EP4457561A1 - Elektrooptischer mischer - Google Patents

Elektrooptischer mischer

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Publication number
EP4457561A1
EP4457561A1 EP23703171.1A EP23703171A EP4457561A1 EP 4457561 A1 EP4457561 A1 EP 4457561A1 EP 23703171 A EP23703171 A EP 23703171A EP 4457561 A1 EP4457561 A1 EP 4457561A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electro
optical mixer
matching network
mixer according
photodiode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23703171.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Kruse
Johann Christoph Scheytt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Paderborn
Original Assignee
Universitaet Paderborn
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Paderborn filed Critical Universitaet Paderborn
Publication of EP4457561A1 publication Critical patent/EP4457561A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0121—Operation of devices; Circuit arrangements, not otherwise provided for in this subclass
    • G02F1/0123—Circuits for the control or stabilisation of the bias voltage, e.g. automatic bias control [ABC] feedback loops
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/212—Mach-Zehnder type
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/08—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements
    • H03F1/083—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements in transistor amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/04—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
    • H03F3/08—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light
    • H03F3/087—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light with IC amplifier blocks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/66—Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H04B10/67—Optical arrangements in the receiver

Definitions

  • the invention relates to an electro-optical mixer.
  • optical data is sent over long distances using glass fibers.
  • Glass fibers are also used in the radar area to distribute the local oscillator signal (LO).
  • LO local oscillator signal
  • the optical signal In order to send the data or the radar signal wirelessly, the optical signal has to be converted into an electrical signal before it is upconverted.
  • Optical signals are converted into electrical signals using transimpedance amplifiers (TIA). Up-conversion to the desired RF band is then performed using an electrical mixer.
  • TIA transimpedance amplifiers
  • the output signal of the TIA can then be pre-processed using a DC-balanced buffer and a variable gain amplifier (VGA) before this signal is multiplied by another signal using a mixer.
  • VGA variable gain amplifier
  • FIG. 1 A block diagram representing the closest prior art is shown in FIG.
  • an optical signal is routed from a switching center CO via a fiber to an optical baseband receiver BPR and pre-processed there (via exemplary processing using a photodiode, transimpedance amplifier, DC-balanced buffer and a variable gain amplifier (VGA)) and then in an electrical Stage TX mixed up to the desired RF band by means of a mixer (and another signal).
  • the optical baseband receiver BPR and the electrical stage TX are made available, for example, on a BICMOS integrated circuit. In this case, both the transimpedance amplifier and the electrical mixer increase the complexity of the overall system.
  • the transimpedance amplifier requires a separate chip area of the order of approx. 0.25 mm 2 , which increases the costs of such a system.
  • each individual component has a certain bandwidth.
  • the bandwidth of the overall system is determined by the bandwidth of the individual components and thereby by the component with the lowest bandwidth.
  • a separate TIA must be used to minimize the influence of parasitic capacitance. This TIA creates additional noise.
  • transimpedance amplifier as a separate component increases the risk of failure of the entire system.
  • This Channel Select Filter is based on passive components.
  • the (passive) components require a great deal of chip area, which means that the costs for the system rise sharply.
  • MZMs Mach-Zehnder Modulator
  • an optical input signal from a laser diode LD is routed to a Mach-Zehnder modulator MZM.
  • the output signal of the Mach-Zehnder modulator MZM is again optical and must first be converted into an electrical signal by means of a photodiode PD.
  • This electrical signal is then a current signal.
  • this current signal must be converted into a voltage signal in a transimpedance amplifier.
  • Mach-Zehnder modulators require a large area and very high control voltages, this solution is disadvantageous for integrated circuits and, in particular, extremely scaled technologies.
  • voltages in the range of 2-3V are required to control a Mach-Zehnder modulator.
  • this voltage range can already lead to failure of the driver components.
  • driver components in turn increase the noise of the mixer.
  • the MZM requires several square millimeters of chip area, which in turn increases the overall price of the system.
  • MZM only have a bandwidth in the ⁇ 30 GHz range, which makes this solution unsuitable for HF applications.
  • the supply voltage can be switched off.
  • Another alternative would be to use an analog latch to freeze the signals in a DC state after the transimpedance amplifier.
  • analog latches are very expensive in the mm-wave range, which would greatly increase the cost of the system.
  • the matching network is only designed as a bandpass filter, so that it is generally not possible to select different frequency bands.
  • the electro-optical mixer 1 has at least one photodiode PD for converting an incident optical signal.
  • the electro-optical mixer 1 has at least one first connection and at least one second connection, a first voltage supply Vi being connected to the first connection/the respective first connections (each) and a first voltage supply Vi to the second connection/the/the respective second connections (each).
  • second power supply V 2 can be connected.
  • a first power supply 11 can be connected to the first connection/the respective first connections (each) and a second power supply 12 can be connected to the second connection/the/the respective second connections (each).
  • the electro-optical mixer 1 also has at least one connection for a small-signal ground potential for the first voltage supply Vi and the second voltage supply V 2 .
  • the small-signal ground potential can be any potential, but in particular also the ground potential of the entire circuit.
  • the electro-optical mixer 1 has a first partial matching network - represented by Z 2 , Z 4 - which is arranged on the anode side of the photodiode PD, with part of the first partial matching network - here Z 2 - being switchable with the connection for the second voltage supply V 2 can be connected by means of switch S 2 , and wherein another part of the first partial matching network - here Z4 - can be connected to the connection for the small-signal ground potential in a switchable manner by means of switch S 2 '.
  • the electro-optical mixer 1 has a second partial matching network - represented by Zi, Z3 - which is arranged on the cathode side of the photodiode PD, with a part of the second Sub-matching network - here Zi - can be connected to the connection for the first voltage supply Vi in a switchable manner by means of a switch Si, and another part of the second sub-matching network - here Z3 - can be connected to the connection for the small-signal ground potential by means of a switch Si'.
  • a second partial matching network - represented by Zi, Z3 - which is arranged on the cathode side of the photodiode PD, with a part of the second Sub-matching network - here Zi - can be connected to the connection for the first voltage supply Vi in a switchable manner by means of a switch Si, and another part of the second sub-matching network - here Z3 - can be connected to the connection for the small-signal ground potential by means of a switch Si'.
  • Matching networks are to be seen as impedance matching, i.e. an AC voltage separation through a sole capacitor (as a decoupling element) is not to be understood as a matching network.
  • the electro-optical mixer 1 further comprises a first decoupling element Ci, which is arranged on the cathode side of the photodiode PD, and a second decoupling element C 2 , which is arranged on the anode side of the photodiode PD.
  • the first decoupling element Ci and the second decoupling element C 2 in turn have an inductive and/or resistive character and/or a capacitive character.
  • an electrical output signal can then be provided between the sides of the first decoupling element Ci and of the second decoupling element C 2 that are remote from the photodiode PD.
  • the electrical output signal is one at a time
  • Transimpedance amplifier TlAi, TIA 2 supplied.
  • the switches Si, S2, Si′, S2′ are designed as any switching element, but in particular as semiconductor switches, for example as transistors.
  • the circuit can operate as an optical receiver.
  • the electro-optical mixer can be deactivated by means of the switches Si, S2, Si′, S2′.
  • the switching positions of the switches Si, S2, Si', S2' can be controlled by any signal, in particular by an optical signal and/or by an electrical signal and/or by a mechanical signal.
  • the system is implemented in semiconductor technology, e.g.
  • the system can also be implemented with discrete components.
  • the electro-optical mixer can obviously also be partially integrated and, for example, have individual elements as discrete components.
  • the system can work with any polarized light.
  • the system can work with purely TE-polarized light or with purely TM-polarized light.
  • the system can also work with purely TE-polarized light and with purely TM-polarized light and thus provide processing for polarization multiplexing, for example.
  • the optical signal RF is detected in the photodiode PD and converted into an electrical signal.
  • the first sub-matching network and the second sub-matching network decouple the electrical signal and generate or select the frequency band through the impedance matching, which is provided by the first sub-matching network and the second sub-matching network.
  • the impedances Zi In the example in FIG. 3, the impedances Zi .
  • the channel/frequency band can be selected by varying the voltages Vi, V 2 or currents , h, since the matching network is formed from the first partial matching network and becomes resonant for (other frequencies) in the second partial matching network in interaction with the impedances of the photodiode PD.
  • the actual mixing process is provided in the H-bridge consisting of Si, S 2 , Si', S 2 ', Zi, Z 2 , Z 3 , Z4 and PD.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the invention.
  • the passive core remains as in Figure 3.
  • broadband signals can also be detected if the capacitances are very large, ie if Ci, C2 ->", and the impedances Zi, Z 2 , Z 3 , Z4 (eg inductances) have been selected appropriately.
  • the currents can be converted into voltages using the transimpedance amplifiers TlAi and TIA2. If, on the other hand, power is desired at the output, the voltages can be transformed into power at a specific impedance by means of optional matching networks (at the outputs of the transimpedance amplifiers TlAi and TIA2). Furthermore, the system is not limited to just two TIAs transimpedance amplifiers. Any number of TIAS sensitive to different frequencies can be used. After selecting the appropriate transimpedance amplifier, a channel selection can then take place.
  • the embodiments according to FIG. 4 permit both broadband and narrowband operation.
  • the embodiments presented here use an H-bridge in contrast to Gilbert cells or non-linearized components.
  • the systems can be implemented as a broadband system or with channel selection.
  • the system also offers the option of being deactivated.
  • the electro-optical mixer of the invention comprises an H-bridge which allows an optical signal to be multiplied by an electrical signal directly, without the presence of a transimpedance amplifier.
  • the electro-optical mixer of the invention consumes less power, with less complexity and less noise.
  • the chip area is also reduced by the size of the TIA or the Mach-Zehnder modulator.
  • the bandwidth can be adjusted by using appropriate partial matching networks.
  • the bandwidth can also be influenced by the semiconductor technology used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Mischer (1) mit elektrischem Ausgang, aufweisend: - eine Photodiode (PD), zur Wandlung eines einfallenden optischen Signales, - einen ersten und einen zweiten Anschlüsse, - wobei an den ersten Anschluss eine erste Spannungsversorgung (V1) und an den zweiten Anschluss eine zweite Spannungsversorgung (V2) oder aber an den ersten Anschluss eine erste Stromversorgung (I1) und an den zweiten Anschluss eine zweite Stromversorgung (I2) anschließbar ist, - einen Anschluss für ein Kleinsignal-Massepotential für die erste Spannungsversorgung (V1) und die zweite Spannungsversorgung (V2) - ein erstes Teilanpassungsnetzwerk (Z2, Z4), welches auf der Anodenseite der Photodiode (PD) angeordnet ist, wobei ein Teil des ersten Teilanpassungsnetzwerkes (Z2) mit dem Anschluss für die zweite Spannungsversorgung (V2) schaltbar (S2) verbindbar ist, und wobei ein anderer Teil des ersten Teilanpassungsnetzwerkes (Z4) mit dem Anschluss für das Kleinsignal-Massepotential schaltbar (S2') verbindbar ist, - ein zweites Teilanpassungsnetzwerk (Z1, Z3), welches auf der Kathodenseite der Photodiode (PD) angeordnet ist, wobei ein Teil des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes (Z1) mit dem Anschluss für die erste Spannungsversorgung (V1) schaltbar (S1) verbindbar ist, und wobei ein anderer Teil des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes (Z3) mit dem Anschluss für das Kleinsignal-Massepotential schaltbar (S1') verbindbar ist, - wobei die Elemente des ersten Teilanpassungsnetzwerkes (Z2, Z4) und des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes (Z1, Z3) induktiven und/oder resistiven Charakter und/oder kapazitiven Charakter aufweisen, - ein erstes entkoppelndes Element (C1), welches auf der Kathodenseite der Photodiode (PD) angeordnet ist, - ein zweites entkoppelndes Element (C2), welches auf der Anodenseite der Photodiode (PD) angeordnet ist, - wobei das erste entkoppelnde Element (C1) und das zweite entkoppelnde Element (C2) induktiven und/oder resistiven Charakter und/oder kapazitiven Charakter aufweisen, - wobei zwischen den von der Photodiode (PD) abgewandten Seiten des ersten entkoppelnden Elementes (C1) und des zweiten entkoppelnden Elementes (C2) im Betrieb ein elektrisches Ausgangssignal bereitgestellt werden kann.

Description

Elektrooptischer Mischer
Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Mischer.
Hintergrund
In vielen Anwendungsfällen werden optische Daten mittels Glasfasern über weite Strecken versendet. Ebenfalls werden im Radarbereich Glasfasern zur Verteilung des Lokaloszillatorsignals (LO) verwendet.
Um die Daten bzw. das Radarsignal drahtlos zu verschicken, muss das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, bevor es hochgemischt wird.
Die Umwandlung von optischen Signalen in elektrische Signale erfolgt mittels Transimpedanzverstärker (TIA). Das Hochmischen auf das gewünschte RF-Band erfolgt dann mittels eines elektrischen Mischers.
Das Ausganssignal des TIAs kann dann noch mittels eines DC-balancierten Buffers und eines Variable Gain Amplifiers (VGA) vorverarbeitet werden, bevor dieses Signal, mittels eines Mischers, mit einem anderen Signal multipliziert wird.
Ein Blockschaltbild, welches den naheliegendsten Stand der Technik abbildet, ist in Figur 1 dargestellt. Dort wird von einer Vermittlungsstelle CO ein optisches Signal über eine Faser an einen optischen Basisbandempfänger BPR geführt und dort (über eine beispielhafte Verarbeitung mittels einer Photodiode, Transimpedanzverstärker, DC-balancierten Buffers und eines Variable Gain Amplifiers (VGA)) vorverarbeitet und dann in einer elektrischen Stufe TX mittels eines Mischers (und eines weiteren Signals) auf das gewünschte RF-Band hochgemischt. Dabei werden der optische Basisbandempfänger BPR als auch die elektrische Stufe TX z.B. auf einem BICMOS integrierten Schaltkreis zur Verfügung gestellt. Hierbei erhöhen sowohl der Transimpedanzverstärker als auch der elektrische Mischer die Komplexität des Gesamtsystems.
Zudem benötigt der Transimpedanzverstärker separate Chipfläche in der Größenordnung von ca. 0.25 mm2, wodurch die Kosten eines solchen Systems ansteigen.
Zudem besitzt jede Einzelkomponente eine gewisse Bandbreite. Durch Verschaltung der beiden Komponenten wird die Bandbreite des Gesamtsystems durch die Bandbreite der einzelnen Komponenten und dabei durch die Komponente mit der geringsten Bandbreite, bestimmt. Um optische Signale hoher Frequenz zu detektieren, muss ein separater TIA verwendet werden um den Einfluss der parasitären Kapazität zu minimieren. Dieser TIA erzeugt zusätzliches Rauschen.
Ferner generieren die Bauelemente Verlustleistung, welche den Wirkungsgrad des Systems verschlechtern. Daher eignet sich diese Lösung nicht für den Einsatz in Low-Power-Anwendungen oder akkubetriebenen Systemen.
Ebenso ist festzustellen, dass die Bereitstellung eines Transimpedanzverstärkers als separates Bauelement das Risiko des Ausfalls des gesamten Systems erhöht.
In einigen Anwendungsfällen kann es nötig sein, dass nur ein gewisses Frequenzband aus dem beliebig breiten optischen Signal genutzt werden soll. Dies wird in der Regel mit einem Filter hinter dem TIA realisiert. Dieser Kanalauswahlfilter (Channel Select Filter) basiert auf passiven Bauelementen.
Da reale passive Bauelemente immer einen parasitären Widerstand besitzen, steigt das Rauschen enorm an.
Ferner benötigen die (passiven) Bauelemente sehr viel Chipfläche wodurch die Kosten für das System stark ansteigen. In einigen Anwendungsfällen kann es nötig sein, dass eine einzelne Einheit abgeschaltet wird, während auf der Faser ein Daten- und / oder Takt-Signal weiterhin an andere Systeme weitergeleitet wird.
Um dies zu implementieren, können verschiedene Techniken genutzt werden.
Durch Verwendung eines Mach-Zehnder-Modulators (MZMs) vor einer Photodiode, kann individuell die optische Leistung an der Photodiode zu null gesetzt werden. Ein solcher Ansatz ist in Figur 2 gezeigt.
Dort wird ein optisches Eingangssignal einer Laserdiode LD auf einen Mach-Zehnder-Modulator MZM geführt. Das Ausgangssignal des Mach-Zehnder-Modulators MZM ist wiederum optisch und muss erst mittels einer Photodiode PD in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Dieses elektrische Signal ist dann ein Stromsignal. Für eine weitere Verarbeitung muss dieses Stromsignal noch in einem Transimpedanzverstärker in ein Spannungssignal überführt werden.
Da Mach-Zehnder-Modulatoren sehr viel Fläche und sehr hohe Steuerspannungen benötigen, ist diese Lösung für integrierte Schaltungen und insbesondere extrem skalierte Technologien nachteilig.
So werden zum Ansteuern eines Mach-Zehnder-Modulators Spannungen im Bereich von 2-3V benötigt. Dieser Spannungsbereich kann für moderne Transistoren mit Abmessungen im Nanometer- Bereich schon zum Ausfall der Treiberkomponenten führen.
Ferner erhöhen diese Treiberkomponenten wiederum das Rauschen des Mischers.
Des Weiteren benötigt der MZM mehrere Quadratmillimeter Chipfläche, die wiederum den Gesamtpreis des Systems erhöhen.
Letztlich besitzen MZM nur eine Bandbreite im Bereich <30 GHz, wodurch diese Lösung ungeeignet für HF-Anwendungen ist. Als Alternative zu Mach-Zehnder-Modulatoren kann man die Versorgungsspannung ausschalten.
Diese Technik weist jedoch den Nachteil auf, dass durch die entsprechenden Schalttransistoren hohe Ströme fließen müssten. Um die entsprechende Verlustleistung in den Transistoren auszugleichen, wären Kühlkapazitäten einzuplanen, die die Komplexität des Systems enorm ansteigen ließen.
Als noch eine weitere Alternative bestünde die Möglichkeit mit einem analogen Latch die Signale nach dem Transimpedanzverstärker in einem DC-Zustand einzufrieren.
Analoge Latches sind allerdings im mm-Wellen Bereich sehr teuer, wodurch die Kosten für das System stark ansteigen würden.
Weiterhin ist bei den bekannten Systemen - soweit vorhanden - das Anpassungsnetzwerk nur als Bandpass ausgelegt, sodass es in aller Regel nicht möglich ist verschiedene Frequenzbänder auszuwählen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung eine Lösung anzugeben, die ein oder mehrere Probleme aus dem Stand der Technik vermeidet.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen elektrooptischen Mischer mit elektrischem Ausgang gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsform gemäß Stand der Technik,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform gemäß Stand der Technik, Fig. 3 eine schematische Darstellung von Ausführungsformen der Erfindung,
Fig. 4 eine weitere schematische Darstellung von weiteren Ausführungsformen der Erfindung.
Ausführliche Darstellung der Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter "ein", "eine" und "eines" nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.
Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/- 10 %.
Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - auch zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen. In den Figuren 3 und 4 ist ein elektrooptischer Mischer 1 mit elektrischem Ausgang gemäß Ausführungsformen der Erfindung gezeigt.
Der elektrooptische Mischer 1 weist mindestens eine Photodiode PD zur Wandlung eines einfallenden optischen Signales auf.
Weiterhin weist der elektrooptische Mischer 1 mindestens einen ersten Anschluss und mindestens einen zweiten Anschluss auf, wobei an den ersten Anschluss / die jeweiligen ersten Anschlüsse (jeweils) eine erste Spannungsversorgung Vi und an den zweiten Anschluss / die / die jeweiligen zweiten Anschlüsse (jeweils) eine zweite Spannungsversorgung V2 anschließbar ist.
Alternativ hierzu kann an den ersten Anschluss / die jeweiligen ersten Anschlüsse (jeweils) eine erste Stromversorgung li und an den zweiten Anschluss / die / die jeweiligen zweiten Anschlüsse (jeweils) eine zweite Stromversorgung l2 anschließbar sein.
Der elektrooptische Mischer 1 weist zudem mindestens einen Anschluss für ein Kleinsignal- Massepotential für die erste Spannungsversorgung Vi und die zweite Spannungsversorgung V2 auf. Das Kleinsignal-Massepotential kann ein beliebiges Potential, insbesondere aber auch das Massepotential der Gesamtschaltung, sein.
Der elektrooptische Mischer 1 weist ein erstes Teilanpassungsnetzwerk - dargestellt durch Z2, Z4 - auf, welches auf der Anodenseite der Photodiode PD angeordnet ist, wobei ein Teil des ersten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z2 - mit dem Anschluss für die zweite Spannungsversorgung V2 schaltbar mittels Schalter S2 verbindbar ist, und wobei ein anderer Teil des ersten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z4 - mit dem Anschluss für das Kleinsignal-Massepotential schaltbar mittels Schalter S2' verbindbar ist.
Der elektrooptische Mischer 1 weist ein zweites Teilanpassungsnetzwerk - dargestellt durch Zi, Z3 - auf, welches auf der Kathodenseite der Photodiode PD angeordnet ist, wobei ein Teil des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Zi - mit dem Anschluss für die erste Spannungsversorgung Vi schaltbar mittels Schalter Si verbindbar ist, und wobei ein anderer Teil des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z3 - mit dem Anschluss für das Kleinsignal-Massepotential mittels Schalter schaltbar Si' verbindbar ist.
Anpassungsnetzwerke sind dabei als Impedanz-Anpassung zu versehen, d.h. eine Wechselspannungstrennung durch einen alleinigen Kondensator (als entkoppelndes Element) ist nicht als Anpassungsnetzwerk zu verstehen.
Dabei weisen die Elemente des ersten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z2, Z4 - und des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Zi, Z3 - induktiven und/oder resistiven Charakter und/oder kapazitiven Charakter auf.
Der elektrooptische Mischer 1 weist weiterhin ein erstes entkoppelndes Element Ci auf, welches auf der Kathodenseite der Photodiode PD angeordnet ist, und ein zweites entkoppelndes Element C2, welches auf der Anodenseite der Photodiode PD angeordnet ist.
Das erste entkoppelnde Element Ci und das zweite entkoppelnde Element C2 weisen wiederum induktiven und/oder resistiven Charakter und/oder kapazitiven Charakter auf.
Zwischen den von der Photodiode PD abgewandten Seiten des ersten entkoppelnden Elementes Ci und des zweiten entkoppelnden Elementes C2 kann dann im Betrieb ein elektrisches Ausgangssignal bereitgestellt werden.
Mit der vorgestellten Anordnung kann eine einfache, platzsparenden, frequenzeinstellbare Lösung bereitgestellt werden, die zudem abschaltbar ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das elektrische Ausgangssignal jeweils einem
Transimpedanzverstärker TlAi, TIA2 zugeführt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Schalter Si, S2, Si', S2' als beliebiges schaltendes Element, insbesondere jedoch als Halbleiterschalter, z.B. als Transistoren, ausgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann bei geeigneter Schalterwahl die Schaltung als optischer Empfänger arbeiten.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung kann mittels der Schalter Si, S2, Si', S2' der elektrooptische Mischer deaktiviert werden.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung können die Schaltpositionen der Schalter Si, S2, Si', S2' durch ein beliebiges Signal, insbesondere durch ein optisches Signal und/oder durch ein elektrisches Signal und/oder durch ein mechanisches Signal, angesteuert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Elemente des ersten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z2, Z4 - und des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Zi, Z3 - induktiven Charakter auf, wobei der induktive Charakter durch Spulen und/oder durch Leitungen bereitgestellt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Elemente des ersten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Z2, Z4 - und des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes - hier Zi, Z3- alternativ oder zusätzlich kapazitiven Charakter auf, wobei der kapazitive Charakter durch Kondensatoren und/oder Leitungen bereitgestellt wird.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung ist das System in Halbleitertechnologie, z.B.
BiCMOS, implementiert.
Dabei kann das System aber auch mit diskreten Bauteilen implementiert sein. Offensichtlich kann aber der elektrooptische Mischer auch teilintegriert sein und z.B. einzelne Elemente als diskrete Bauteile aufweisen.
In allen Ausführungsformen kann es vorgesehen sein, dass das System mit beliebig polarisiertem Licht arbeiten kann. Insbesondere kann das System mit rein TE-polarisiertem Licht oder mit rein TM- polarisiertem Licht arbeiten. Ebenso kann das System auch mit rein TE-polarisiertem Licht und mit rein TM-polarisiertem Licht arbeiten und so z.B. die Verarbeitung für eine Polarisationsmultiplexing bereitstellen.
In der beispielhaften Ausgestaltung der Figur 3 wird das optische Signal RF in der Photodiode PD detektiert und in ein elektrisches Signal gewandelt. Das erste Teilanpassungsnetzwerk und das zweite Teilanpassungsnetzwerk koppeln das elektrische Signal aus und erzeugen bzw. wählen durch die Impedanzanpassung, welche durch das erste Teilanpassungsnetzwerk und das zweite Teilanpassungsnetzwerk bereitgestellt wird, das Frequenzband aus.
Im Beispiel der Figur 3 sind die Impedanzen Zi ... Z4 durch Induktivitäten gebildet, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein, sondern die Implementierung der Impedanzen Zi ... Z4 ist nicht auf Spulen und Kondensatoren beschränkt, auch andere passive Bauelemente können genutzt werden.
Dadurch, dass die Anoden- und Kathodenimpedanz der Photodiode PD vom Arbeitspunkt abhängen, kann man durch Variieren der Spannungen Vi, V2 bzw. Ströme , h den Kanal / das Frequenzband auswählen, da für jeweils andere Spannungen das Anpassungsnetzwerk gebildet aus dem ersten Teilanpassungsnetzwerk und dem zweiten Teilanpassungsnetzwerk im Zusammenspiel mit den Impedanzen der Photodiode PD für (andere Frequenzen) resonant wird.
Der eigentliche Mischvorgang wird in der H-Brücke bestehend aus Si, S2, Si', S2', Zi, Z2, Z3, Z4 und PD bereitgestellt.
Für den Fall, dass die Spannungsversorgungen Vi und V2 jeweils eine von Null verschiedene Spannung (gegenüber dem Kleinsignal-Masse-Potential) zur Verfügung stellen, die betragsmäßig größer ist, kann man nun folgendes beobachten: Wenn die Schalter Si und Si' geschlossen und die übrigen Schalter geöffnet sind befindet sich die Photodiode PD in Sperrrichtung und der Dunkelstrom zzgl. des Photostroms wird detektiert.
Wenn hingegen die Schalter S2 und S2' geschlossen und die übrigen Schalter geöffnet sind, befindet sich die Diode im Vorwärtsbetrieb und der Strom wird durch den Diodenstrom dominiert, wodurch der Photostrom nicht mehr detektierbar ist.
Sind hingegen die Schalter Si' und S2' geschlossen und die übrigen Schalter geöffnet, sinkt die Bandbreite der Photodiode PD, sodass nur noch niederfrequente Signale detektierbar sind.
Sind hingegen die Schalter S2 und S2' (dauerhaft) geschlossen und die übrigen Schalter geöffnet, ist Iphoto« Idiode. In diesen Fall ist der Mischer 1 ausgeschaltet.
Offensichtlich gelten diese Ausführungen sinngemäß auch für positive Ströme li, l2 die jeweils von Null verschieden sind.
Es sei angemerkt, dass natürlich für den Fall, dass die Spannungsversorgungen VI und V2 jeweils eine von Null verschiedene Spannung (gegenüber dem Kleinsignal-Masse-Potential) zur Verfügung stellen, die kleiner ist, die vorgenannte Darstellung gleichfalls gültig ist, wobei die Indices zu tauschen sind. Offensichtlich gelten diese Ausführungen sinngemäß auch für negative Ströme li, l2 die jeweils von Null verschieden sind.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dabei bleibt der passive Kern wie in Figur 3 erhalten. Allerdings können für den Fall, dass die Kapazitäten sehr groß sind, d.h. wenn Ci, C2 -> ", und die Impedanzen Zi, Z2, Z3, Z4 (z.B. Induktivitäten) passend gewählt wurden, auch breitbandige Signale detektiert werden.
Die Ströme können dabei mittels derTransimpedanzverstärkerTlAi und TIA2 in Spannungen überführt werden. Sollten hingegen Leistungen am Ausgang gewünscht sein, können durch optionale Anpassungsnetzwerke (an den Ausgängen der Transimpedanzverstärker TlAi und TIA2) die Spannungen in Leistungen bei einer bestimmten Impedanz transformiert werden. Ferner ist das System nicht nur auf zwei TIAs Transimpedanzverstärker beschränkt. Es können beliebig viele TIAS verwendet werden, die für verschiedene Frequenzen empfindlich sind. Nach Auswahl des entsprechenden Transimpedanzverstärkers kann dann eine Kanalauswahl stattfinden.
Die Ausführungsformen gemäß der Figur 4 erlauben sowohl einen breitbandigen wie auch einen schmalbandigen Betrieb.
Die hier vorgestellten Ausführungsformen nutzen im Gegensatz zu Gilbert-Zellen oder nicht linearisierten Bauelementen eine H-Brücke. Ferner können die Systeme als Breitbandsystem oder mit Kanalauswahl implementiert werden. Zudem bietet das System die Möglichkeit der Deaktivierbarkeit.
Der elektrooptische Mischer der Erfindung weist ein H-Brücke auf, die es ermöglicht ein optisches Signal mit einem elektrischen Signal direkt zu multiplizieren, ohne die Anwesenheit eines Transimpedanzverstärkers. Der elektrooptische Mischer der Erfindung verbraucht weniger Leistung, bei geringerer Komplexität und geringerem Rauschen. Die Chipfläche wird ebenfalls um die Größe des TIAs bzw. des Mach-Zehnder-Modulators verkleinert. Durch Verwendung entsprechender Teilanpassungsnetzwerke kann die Bandbreite eingestellt werden. Ebenso kann durch die verwendete Halbleitertechnologie die Bandbreite beeinflusst werden.
Falls Transistoren als Schalter Si, S2, Si', S2', eingesetzt werden, sollte es ausreichend sein, dass die Spannung im Vergleich zum Mach-Zehnder-Modulator nur eine Spannung von >3UT (=75mV) erreichen, welches deutlich niedriger ist als 2-3V.

Claims

Ansprüche trooptischer Mischer (1) mit elektrischem Ausgang, aufweisend:
• eine Photodiode (PD), zur Wandlung eines einfallenden optischen Signales,
• einen ersten Anschluss,
• einen zweiten Anschluss,
• wobei an den ersten Anschluss eine erste Spannungsversorgung (Vi) und an den zweiten Anschluss eine zweite Spannungsversorgung (V2) oder aber an den ersten Anschluss eine erste Stromversorgung (k) und an den zweiten Anschluss eine zweite Stromversorgung (l2) anschließbar ist,
• einen Anschluss für ein Kleinsignal-Massepotential für die erste Spannungsversorgung (Vi) und die zweite Spannungsversorgung (V2)
• ein erstes Teilanpassungsnetzwerk (Z2, Z4), welches auf der Anodenseite der Photodiode (PD) angeordnet ist, wobei ein Teil des ersten Teilanpassungsnetzwerkes (Z2) mit dem Anschluss für die zweite Spannungsversorgung (V2) schaltbar (S2) verbindbar ist, und wobei ein anderer Teil des ersten Teilanpassungsnetzwerkes (Z4) mit dem Anschluss für das Kleinsignal-Massepotential schaltbar (S/) verbindbar ist,
• ein zweites Teilanpassungsnetzwerk (Zi, Z3), welches auf der Kathodenseite der Photodiode (PD) angeordnet ist, wobei ein Teil des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes (Zi) mit dem Anschluss für die erste Spannungsversorgung (Vi) schaltbar (Si) verbindbar ist, und wobei ein anderer Teil des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes (Z3) mit dem Anschluss für das Kleinsignal-Massepotential schaltbar (Si') verbindbar ist,
• wobei die Elemente des ersten Teilanpassungsnetzwerkes (Z2, Z4) und des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes (Zi, Z3) induktiven und/oder resistiven Charakter und/oder kapazitiven Charakter aufweisen,
• ein erstes kapazitives Element (Ci), welches auf der Kathodenseite der Photodiode (PD) angeordnet ist,
• ein zweites kapazitives Element (C2), welches auf der Anodenseite der Photodiode (PD) angeordnet ist, • wobei das erste entkoppelnde Element (Ci) und das zweite entkoppelnde Element (C2) induktiven und/oder resistiven Charakter und/oder kapazitiven Charakter aufweisen,
• wobei zwischen den von der Photodiode (PD) abgewandten Seiten des ersten entkoppelnden Elementes (C und des zweiten entkoppelnden Elementes (C2) im Betrieb ein elektrisches Ausgangssignal bereitgestellt werden kann.
2. Elektrooptischer Mischer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Ausgangssignal jeweils einem Transimpedanzverstärker (TlAi, TI A2) zugeführt wird.
3. Elektrooptischer Mischer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Si, S2, Si', S2') als beliebiges schaltendes Element ausgeführt sind.
4. Elektrooptischer Mischer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Si, S2, Si', S2') als Halbleiterschalter ausgeführt sind.
5. Elektrooptischer Mischer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei geeigneter Schalterwahl die Schaltung als optischer Empfänger arbeiten kann.
6. Elektrooptischer Mischer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schalter (Si, S2, Si', S2') der elektrooptische Mischer deaktivierbar ist.
7. Elektrooptischer Mischer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltpositionen der Schalter (Si, S2, S , S2') durch ein beliebiges Signal ansteuerbar sind.
8. Elektrooptischer Mischer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltpositionen der Schalter (Si, S2, Si', S2') durch ein optisches Signal und/oder durch ein elektrisches Signal und/oder durch ein mechanisches Signal ansteuerbar sind.
9. Elektrooptischer Mischer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente des ersten Teilanpassungsnetzwerkes (Z2, Z4) und des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes (Zi, Z3) induktiven Charakter aufweisen, wobei der induktive Charakter durch Spulen und/oder durch Leitungen bereitgestellt wird.
10. Elektrooptischer Mischer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente des ersten Teilanpassungsnetzwerkes (Z2, Z4) und des zweiten Teilanpassungsnetzwerkes (Zi, Za) kapazitiven Charakter aufweisen, wobei der kapazitive Charakter durch Kondensatoren und/oder Leitungen bereitgestellt wird.
11. Elektrooptischer Mischer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System in Halbleitertechnologie implementiert ist.
12. Elektrooptischer Mischer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System mit diskreten Bauteilen implementiert ist.
13. Elektrooptischer Mischer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System mit beliebig polarisiertem Licht arbeiten kann.
14. Elektrooptischer Mischer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System mit rein TE-polarisiertem Licht und/oder mit rein TM- polarisiertem Licht arbeiten kann.
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