularen Übergängen von einem Gas arbeitet.
(e) OPFIRL-Leistungswandlung ist extrem ineffizient, was zu einem hohen Leistungsverbrauch führt.
(f) OPFIRL ist bei weitem das schwerste und das größte Untersystem in einem THz-Heterodyn-Empfänger.
(g) OPFIRL erfordert eine Frequenz-Wartung und eine Einstellung, um die Leistungsausgabe zu maximieren.
(h) Komplexe und zerbrechliche Gas-Laser-Röhren und Optiken in OPFIRL sind nicht für Weltraumstarts geeignet.
(i) SIS-Mischer benötigen eine Kühlung auf Flüssighelium-Temperaturen während sie sich im Weltraum befinden.
(j) Kein LO erzeugt eine mW-Pegel-Ausgabe bei Frequenzen über 1 THz, mit Ausnahme von OPFIRL.

Aufgaben und Vorteile
Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, die obigen Nachteile des herkömmlichen Submillimeter-Heterodyn-Empfängers zu überwinden. Einige Aufgabe und Vorteile der Erfindung sind:

(a) Der Diplexer zum Kombinieren von LO- und Eingangssignalen wird nicht benötigt.
(b) Der Empfänger kann so hergestellt werden, dass er vollständig auf einer zuverlässigen Festkörper-Technologie basiert.
(c) Die Empfängerfrequenz ist einstellbar, und zwar entweder kontinuierlich oder in kleinen diskreten Schritten.
(d) Der Leistungsverbrauch wird minimiert.
(e) Der Empfänger kann extrem kompakt und leicht gemacht werden.
(f) Der optimale Empfängerbetrieb ist einfach und direkt, wobei keine Wartung erforderlich ist.
(g) Flüssighelium-Temperaturen sind für den Betrieb des Empfängers nicht erforderlich.

Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, vielseitig anwendbare Kohärenzempfänger zur Verfügung zu stellen, die für Submillimeter-Spektroskopie und für Spektroskopie im fernen Infrarot-Bereich geeignet sind. Neben Weltraum-Radioteleskopen stellt die Erfindung auch Kohärenzempfänger zur Verfügung, die für viele kostensensitive Anwendungen mit wenig anspruchsvollen Anforderungen sehr preiswert hergestellt werden können. Die Erfindung macht es möglich, dass THz-Spektrometer in Laboren so populär werden wie Radiospektrum-Analysierer.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus einer Betrachtung der Zeichnungen und der beiliegenden Beschreibung verdeutlicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kohärenzempfänger für elektromagnetische Strahlung vorgesehen, mit:
einer optischen Eingangseinrichtung (10) zum Sammeln eines Eingangssignals elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz F_S von kleiner als etwa 10¹³ Hz,
einer lokalen Oszillatoreinrichtung,
einer Mischerelementeinrichtung, und
einer elektronischen Einrichtung (50), die mit der Mischerelementeinrichtung verbunden ist, um ein Ausgangssignal zu verarbeiten,
dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Oszillatoreinrichtung eine optische lokale Oszillatoreinrichtung (100) ist, um ein optisches Signal mit einer Frequenz F_O von größer als etwa 3 × 10¹³ Hz zu erzeugen, dass das optische Signal mit einer Frequenz F_LO von kleiner als etwa 10¹³ Hz amplitudenmoduliert ist, und dass die Mischerelementeinrichtung (60) gleichzeitig auf die Frequenzen F_S, F_O und F_LO anspricht, wobei das Eingangssignal und das optische Signal auf verschiedenen Wegen der Mischerelementeinrichtung zugeführt werden, um das Ausgangssignal mit einer Frequenz F_IF zu erzeugen, die im wesentlichen gleich der Differenz zwischen den Frequenzen F_S und F_LO ist, und wobei das optische Signal ohne Zwischenkonvertierung der Mischerelementeinrichtung zugeführt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz F_S kleiner als etwa 10¹³ Hz vorgesehen, mit.
Vorsehen einer optischen Eingangseinrichtung (10), um ein Eingangssignal mit der Frequenz F_S zu sammeln,
Vorsehen einer lokalen Oszillatoreinrichtung,
Vorsehen einer Mischerelementeinrichtung, und
Vorsehen einer elektronischen Einrichtung (50), die mit der Mischerelementeinrichtung verbunden ist, um ein Ausgangssignal zu verarbeiten,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerdem die Schritte umfasst:
Verwenden der lokalen Oszillatoreinrichtung (100), um ein optisches Signal mit einer Frequenz F_O von größer als etwa 3 × 10¹³ Hz zu erzeugen, wobei das optische Signal mit einer Frequenz F_LO von kleiner als etwa 10¹³ Hz amplitudenmoduliert ist,
Bewirken, dass die Mischerelementeinrichtung (60) gleichzeitig auf die Frequenzen F_S, F_O und F_LO anspricht,
Zuführen, auf verschiedenen Wegen, des Eingangssignals und des optischen Signals in die Mischerelementeinrichtung, um das Ausgangssignal mit einer Frequenz F_IF zu erzeugen, die im wesentlichen gleich der Differenz zwischen den Frequenzen F_S und F_LO ist,
Zuführen des optischen Signals ohne Zwischenkonvertierung in die Mischerelementeinrichtung, und
Verarbeiten des Ausgangssignals mit der Frequenz F_IF unter Verwendung der elektronischen Einrichtung.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm gemäß Stand der Technik von einem herkömmlichen Submillimeter-Heterodyn-Empfänger,
2 ist ein schematisches Diagramm von einem indirekten Heterodyn-Empfänger gemäß der Erfindung,
3a, 3b und 3c sind schematische Diagramme von drei optischen LO-Quellen gemäß der Erfindung,
4a ist eine Querschnittsansicht von einem Basis-Mischerelement gemäß der Erfindung,
4b ist eine perspektivische Ansicht von einer Winkel-Kubus-Antenne, die für das Mischerelement gemäß der Erfindung geeignet ist,
4c ist eine perspektivische Ansicht von einer planaren logarithmischen Spiral-Antenne, die für das Mischerelement gemäß der Erfindung geeignet ist,
5 ist ein schematisches Diagramm von einem stabilisierten optischen LO gemäß der Erfindung,
6a, 6b, 6c, 6d und 6e sind schematische Diagramme von verbesserten Mischern gemäß der Erfindung,
7a ist ein Spektrum von einer optischen LO-Ausgabe und mehreren Referenz-Hohlraum-Betriebsarten,
7b ist ein Spektrum von einer optischen LO-Ausgabe und einer verbesserten Hohlraum-Betriebsart,
7c ist ein optisches Intensitätsprofil relativ zur Distanz innerhalb eines verbesserten Mischers,
7d ist ein optisches Intensitätsprofil relativ zur Distanz innerhalb eines anderen verbesserten Mischers,
8a und 8b sind Querschnittsansichten von zwei Ausführungsbeispielen von einem verbesserten Mischer gemäß der Erfindung,
9 ist ein schematisches Diagramm von einem indirekten Heterodyn-Empfänger, der einen stabilisierten optischen LO und einen verbesserten Mischer gemäß der Erfindung verwendet, und
10a und 10b sind schematische Diagramme von zwei Multi-Empfänger-Anordnungen gemäß der Erfindung.
Beschreibung und Funktionsweise der Erfindung
1. Basis-Empfänger-Konfiguration
2 zeigt die Basis-Konfiguration von einem indirekten Submillimeter-Heterodyn-Empfänger gemäß der Erfindung. Der Empfänger ist in mehrere Untersysteme unterteilt, und zwar Eingangsoptiken 10, optischer lokaler Oszillator (LO) 100, Mischerelement 60 und Elektronik 50.
Eine Submillimeter-Welle ist allgemein definiert als der Frequenzbereich von 100 GHz bis 10 THz. Eine optische Welle ist allgemein definiert als die Wellenlänge von 10 μm bis 0,1 μm.
Die Eingangsoptiken 10, beispielsweise ein Teleskop, beinhalten mehrere Reflektoren, um ein extrem schwaches Eingangssignal, beispielsweise 50 pW, mit einer Frequenz F_S zu einem Strahl zu fokussieren, der auf ein Mischerelement 60 gerichtet wird. Das Signal mit der Frequenz F_S wird dem Mischerelement 60 als ein oszillierender elektrischer Strom über eine Antenne zugeführt, die normalerweise mit dem Mischerelement 60 integriert oder direkt damit verbunden ist. Der optische LO 100 erzeugt einen intensiven optischen Strahl, beispielsweise 1 mW, der um die Frequenz F_O herum zentriert ist, mit einer Frequenz F_LO stark amplitudenmoduliert ist, beispielsweise mit 100% Modulation, und optisch in das Mischerelement 60 gekoppelt wird, wobei F_O >> F_S und F_O >> F_LO, oder F_O > 10 F_S und F_O > 10 F_LO. Durch Mischen in einem nicht-linearen Mischerelement, das gleichzeitig auf Frequenzen F_S, F_O und F_LO anspricht, erzeugt das Mischerelement 60 ein Ausgangssignal mit einer niedrigeren Frequenz F_IF, die gleich der Differenz zwischen F_S und F_LO ist. Die Ausgabe von dem Mischerelement 60 wird elektrisch mit der Elektronik 50 für eine weitere Signalverarbeitung gekoppelt, wie zum Beispiel Verstärken, Filtern und/oder spektrale Analyse.
Der Diplexer, der bei dem herkömmlichen Heterodyn-Empfänger benötigt wird, kann weggelassen werden, da das Eingangssignal mit der Frequenz F_S und das LO-Signal mit der Frequenz F_O dem Mischerelement 60 über völlig verschiedenen Wege zugeführt werden. Da der optische LO 100 in dem indirekten Heterodyn-Empfänger anstelle von einem herkömmlichen LO verwendet wird, werden die LO-Leistungskopplungsverluste, unter denen der herkömmliche Heterodyn-Empfänger gelitten hat, vermieden, einschließlich der Leistungsverluste aus dem Durchleiten durch den Diplexer, der ineffizienten Wandlung von elektromagnetischen Wellen in elektrischen Strom durch die Antenne und der Widerstands- und Reflektions-Verluste aus dem Reihenwiderstand und der Impedanz-Fehlanpassung zwischen der Antenne und dem Mischerelement. In dem indirekten Heterodyn-Empfänger, wie er beschrieben wurde, wird die Leistungsausgabe von dem optischen LO 100 direkt dem Mischabschnitt des Mischerelements 60 ohne jegliche Zwischenwandlung zugeführt, die zu Leistungsverlusten führt.
2. Optische Basis-LO-Quellen
3a zeigt einen optischen LO für den indirekten Heterodyn-Empfänger. Die optische Ausgabe mit der Frequenz F_O von dem Einzelfrequenz-Laser 102 oder irgendeiner anderen nahezu monochromatischen Lichtquelle wird durch den elektrooptischen Modulator 120 amplitudenmoduliert, der elektrisch mit der Frequenz F_LO durch einen elektrischen Oszillator 120 betrieben wird, um ein Ausgangsleistungsspektrum zu erzeugen, wie durch die beiden seitlichen Spitzenwerte gezeigt ist, die mit F_LO vom Hauptspitzenwert bei F_O beabstandet sind. In den gezeigten Spektren ist die vertikale Achse p die Leistung, und die horizontale Achse f ist die Frequenz. Dieser optische LO ist derzeit nur für F_LO < 100 GHz geeignet, da kein elektro-optischer Modulator für Modulationsfrequenzen über 100 GHz verfügbar ist.
3b zeigt den bevorzugten optischen LO für den indirekten Heterodyn-Empfänger. Die beiden optischen Ausgänge mit den Frequenzen F_O1 und F_O2 aus zwei Einzelfrequenz-Lasern 104 und 106 oder aus irgendwelchen anderen zwei nahezu monochromatischen Lichtquellen werden in einem optischen Strahl-Kombinierer 124 kombiniert, um, wie gezeigt ist, ein Ausgangsleistungsspektrum zu erzeugen, das zwei Hauptspitzenwerten bei F_O1 und F_O2 mit der gleichen optischen Polarisierung hat, die mit F_LO beanstandet und um F_O zentriert sind. In den gezeigten Spektren ist die vertikale Achse p die Leistung, und die horizontale Achse f ist die Frequenz. Wenn die beiden Hauptspitzenwerte mit den Frequenzen F_O1 und F_O2 die gleiche Amplitude haben, dann ist die resultierende optische Ausgabe mit der Frequenz F_O eine amplitudenmodulierte Welle mit 100% Modulation mit der Frequenz F_LO.
Die beiden Laser 104 und 106 können irgendwelche zwei nahezu monochromatischen Lichtquellen sein, wie beispielsweise Halbleiter-Laser, Argon-Ionen-Laser, Farbstoff-Laser, Neodym:Yttrium-Aluminium-Garnet-Laser (Nd:YAG-Laser) oder Kohlendioxid-Laser, um nur einige zu nennen. Bei einem für die Raumfahrt geeigneten direkten Heterodyn-Empfänger müssen diese beiden Laser 104 und 106 vollständig auf Festkörper-Technologie basieren, einschließlich Halbleiter-Laser, die auf InGaAs/InGaAsP/InP-, auf InGaP/InAlP/GaAs- oder auf InGaAs/AlGaAs/GaAs-Materialsystemen basieren, mit Erbium dotierte Faser-Laser, die durch InGaAs/AlGaAs/GaAs-Halbleiter-Laser gepumpt werden, oder Nd:YAG-Laser, die durch AlGaAs/GaAs-Halbleiter-Laser gepumpt werden.
Das Verändern der Frequenz F_LO ist so einfach wie das Einstellen der Laser-Frequenz von einem oder von beiden Lasern 104 und 106, um den korrekten Frequenzabstand F_LO zu erreichen. In einem weiten Bereich einstellbare Laser umfassen Halbleiter-Laser, mit Erbium dotierte Faser-Laser oder Farbstoff-Laser. Zum Beispiel erfordert ein Einstellbereich von 500 GHz bei F_LO eine Wellenlängenverschiebung von lediglich 4 nm für einen InGaAsP/InP-Halbleiter-Laser, der mit der Wellenlänge von 1,55 μm für Telekommunikation arbeitet. Diese kleine Wellenlängenverschiebung wird einfach und reproduzierbar erreicht, indem die Betriebstemperatur und/oder der Betriebsstrom von einem Halbleiter-Laser verändert werden. Andere Einstelltechniken umfassen das Drehen von Gittern oder das Einstellen von optischen Filtern innerhalb eines Laser-Hohlraums, um verschiedene Laser-Frequenzen auszuwählen.
3c zeigt einen anderen optischen LO für den indirekten Heterodyn-Empfänger, wobei ein Laser 108 gleichzeitig optische Ausgaben mit Frequenzen F_O1 und F_O2 erzeugt. Ein Kandidat für den Laser 108 kann ein Multi-Betriebsart-Fabry-Perot-Laser sein, der gleichzeitig bei benachbarten Betriebsarten des Laser-Hohlraums arbeitet, wobei F_LO gleich dem Betriebsart-Abstand ist (freier Spektralbereich). Ein Multi-Betriebsart-Laser bereitet jedoch mehrere Schwierigkeiten, einschließlich der Amplituden-Fehlanpassung zwischen den optischen Ausgaben bei F_O1 und F_O2 und einer großen Linienbreite bei der Frequenz F_LO, wenn das Erzeugen des Laserstrahls in mehr als zwei Betriebsarten stattfindet. Ein Multi-Betriebsart-Laser ist dann praktisch, wenn die Empfänger-Spezifikation keine schmale Linienbreite oder keinen stabilen Betrieb erforderlich macht. Ein weiterer möglicher Kandidat für den Laser 108 kann ein Laser sein, der speziell konstruiert ist, um zwei auswählbare Laser-Betriebsarten zu unterstützen, die üblicherweise realisiert werden, indem ein optischer Bi-Brechungs-Strahl-Splitter und ein bewegbares Gitter vorgesehen sind, um zwei verschiedenen Laser-Betriebsarten in einem Laser auszuwählen. Jedoch bietet dieser Typ von Laser nicht die Flexibilität oder Einfachheit der Verwendung, wie durch den optischen Zwei-Laser-LO geboten wird, der in 3b gezeigt ist.
3. Basis-Mischerelement
4a zeigt das Basis-Mischerelement 60 zur Verwendung in dem indirekten Heterodyn-Empfänger. Das Mischerelement 60 umfasst: einen Schottky-Übergang 62, einen leicht n-dotierten (N) Halbleiter-Mischabschnitt 64 mit einer Dicke t, einen Metallkontakt 66 und einen stark n-dotierten (N+) Kontaktabschnitt 68. Außerdem sind ein Metalldraht 70 (Anode) und ein stark n-dotiertes (N+) Halbleiter-Substrat 72 (Kathode) gezeigt.
Die beiden möglichen Wege, auf denen die optische Ausgabe mit der Frequenz F_O von dem optischen LO 100 dem Mischerelement 60 zugeführt werden können, sind in dem Diagramm dargestellt, und zwar ein Weg durch das Substrat 72, und ein anderer von der Seite des Mischerelements 60. Für die optische LO-Einleitung durch das Substrat 72 ist entweder das Substrat 72 bei der Frequenz F_O transparent oder es ist weggelassen oder es ist während der Herstellung des Mischerelements weggeätzt. Die optische Ausgabe von dem optischen LO 100 kann durch eine externe optische Faser oder einen Wellenleiter übertragen werden, der mit dem Mischerelement 60 an dem Substrat 72 integriert ist.
Der Mischabschnitt 64 enthält Halbleiter-Materialien, die bei der Frequenz F_O optisch absorbierend sind, wohingegen der Kontaktabschnitt 68 Halbleiter-Materialien enthält, die bei der Frequenz F_O optisch transparent sind. Das Eingangssignal mit der Frequenz F_S und das Ausgangssignal mit der Frequenz F_IF werden durch einen Metalldraht 70 elektrisch in und aus dem Mischerelement 60 geleitet.
Das Signal mit der Frequenz F_S wird in das Mischerelement 60 als ein oszillierender elektrischer Strom durch eine Antenne eingeleitet, die üblicherweise mit dem Mischerelement 60 integriert oder damit direkt verbunden ist. Zwei geeignete Antennen für das Mischerelement 60 sind in 4b und 4c gezeigt, wobei für mehr Details und weitere Alternativen auf die Dokumente von R. Blundell und C. E. Tong, von T. W. Growe et al., von M. J. Wengler und von A. V. Raisänen verwiesen wird, die vorstehend für den herkömmlichen Heterodyn-Empfänger genannt sind.
Bei der Winkel-Kubus-Antenne, die in 4b gezeigt ist, ist eine Langdraht-Wanderwellen-Antenne 74 als eine Verlängerung von dem Metalldraht 70 in einer Winkel-Kubus-Baugruppe 76 angeordnet. Einer der beiden Reflektoren 76 in der Baugruppe 76 ist in der Zeichnung entfernt, um eine Ausgangsverbindung 78 für das Ausgangssignal mit der Frequenz F_IF zu zeigen. Das Eingangssignal mit der Frequenz F_S wird der Baugruppe 76 über Eingangsoptiken 10 zugeführt und dann auf die Antenne 74 durch die Reflektoren in der Baugruppe reflektiert. Die Antenne 74 wandelt die eingehende elektromagnetische Strahlung mit der Frequenz F_S in einen oszillierenden elektrischen Strom mit der Frequenz F_S um. Wie in 4b gezeigt, wird die optische Ausgabe mit der Frequenz F_O von dem optischen F_O 100 direkt dem Mischerelement 60 über das Substrat (untere Seite) des Mischerelements 60 zugeführt.
Bei der Planaren logarithmischen Spiral-Antenne, die in 4c dargestellt ist, wirkt eine gemusterte Metallfolie, die mit dem Mischerelement 60 integriert ist, gleichzeitig als eine Antenne 74 und ein Metalldraht 70. Die Ausgangsverbindungen 78 für das Ausgangssignal mit der Frequenz F_IF sind so wie dargestellt. Das Eingangssignal mit der Frequenz F_S wird durch Eingangsoptiken 10 auf die Antenne 74 gerichtet. Die Antenne 74 konvertiert die eingehende elektromagnetische Strahlung mit der Frequenz F_S in einen oszillierenden elektrischen Strom mit der Frequenz F_S. Wie in 4c gezeigt, wird die optische Ausgabe mit der Frequenz F_O von dem optischen LO 100 direkt dem Mischerelement 60 durch das Substrat (untere Seite) des Mischerelements 60 zugeführt.
Die optische Eingabe mit F_O erzeugt Elektronen-Loch-Paare in dem Mischabschnitt 64 proportional zu der Amplitudenmodulation bei F_LO. Die Elektronen-Loch-Paare vermischen sich direkt mit dem elektrischen Eingangssignal mit der Frequenz F_S in dem Mischabschnitt 64 und dem Schottky-Übergang 62, um ein elektrisches Ausgangssignal mit einer niedrigeren Frequenz F_IF zu erzeugen. Ein Vorwärtsstrom durch das Mischerelement 60 wird durch den Metalldraht 70 für einen korrekten Betrieb beibehalten, obwohl dieser Vorwärtsstrom unter bestimmten Umständen reduziert oder vollständig wegfallen kann, da die optische Eingabe mit der Frequenz F_O ebenfalls einen Vorwärtsgleichstrom in dem Mischerelement 60 erzeugt, der proportional zu der Durchschnittsleistung der optischen Eingabe ist.
Damit das Mischerelement 60 bei den Submillimeterwellenfrequenzen F_S und F_LO arbeiten kann, beispielsweise bei etwa 1 THz, müssen der Reihenwiderstand und die Sperrschicht-Kapazität, die mit dem Mischerelement 60 in Beziehung stehen, auf ein Minimum reduziert werden. Der Reihenwiderstand führt zu thermischem Rauschen und langen RC-Zeitkonstanten. Dünne transparente Metallkontakte, die bei herkömmlichen Fotodioden verwendet werden, führen zu einem hohen Reihenwiderstand, weshalb ein transparenter Metallkontakt nicht für das Mischerelement 60 verwendet werden kann. Der Reihenwiderstand wird durch einen dicken Metallkontakt 66 und einen stark n-dotierten Kontaktabschnitt 68 und das Substrat 72 minimiert. Die Kapazität wird minimiert, indem das Gesamtgebiet der Vorrichtung vermindert wird und indem eine unnötige Metallisierung weggelassen wird, durch die die parasitäre Kapazität zwischen dem Metallkontakt 66 und dem Substrat 72 erhöht wird. Die trapezförmige Querschnittsform des Mischabschnitts 64 und des Kontaktabschnitts 68, die in 4a gezeigt sind, erhöht die Distanz zwischen dem Metallkontakt 66 und dem Substrat 72, um die parasitäre Kapazität zu vermindern, wobei ein kleiner Reihenwiderstand aufrechterhalten wird. Ein typisches Vorrichtungsgebiet, das an dem Mischabschnitt 64 für ein Mischerelement 60 gemessen wird, das bei Frequenzen F_S, F_LO ~ 1 THz arbeitet, beträgt etwa 0,5–2 μm². Typische Dotierungswerte für den N+ Kontaktabschnitt 68 und das N+ Substrat 72 liegen bei 1 – 5 × 10¹⁸/cm³ oder höher.
Ein kritischer Parameter für das Mischerelement 60 ist die Dicke t des Mischabschnitts 64. Wenn die Dicke t für Frequenzen F_S und F_LO zu groß ist, dann würde der Reihenwiderstand signifikant ansteigen, wodurch eine unnötige optische LO-Leistung bei F_O absorbiert werden würde, ohne zu dem Mischprozess beizutragen. Wenn die Dicke t für Frequenzen F_S und F_LO zu klein ist, dann würde die Sperrschichtkapazität, die mit dem Mischerelement in Beziehung steht, zunehmen, wohingegen die optische LO-Leistungsabsorption reduziert werden würde, wodurch ein sehr viel intensiverer LO-Strahl bei einer Frequenz F_O erforderlich wäre. Die maximale Grenze der Dicke t wird durch die Transportzeit bestimmt, die erforderlich ist, damit Elektronen den Mischabschnitt 64 durchlaufen. Wenn beispielsweise der Mischabschnitt 64 In_0,53Ga_0,47As mit einer maximalen Elektronendriftgeschwindigkeit v_n = 2,1 × 10⁷ cm/s ist und die Frequenz F_LO gleich 1 THz ist, dann muss die Dicke t kleiner als t_m = v_n/F_LO = 210 nm sein, vorzugsweise 105 nm oder weniger. In dieser Hinsicht ist das Mischerelement 60 ähnlich einer herkömmlicher Fotodiode, siehe "Ultrawide-Band Long-Wavelength p-i-n Photodetectors" von J. E. Bowers und C. A. Burrus, Journal of Lightwave Technology, Band L5-5, Nr. 10, Oktober 1987, Seiten 1339– 1350.
Ein weiterer kritischer Parameter für das Mischerelement 60 ist der durchschnittliche Dotierungspegel des Mischabschnitts 64. Wenn der durchschnittliche Dotierungspegel für eine Dicke t zu groß ist, dann würde die Sperrschichtkapazität signifikant ansteigen, während sich der Mischprozess verschlechtern würde, wobei der Schottky-Übergang 62 weniger ideal wird. Wenn der durchschnittliche Dotierungspegel für eine Dicke t zu klein wird, dann steigen der Reihenwiderstand und das thermische Rauschen des Mischers. Ein minimaler durchschnittlicher Dotierungspegel dm, der für einen zufriedenstellenden Betrieb des Mischerelements 60 erforderlich ist, wird durch Berechnen der angenäherten Sperrschichtbreite w_d des Schottky-Übergangs 62 bei einem Null-Vorspannungszustand, d. h. 0 V, die über dem Metallkontakt 66 und dem Substrat 72 anliegen, und der maximalen Dicke t_m bestimmt, wie vorstehend beschrieben
wobei es die Dieiektrizitätskonstante des Halbleitermaterials ist, das in dem Mischabschnitt 64 verwendet wird, V_bi ist das inhärente Potential des Schottky-Übergangs 62, und q ist die elektrische Ladung eines Elektrons. Fortfahrend mit dem vorherigen Beispiel des In_0,53Ga_0,47As-Mischabschnitts 64 mit einem Au-Metallkontakt 66 bei 1 THz mit t_m = 210 nm, ist der minimale Dotierungspegel d_m gleich 1,8 × 10¹⁶/cm³. In diesem speziellen Beispiel sollte der Mischabschnitt 64 optimalerweise 100 nm dick und mit einem durchschnittlichen Pegel von 8 × 10¹⁶/cm³ oder höher dotiert sein. Die minimale Dotierungspegelgrenze für das Mischerelement 60 ist verschieden von herkömmlichen Fotodioden, wobei die Dotierungspegelgrenze ein maximaler Pegel ist, der nicht überschritten werden soll, was zu einem vollständig verarmten aktiven Bereich in einer Fotodiode führt.
Das Mischerelement 60 kann durch Anwenden von allgemein bekannten Epitaxial-Techniken hergestellt werden, wie zum Beispiel molekulare Strahl-Epitaxie (MBE) oder organometallische Dampfphasen-Epitaxie (OMVPE). Die trapezförmige Gestalt, die in 4a gezeigt ist, des Mischabschnitts 64 und des Kontaktabschnitts 68 kann entweder allgemein durch selektive Epitaxie in Öffnungen einer dielektrischen Maske oder durch körperlich gemusterte planare Epitaxial-Schichten gebildet werden, und zwar unter Verwendung von Ätztechniken, wie zum Beispiel Reaktiv-Ionen-Ätzen (RIE). Der Mischabschnitt 64 kann aus einem Halbleitermaterial gebildet sein, das bei F_O absorbierend ist, wie zum Beispiel In_0,53Ga_0,47As, oder mehrere Schichten und/oder gestafelte Schichten, die absorbierend oder nicht-absorbierend sind, wie zum Beispiel mehrere Quantentopf-Strukturen aus verformtem In_0,2Ga_0,8As-Töpfen in GaAs, hergestellt durch MBE- oder OMVPE-Techniken. Die gleichen Betrachtungen finden Anwendung bei dem Kontaktabschnitt 68 mit der Ausnahme, dass die Halbleiter- Materialien bei einer Frequenz F_O nicht absorbierend sein sollen. Viele andere äquivalente Strukturen können auf Basis der obigen Beschreibung erzeugt werden.
4. Stabilisierung einer optischen LO-Quelle
Damit der indirekte Heterodyn-Empfänger, der vorstehend beschrieben wurde, eine stabile und Einzelfrequenz-Leistungsfähigkeit hat, wodurch extrem schmale Linienbreitensignale mit einer einstellbaren und reproduzierbaren Frequenz aufgelöst werden können, muss der optische LO 100 stabilisiert werden. Für die bevorzugte LO-Konfiguration, die in 3b dargestellt ist, muss der Frequenzabstand F_LO auf einem genauen und stabilen Wert gehalten werden. Wenn beispielsweise der Laser 104 beim Erzeugen einer Laserwellenlänge um 0,1 nm von 1,55 μm wegdriftet, während der Laser 106 stabil bleibt, würde dies zu einer Frequenzverschiebung von 12,5 GHz bei F_O führen. Diese Frequenzverschiebung wäre bei vielen Anwendungen von indirekten Heterodyn-Empfängern nicht akzeptierbar, speziell bei Weltraum-Empfängern, wo beispielsweise Spezifikationen von Empfänger-Linienbreite < 0,5 MHz, Kurzzeit-Driftrate < 1 MHz/Stunde und Langzeit-Driftrate < 10 MHz/5 Jahre gefordert werden.
Stabilisierungstechniken, die Laser bei absoluten Frequenzreferenzen arretieren, wie zum Beispiel atomare Übergangslinien, haben eine beschränkte Verwendung für den optischen LO mit zwei Lasern. Absolute Frequenzverschiebungen in der Mittenfrequenz F_O werden akzeptiert, solange der Frequenzabstand F_LO zwischen den Lasern 104 und 106 genau beibehalten wird.
Eine besonders vorteilhafte Stabilisierungskonfiguration besteht darin, beide Laser 104 und 106 auf einen optischen Fabry-Perot-Referenz-Hohlraum 170 mit einer Hohlraumlänge L_r zu arretieren, normalerweise mit großer Finesse, wie in 5 gezeigt. In 5 ist außerdem ein Laser-Stabilisierungssystem gezeigt, das üblicherweise als die Pound-Drever-Technik bezeichnet wird, siehe "Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical Resonator" von R. W. P. Drever et al., Applied Physics B, Band 31, 1983, Seiten 97–105. Ein weiteres Dokument, in dem diese Laser-Stabilisierungstechnik dargestellt ist, ist "Sub-Hertz Relative Frequency Stabilization of Two Diode-Laser-Pumped Nd:YAG Lasers Locked to a Fabry-Perot-Interferometer" von T. Day, E. K. Gustafson und R. L. Byer, IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 28, Nr. 4, April 1992, Seiten 1106–1117. Andere Laser-Stabilisierungssysteme sind außerdem möglich, aber sie leiden unter Nachteilen, wie zum Beispiel langsames Antwortverhalten bei Übergängen, wenn der übertragene Strahl durch den Referenz-Hohlraum anstelle des reflektierten Strahls verwendet wird, wie bei der Pound-Drever-Technik verwendet, oder Frequenz-Drift aus einem fehlangepassten Fotodioden-Antwortverhalten.
Wie in 5 dargestellt, wird die optische Ausgabe von dem Laser 104 durch einen optischen Isolator 130 geleitet, um eine unerwünschte optische Rückführung zu verhindern, die die Laser-Oszillation nachteilig beeinflussen würde. Die Ausgabe von dem Isolator 130 wird durch einen optischen Strahl-Splitter 126 in zwei Bereich geteilt. Ein Bereich wird zu einem optischen Strahl-Kombinierer 124 geleitet, um die optische LO-Ausgabe zu bilden. Ein anderer Bereich wird durch einen elektro-optischen Phasenmodulator 140 geleitet, dann durch einen optischen Strahl-Kombinierer und einen direktionalen Koppler 128, und anschließend in den Referenz- Hohlraum 170. Der reflektierte optische Strahl von dem Referenz-Hohlraum 170 wird einem optischen Detektor 150 über den Koppler 128 zugeführt. Die elektrische Ausgabe von dem Detektor 150 wird einer elektronischen Stabilisierungsschaltung 160 zugeführt, und zwar zum Filtern, einer Phasensensitiven Heterodyn-Detektion und einer Servo-Rückführung, um den Laser 104 entsprechend der Pound-Drever-Technik zu steuern. Ähnliche Konfigurationen finden auch Anwendung bei dem Laser 106 mit einem separaten Isolator 130, einem optischen Strahl-Splitter 126, einem elektro-optischen Phasenmodulator 142 und einer elektronischen Stabilisierungsschaltung 162, wobei der Detektor 150, der Koppler 128, der Hohlraum 170 und der Kombinierer 124 geteilt werden. Die Modulatoren 140 und 142 werden durch Stabilisierungsschaltungen 160 und 162 elektrisch getrieben, und zwar jeweils mit zwei unterschiedlichen Frequenzen, die größer sind als die Betriebsart-Linienbreite des Hohlraums 170, um eine Unterscheidung zwischen den beiden Rückführsignalen in der elektrischen Ausgabe des Detektors 150 zu ermöglichen. Die meisten dieser Komponenten, einschließlich die Laser 104 und 106, die Isolatoren 130, die Strahl-Splitter 126, die elektro-optischen Modulatoren 140 und 142, der Detektor 150, der Strahl-Kombinierer und der direktionale Koppler 128 sowie der Strahl-Kombinierer 124 können auf einem Halbleiter-Wafer integriert sein, und zwar unter Verwendung allgemein bekannter Techniken von integrierten Optiken.
Bei der Pound-Drever-Technik wird ein Laser auf die Mitte von einem Referenz-Hohlraum arretiert. Die Betriebsart-Mittenfrequenzen des Fabry-Perot-Referenz-Hohlraums 70 sind in 5 gezeigt, und zwar als:
wobei m ein positiver Integer, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, n_r der Brechungsindex des Mediums innerhalb des Hohlraums 170 und L_r die Länge des Hohlraums ist. Wenn die Laser 104 und 106 stabilisiert sind, wie gezeigt wurde, ist das Ändern der Frequenz F_LO so einfach wie das Arretieren auf verschiedene Betriebsarten des Hohlraums 170, und zwar mit einem benachbarten Betriebsart-Abstand von
wie in 7a dargestellt ist, in der ein Spektrum der Leistung p über die Frequenz f, wobei die beiden tatsächlichen Laser-Betriebsarten in durchgezogenen Linien und die Betriebsarten des Referenz-Hohlraums 170 in gestrichelten Linien dargestellt sind. Wenn beispielsweise n_r = 1 und L_r = 15 cm ist, dann beträgt der Betriebsart-Abstand (freier Spektralbereich) 1 GHz, und F_LO kann in diskreten Schritten von 1 GHz eingestellt werden, indem benachbarte Betriebsarten des Hohlraums 170 arretiert werden. Der Frequenzabstand F_O ist so genau wie die Stabilität des Hohlraums 170, der extrem stabil gemacht werden kann, und zwar unter Verwendung von Materialien mit einem geringen thermischen Drift und durch Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur in dem Hohlraum 170. Für die beste Stabilität kann der Hohlraum 170 außerdem einstellbar gemacht und auf eine externe atomare Übergangslinie arretiert werden, und zwar unter Verwendung von im Stand der Technik allgemein bekannten Techniken.
Für die Servo-Rückführung der Laser 104 und 106 durch die Stabilisierungsschaltungen 160 und 162 können mehrere Laserparameter eingestellt werden. Für Halbleiter-Laser können die Betriebstemperatur und der Betriebsstrom eingestellt werden. Für Nd:YAG Laser, die durch Diodenlaser gepumpt werden, können die Temperatur des Gain-Mediums, die Pumpleistung des Gain-Mediums und die Laser-Hohlraumlänge eingestellt werden. Weitere Steuerelemente können sich ebenfalls in einem Laser-Hohlraum befinden, wie zum Beispiel ein elektro-optischer Phasenmodulator.
5. Verbesserter Mischer
Für den Betrieb bei Submillimeterwellenfrequenz muss der Mischabschnitt 64 des Mischerelements 60 sehr dünn sein, und zwar begrenzt auf t_m, wie vorstehend erläutert. Dies führt zu einer ineffizienten Absorption von optischer LO-Leistung. Der größte Teil der LO-Leistung durchläuft den Mischabschnitt 64, ohne absorbiert zu werden, und geht daher verloren. Die Absorption in dem Mischabschnitt 64 oder in irgendwelchen anderen fotosensitiven Vorrichtungen, wie beispielsweise eine PIN-Diode oder eine fotokonduktive Vorrichtung, kann dramatisch verbessert werden, und zwar durch die Hinzufügung optischer Reflektoren. Einige verbesserte Mischer sind in 6a, 6b, 6c, 6d und 6e gezeigt. Die eingehenden Richtungen der optischen LO-Leistung bei der Frequenz F_O sind durch Pfeile angegeben.
Bei einem verbesserten Mischer 90, der in 6a gezeigt ist, befindet sich ein optischer Reflektor 80 an einer Seite des Mischerelements 60, der durch ein trapezförmiges Symbol dargestellt ist. Die eingehende optische LO-Leistung passiert das Mischerelement 60 zweimal, wodurch die optische Absorption um den Faktor zwei erhöht wird.
Bei einem verbesserten Mischer 92, wie er in 6b gezeigt ist, befindet sich das Mischerelement 60 in einem kurzen Fabry-Perot-Hohlraum mit einer Hohlraumlänge L_e und ist durch zwei optische Reflektoren 80 und 82 gebildet, wobei L_e gleich mehreren Halbwellenlängen der Frequenz F_O und kleiner als eine halbe Wellenlänge der Frequenz F_LO ist. 7b zeigt den Betriebszustand für den verbesserten Mischer 92, wobei die beiden Laser-Betriebsarten bei Frequenzen F_O1 und F_O2 in einer Hohlraum-Betriebsart des Fabry-Perot-Hohlraums mit einer Linienbreite δf_e > F_LO zentriert sind. In diesem Spektrum ist die vertikale Achse p die Leistung, und die horizontale Achse f ist die Frequenz, und die optische LO-Ausgabe ist in durchgezogenen Linien gezeigt, und die Hohlraum-Betriebsart ist in einer gestrichelten Linie gezeigt. 7c zeigt das optische Intensitätsprofil über der Distanz in dem verbesserten Mischer 92 im Betriebszustand, wobei die hohe Intensität innerhalb des kurzen Fabry-Perot-Hohlraums die gesamte optische LO-Leistung erhöht, die durch das Mischerelement 60 absorbiert wird, und zwar mehrere Male.
Bei einem verbesserten Mischer 94, der in 6c gezeigt ist, bilden zwei optische Reflektoren 82 und 84 einen langen Fabry-Perot-Hohlraum mit einer Hohlraumlänge L_r, und zwar benachbart zu dem Mischerelement 60. Die optische Absorption des Mischerelements 60 wird nicht verbessert, aber es wird ein Hohlraum erzeugt, der für Verwendung als ein Referenz-Hohlraum geeignet ist.
Bei einem verbesserten Mischer 96, der in 6d gezeigt ist, befindet sich das Mischerelement 60 innerhalb eines langen Fabry-Perot-Hohlraums mit einer Hohlraumlänge L_r, der durch zwei optische Reflektoren 80 und 84 gebildet ist, wobei L_r gleich oder größer als eine halbe Wellenlänge bei der Frequenz F_LO ist und die optische Absorption des Mischerelements 60 mehrfach verbessert wird. Jedoch wird die maximale Genauigkeit, die durch diesen langen Hohlraum erreicht wird, durch das absorbierende Mischerelement 60 signifikant reduziert, wodurch dieser lange Hohlraum zur Verwendung als ein Referenz-Hohlraum wenig zufriedenstellend ist.
Bei einem verbesserten Mischer 98, der in 6e gezeigt ist, befindet sich das Mischerelement 60 innerhalb eines kurzen Fabry-Perot-Hohlraums mit einer Hohlraumlänge L_e zusammen mit einem langen Fabry-Perot-Hohlraum mit einer Hohlraumlänge L_r, gebildet durch drei optische Reflektoren 80, 82 und 84, wobei L_e gleich mehreren Halbwellenlängen bei der Frequenz F_O und kleiner als eine Halbwellenlänge der Frequenz F_LO ist, und L_r gleich oder größer einer halben Wellenlänge bei der Frequenz F_LO ist. Der Betriebszustand, der in 7b dargestellt ist, führt ebenfalls zu dem verbesserten Mischer 98. 7d zeigt das optische Intensitätsprofil über der Distanz in dem verbesserten Mischer 98 bei dem Betriebszustand, wobei die hohe Intensität innerhalb des kurzen Fabry-Perot-Hohlraums die gesamte optische LO-Leistung erhöht, die durch das Mischerelement 60 absorbiert wird, und zwar mehrere Male. Das Intensitätsprofil zeigt auch, dass die höchste Genauigkeit, die in dem langen Hohlraum erreicht wird, durch das absorbierende Mischerelement 60 nicht beeinflusst wird, was diesen langen Fabry-Perot-Hohlraum als einen Referenz-Hohlraum für eine optimale LO-Stabilisierung ideal macht.
8a zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel von einem verbesserten Mischer 98. In diesem Ausführungsbeispiel sind die optischen Reflektoren 80, 82 und 84 Stapel von Schichten aus Material, das bei einer Frequenz von F_O optisch transparent ist. Diese Schichten haben eine Dicke von einer viertel Wellenlänge und haben unterschiedliche Brechungsindices. Die Anzahl der Schichten in jedem Stapel ist durch die optische Reflektivität bestimmt, die für jeden optischen Reflektor 80, 82 oder 84 erforderlich ist. Der optische Reflektor 80 ist in zwei verschiedene Abschnitte unterteilt. Der metallische Kontakt 66, ein Teil des Mischerelements 60, funktioniert ebenfalls als ein optischer Reflektor 80 über dem Mischerelement 60. Der andere Abschnitt des optischen Reflektors 80 besteht aus zwei Materialien mit verschiedenen Brechungsindices n₁ und n₂, beispielsweise Siliziumnitrid und Siliziumdioxid mit Brechungsindices von 2,0 und 1,46, aufgebracht durch chemische Dampfablagerung oder durch Sputtern. Der optische Reflektor 82 besteht aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices n₃ und n₄, beispielsweise InGaAsP und InP mit Brechungsindices von 3,55 und 3,17 bei 1,55 μm Wellenlänge, aufgebracht durch OMVPE. Der lange Hohlraum enthält ein transparentes Substrat 72 mit einem Brechungsindex n₅, beispielsweise InP mit einem Brechungsindex von 3,17 bei 1,55 μm Wellenlänge. Der optische Reflektor 84 besteht aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices n₆ und n₇, beispielsweise Siliziumdioxid und Siliziumnitrid. Der Reflektor 84 ist gekrümmt, um ein Fokussieren des eingehenden optischen LO-Strahls in einen kleinen Punkt auf dem Mischerelement 60 zu fokussieren und um optische Verluste aus der Brechung in dem langen Fabry-Perot-Hohlraum zu vermindern. Die eingehende Richtung der optischen LO-Leistung bei der Frequenz F_O ist durch einen Pfeil angegeben.
8b zeigt ein weiteres spezielles Ausführungsbeispiel von einem verbesserten Mischer 98. In diesem Ausführungsbeispiel sind die optischen Reflektoren 80, 82 und 84 Schichten aus Metallfolie mit verschiedener Dicke, und zwar abhängig von der erforderlichen Reflektivität, bezeichnet durch m. Ein erweiteter Metallkontakt für das Mischerelement 60 funktioniert ebenfalls als ein optischer Reflektor 80. Eine Schicht aus einem transparenten dielektrischen Material mit einem Brechungsindex n₈, beispielsweise Siliziumdioxid, ist auf der Halbleiterfläche aufgebracht, außer über dem Mischerelement 60, um den erweiterten Metallkontakt zu isolieren und um die parasitäre Kapazität zu reduzieren. Ein erweiteter Kontaktabschnitt 68 mit einem Brechungsindex n₉, beispielsweise AlGaAs, ist auf dem Substrat 72 aufgebracht, beispielsweise GaAs, um einen elektrischen Kontakt zu ermöglichen und um das Mischerelement 60 abstützend zu halten. Das Substrat 72 ist von der Unterseite des Mischerelements 60 vollständig weggeätzt. Der Reflektor 82 ist auf dem erweiterten Kontaktabschnitt 68 durch Aufbringung einer Metallschicht aufgebracht, die außerdem als elektrischer Kontakt und als Wärmesenke dient. Eine Schicht aus Metallfolie, die auf einer Fokussierungslinse 86 aufgebracht ist, dient als Reflektor 84. Der Reflektor 84 ist gekrümmt, um ein Fokussieren des eingehenden optischen LO-Strahls auf einen kleinen Punkt auf dem Mischerelement 60 zu ermöglichen und um optische Verluste aus der Brechung in dem langen Fabry-Perot-Hohlraum zu vermindern. Ein offener Raum mit einem Brechungsindex n₁₀ zwischen den optischen Reflektoren 82 und 84 dienen als ein Hohlraum für den langen Fabry-Perot-Hohlraum. Die eingehende Richtung der optischen LO-Leistung bei der Frequenz F_O ist durch einen Pfeil angegeben.
Bei diesen speziellen Ausführungsbeispielen des verbesserten Mischers 98 können Erweiterungen und Modifikationen durchgeführt werden. Beispielsweise können die speziellen Ausführungsbeispiele der optischen Reflektoren 80, 82 und 84 aus diesen beiden Beispielen ausgewählt werden, um neue Kombinationen zu bilden. Weitere Fabrikationsverfahren können aus dem Stand der Technik abgeleitet werden, um andere äquivalente Strukturen zu bilden. Zusätzliche Elemente, wie zum Beispiel ein elektrooptischer Phasenmodulator, können in den kurzen Fabry-Perot-Hohlraum und in den langen Fabry-Perot-Hohlraum integriert werden, um ein elektrisches Einstellen der Hohlraum-Resonanz-Betriebsarten zu ermöglichen. Die Linse 86 kann auf piezoelektrischen Betätigungsmitteln montiert sein, um ein externes Einstellen der langen Fabry-Perot-Hohlraum-Resonanz-Betriebsarten zu ermöglichen, zum Beispiel um ein Arretieren auf eine externe atomare Übergangslinie für die Stabilisierung des Referenz-Hohlraums zu ermöglichen. Optische Verstärkungselemente können ebenfalls in den kurzen Fabry-Perot-Hohlraum oder in den langen Fabry-Perot-Hohlraum integriert sein, um eine Erhöhung der eingehenden optischen LO-Leistungs zu ermöglichen.
6. Indirekter Heterodyn-Empfänger mit verbessertem Mischer
Für die folgende Beschreibung bezieht sich die Verbesserung des Hohlraum auf den kurzen Fabry-Perot-Hohlraum, der für die Erhöhung der optischen Absorption in dem Mischerelement 60 geeignet ist, und der Referenz-Hohlraum bezieht sich auf den langen Fabry-Perot-Hohlraum, der für eine optische LO-Stabilisierung geeignet ist.
In 9 wird ein verbesserter Mischer 98 bei dem indirekten Heterodyn-Empfänger mit einer stabilisierten optischen LO-Quelle angewendet. Die stabilisierte optische LO-Quelle ist die gleiche wie in 5, mit der Ausnahme, dass die beiden optischen Strahl-Splitter 126 und der optische Strahl-Kombinierer 124 zum Erzeugen einer separaten optischen LO-Ausgabe weggelassen sind. Die optische Ausgabe von dem optischen Strahl-Kombinierer und dem direktionalen Koppler 128 wird direkt dem verbesserten Mischer 98 mit integriertem Referenz-Hohlraum und verbessertem Hohlraum zugeführt. Eine optische Reflexion von dem Referenz-Hohlraum wird durch den Koppler 128 in den Detektor 150 zur optischen LO-Stabilisierung geleitet. Das Mischerelement 60 mischt die optische Eingabe mit den Frequenzen F_O1 und F_O2 von der stabilisierten optischen LO-Quelle mit einem eingehenden schwachen Signal mit der Frequenz F_S, um ein Ausgangssignal mit einer geringeren Frequenz F_IF zu erzeugen.
Der indirekte Heterodyn-Empfänger mit dem verbesserten Mischer hat mehrere einzigartige Vorteile. Es geht keine optische Leistung für einen separaten Referenz-Hohlraum und eine separate optische LO-Ausgabe verloren. Die gesamte verfügbare Laserleistung wird durch den integrierten Referenz-Hohlraum geleitet, um eine maximale Frequenzstabilität zu erreichen, da die Wirksamkeit der Laser-Servo-Rückführung von der Stärke und dem Signal-Rausch-Verhältnis des reflektierten Signals abhängt. Eine Ausrichtung für das Einleiten der optischen LO-Leistung in den Referenz-Hohlraum und das Mischerelement kann in einem Schritt anstelle von separaten Ausrichtungen erfolgen. Zusätzlich zu dem Frequenzmischen kann das Mischerelement auch als ein Detektor zum Ausrichten des optischen LO-Strahls und zum Anordnen von Fabry-Perot-Betriebsarten für die optische LO-Stabilisierung dienen. Radiofrequenz-Phasenmodulationen, die für die optische LO-Stabilisierung eingeführt werden, werden zurück zu dem Detektor 150 durch den integrierten Referenz-Hohlraum reflektiert. Der integrierte Referenz-Hohlraum schirmt außerdem das Mischerelement gegen irgendeine augenblickliche Frequenzverschiebung, Amplitudenrauschen oder Phasenrauschen von der optischen LO-Quelle ab, da die optische LO-Quelle lediglich einen geringen Beitrag an der eingehenden Leistung beisteuert, im Vergleich mit der gesamten Durchschnittsleistung, die in dem Hohlraum zu irgendeinem augenblicklichen Zeitpunkt gespeichert ist. Das Ergebnis ist ein Empfänger, der Leistungseffizienz, frequenzstabil, einfach zu benutzen, extrem kompakt und leicht ist und sowie ein geringes Rauschen aufweist.
Die Erweiterung des indirekten Heterodyn-Empfängers zu Multi-Empfänger-Anordnungen ist offensichtlich. 10a zeigt eine Multi-Empfänger-Anordnung mit einem verbesserten "Master"-Mischer 98 mit einem integrierten Referenz-Hohlraum für die optische LO-Stabilisierung und drei verbesserten "Slave"-Mischern 92a, 92b und 92c, die alle durch die gleiche stabilisierte optische LO-Quelle getrieben werden, die in 9 gezeigt ist, und zwar durch geeignete Verbindungen, die durch die Buchstaben A, B, C, D und E bezeichnet sind. Ein zusätzlicher optischer Strahl-Kombinierer 124 und optische Strahl-Splitter 126 sind vorgesehen, um die optische LO-Leistung auf die Mischer 92a, 92b und 92c aufzuteilen. 10b zeigt eine Multi-Empfänger-Anordnung, die durch die stabilisierte optische LO-Quelle getrieben wird, die in 5 gezeigt ist. Zusätzliche optische Strahl-Splitter 126 sind vorgesehen, um die optische LO-Leistung auf die verbesserten Mischer 92a, 92b, 92c und 92d aufzuteilen. Diese Multi-Empfänger-Anordnungen sind für Anwendungen praktisch, bei denen eine große Anzahl von Empfängern gleichzeitig arbeiten, um ein Bild oder ein phasenverschobenes Array zu bilden.
Zusammenfassung und Schutzbereich der Erfindung
Der indirekte Heterodyn-Empfänger, das Mischerelement und verschiedene verbesserte Mischer- und Empfänger-Kombinationen wurden beschrieben. Viele Nachteile und Beschränkungen des Empfängers gemäß Stand der Technik können vermieden werden.

(a) Komplexe Diplexer, die im erheblichen Platz erforderlich machen, werden vermieden.
(b) Zuverlässige Empfänger können basierend auf einer Festkörper-Technologie hergestellt werden.
(c) Die Empfängerfrequenz ist stabil und leicht einstellbar.
(d) Die Leistungseffizienz wird maximiert und der Leistungsverbrauch wird minimiert.
(e) Es können stabile Empfänger hergestellt werden, die extrem kompakt und leicht sind.
(f) Die Funktion des Empfängers ist einfach, und es ist keine Routine-Wartung erforderlich.
(g) Die Funktion des Empfängers macht keine Flüssighelium-Temperaturen erforderlich.

Obwohl die obige Beschreibung viele spezielle Komponenten enthält, sollen diese nicht als Beschränkung bezüglich des Schutzbereichs der Erfindung verstanden werden, sondern lediglich als Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Viele andere Variationen sind möglich. Beispielsweise kann anstelle der Verwendung von Metalldraht zum Leiten von Signalen in und aus dem Mischerelement einer Antenne direkt als ein Teil des Metallkontakts verwendet werden, wie gezeigt ist. Laser für den optischen LO können unter Verwendung des übertragenen Strahls aus dem Fabry-Perot-Referenz-Hohlraum stabilisiert werden, anstelle des reflektierten Strahls. Laser können bezüglich der Seite der Hohlraum-Betriebsart statt der Mitte arretiert werden, wie bei der Pound-Drever-Technik.
Folglich ist der Schutzbereich der Erfindung nicht durch die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch die beigefügten Patentansprüche sowie deren äquivalente Ausführungsformen.

Claims

Koherenzempfänger für elektromagnetische Strahlung, mit: einer optischen Eingangseinrichtung (10) zum Sammeln eines Eingangssignals elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz F_S von kleiner als etwa 10¹³ Hz, einer lokalen Oszillatoreinrichtung, einer Mischerelementeinrichtung, und einer elektronischen Einrichtung (50), die mit der Mischerelementeinrichtung verbunden ist, um ein Ausgangssignal zu verarbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Oszillatoreinrichtung eine optische lokale Oszillatoreinrichtung (100) ist, um ein optisches Signal mit einer Frequenz F_O von größer als etwa 3 × 10¹³ Hz zu erzeugen, dass das optische Signal mit einer Frequenz F_LO von kleiner als etwa 10¹³ Hz amplitudenmoduliert ist, und dass die Mischerelementeinrichtung (60) gleichzeitig auf die Frequenzen F_S, F_O und F_LO anspricht, wobei das Eingangssignal und das optische Signal auf verschiedenen Wegen der Mischerelementeinrichtung zugeführt werden, um das Ausgangssignal mit einer Frequenz F_IF zu erzeugen, die im wesentlichen gleich der Differenz zwischen den Frequenzen F_S und F_LO ist, und wobei das optische Signal ohne Zwischenkonvertierung der Mischerelementeinrichtung zugeführt wird.
Empfänger nach Anspruch 1, bei dem die optische lokale Oszillatoreinrichtung zwei nahezu monochromatische Lichtquellen (104, 106) mit zwei Frequenzen F_O1 und F_O2 aufweist, die einen Frequenzabstand mit der Frequenz F_LO haben und die bezüglich der Frequenz um die Frequenz F_O zentriert sind.
Empfänger nach Anspruch 2, bei dem die Lichtquellen mit den Frequenzen F_O1 und F_O2 durch Synchronisieren auf zwei Hohlraum-Betriebsarten von einem optischen Referenz-Resonanzhohlraum stabilisiert sind.
Empfänger nach Anspruch 1, bei dem die Mischerelementeinrichtung (60) aufweist: einen Metallkontakt (66), einen Mischabschnitt (64) mit einer Dicke t und einer durchschnittlichen Dotierungskonzentration d, wobei der Mischabschnitt Halbleitermaterialien enthält, die bei der Frequenz F_O optisch absorbieren, eine Schottky-Übergang (62), der durch den Metallkontakt und den Mischabschnitt gebildet ist, und einen Kontaktabschnitt (68), der Halbleitermaterialien enthält, die bei der Frequenz F_O optisch transparent sind, wobei der Kontaktabschnitt zu dem Mischabschnitt benachbart ist.
Empfänger nach Anspruch 4, bei dem die optische lokale Oszillatoreinrichtung zwei nahezu monochromatische Lichtquellen mit zwei Frequenzen F_O1 und F_O2 aufweist, die einen Frequenzabstand mit der Frequenz F_LO haben und die bezüglich der Frequenz um die Frequenz F_O zentriert sind.
Empfänger nach Anspruch 5, bei dem die Lichtquellen mit den Frequenzen F_O1 und F_O2 durch Synchronisieren auf zwei Hohlraum-Betriebsarten von einem optischen Referenz-Resonanzhohlraum stabilisiert sind.
Empfänger nach Anspruch 4, bei dem die Dicke t kleiner ist als t_m = v_n/F_LO, wobei v_n die maximale Elektronendriftgeschwindigkeit der Halbleitermaterialien in dem Mischabschnitt ist und die durchschnittliche Dotierungskonzentration d größer als d_m = (2ε_sV_bi)/qt_m ² ist, wobei ε_s die Dielektrizitätskonstante der Halbleitermaterialien in dem Mischabschnitt, V_bi das innere Potential von dem Schottky-Übergang und q die elektrische Ladung eines Elektrons ist.
Empfänger nach Anspruch 7, bei dem die optische lokale Oszillatoreinrichtung zwei nahezu monochromatische Licht quellen mit zwei Frequenzen F_O1 und F_O2 aufweist, die einen Frequenzabstand mit der Frequenz F_LO haben und die bezüglich der Frequenz um die Frequenz F_O zentriert sind.
Empfänger nach Anspruch 8, bei dem die Lichtquellen mit den Frequenzen F_O1 und F_O2 durch Synchronisieren auf zwei Hohlraum-Betriebsarten von einem optischen Referenz-Resonanzhohlraum stabilisiert sind.
Empfänger nach Anspruch 7, bei dem sich die Mischerelementeinrichtung in einem optischen Anreicherungsresonanzhohlraum befindet, wobei die optische Gesamtleistung, die durch die Mischerelementeinrichtung von dem optischen Signal mit der Frequenz F_O absorbiert wird, erhöht wird.
Empfänger nach Anspruch 10, bei dem die optische lokale Oszillatoreinrichtung zwei nahezu monochromatische Lichtquellen mit zwei Frequenzen F_O1 und F_O2 aufweist, die einen Frequenzabstand mit der Frequenz F_LO haben und die bezüglich der Frequenz um die Frequenz F_O zentriert sind.
Empfänger nach Anspruch 11, bei dem die Lichtquellen mit den Frequenzen F_O1 und F_O2 durch Synchronisieren auf zwei Hohlraum-Betriebsarten von einem optischen Referenz-Resonanzhohlraum stabilisiert sind.
Empfänger nach Anspruch 12, bei der der optische Referenz-Resonanzhohlraum mit der Mischerelementeinrichtung integriert ist, wobei das optische Signal über den optischen Referenz-Resonanzhohlraum der Mischerelementeinrichtung zugeführt wird.
Verfahren zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz F_S von kleiner als etwa 10¹³ Hz, mit: Vorsehen einer optischen Eingangseinrichtung (10), um ein Eingangssignal mit der Frequenz F_S zu sammeln, Vorsehen einer lokalen Oszillatoreinrichtung, Vorsehen einer Mischerelementeinrichtung, und Vorsehen einer elektronischen Einrichtung (50), die mit der Mischerelementeinrichtung verbunden ist, um ein Ausgangssignal zu verarbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerdem die Schritte umfasst: Verwenden der lokalen Oszillatoreinrichtung (100), um ein optisches Signal mit einer Frequenz F_O von größer als etwa 3 × 10¹³ Hz zu erzeugen, wobei das optische Signal mit einer Frequenz F_LO von kleiner als etwa 10¹³ Hz amplitudenmoduliert ist, Bewirken, dass die Mischerelementeinrichtung (60) gleichzeitig auf die Frequenzen F_S, F_O und F_LO anspricht, Zuführen, auf verschiedenen Wegen, des Eingangssignals und des optischen Signals in die Mischerelementeinrichtung, um das Ausgangssignal mit einer Frequenz F_IF zu erzeugen, die im wesentlichen gleich der Differenz zwischen den Frequenzen F_S und F_LO ist, Zuführen des optischen Signals ohne Zwischenkonvertierung in die Mischerelementeinrichtung, und Verarbeiten des Ausgangssignals mit der Frequenz F_IF unter Verwendung der elektronischen Einrichtung.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das optische Signal erzeugt wird, indem die optische lokale Oszillatoreinrichtung vorgesehen wird, die zwei nahezu monochromatische Lichtquellen mit zwei Frequenzen F_O1 und F_O2 aufweist, die einen Frequenzabstand mit der Frequenz F_LO haben und die bezüglich der Frequenz um die Frequenz F_O zentriert sind.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Eingangssignal und das optische Signal der Mischerelementeinrichtung zugeführt wird, die aufweist: einen Metallkontakt, einen Mischabschnitt mit einer Dicke t und einer durchschnittlichen Dotierungskonzentration d, wobei der Mischabschnitt Halbleitermaterialien enthält, die bei der Frequenz F_O optisch absorbieren, einen Schottky-Übergang, der durch den Metallkontakt und den Mischabschnitt gebildet ist, und einen Kontaktabschnitt, der Halbleitermaterialien enthält, die bei der Frequenz F_O optisch transparent sind, wobei der Kontaktabschnitt zu dem Mischabschnitt benachbart ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das optische Signal erzeugt wird, indem die optische lokale Oszillatoreinrichtung vorgesehen wird, die zwei nahezu monochromatische Lichtquellen mit zwei Frequenzen F_O1 und F_O2 aufweist, die einen Frequenzabstand mit der Frequenz F_LO haben und die bezüglich der Frequenz um die Frequenz F_O zentriert sind.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das optische Signal durch Synchronisieren der Lichtquellen mit den Frequenzen F_O1 und F_O2 auf zwei Hohlraum-Betriebsarten von einem optischen Referenz-Resonanzhohlraum stabilisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Mischabschnitt der Mischelementeinrichtung eine Dicke t hat, die kleiner ist als t_m = v_n/F_LO, wobei v_n die maximale Elektronendriftgeschwindigkeit der Halbleitermaterialien in dem Mischabschnitt ist, und die durchschnittliche Dotierungskonzentration d größer als d_m = (2ε_sV_bi)/qt_m ² ist, wobei ε_s die Dielektrizitätskonstante der Halbleitermaterialien in dem Mischabschnitt, V_bi das innere Potential von dem Schottky-Übergang und q die elektrische Ladung eines Elektrons ist.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die optische Gesamtleistung, die durch die Mischerelementeinrichtung von dem optischen Signal mit der Frequenz F_O absorbiert wird, erhöht wird, indem die Mischerelementeinrichtung in einem optischen Anreicherungsresonanzhohlraum angeordnet wird.