EP4457561A1 - Electro-optical mixer - Google Patents
Electro-optical mixerInfo
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- 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
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- EP
- European Patent Office
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- electro
- optical mixer
- matching network
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- photodiode
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- Pending
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Classifications
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-
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- 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
Description
Elektrooptischer Mischer Electro-optical mixer
Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Mischer. The invention relates to an electro-optical mixer.
Hintergrund background
In vielen Anwendungsfällen werden optische Daten mittels Glasfasern über weite Strecken versendet. Ebenfalls werden im Radarbereich Glasfasern zur Verteilung des Lokaloszillatorsignals (LO) verwendet. In many applications, 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).
Um die Daten bzw. das Radarsignal drahtlos zu verschicken, muss das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, bevor es hochgemischt wird. 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.
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. 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.
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. 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.
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. A block diagram representing the closest prior art is shown in FIG. There, 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.
Zudem benötigt der Transimpedanzverstärker separate Chipfläche in der Größenordnung von ca. 0.25 mm2, wodurch die Kosten eines solchen Systems ansteigen. In addition, 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.
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. In addition, each individual component has a certain bandwidth. By interconnecting the two components, the bandwidth of the overall system is determined by the bandwidth of the individual components and thereby by the component with the lowest bandwidth. To detect high frequency optical signals, a separate TIA must be used to minimize the influence of parasitic capacitance. This TIA creates additional noise.
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. Furthermore, the components generate power loss, which impairs the efficiency of the system. Therefore, this solution is not suitable for use in low-power applications or battery-powered systems.
Ebenso ist festzustellen, dass die Bereitstellung eines Transimpedanzverstärkers als separates Bauelement das Risiko des Ausfalls des gesamten Systems erhöht. It is also noted that providing a transimpedance amplifier as a separate component increases the risk of failure of the entire system.
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. In some applications it may be necessary to use only a certain frequency band from the optical signal of any width. This is usually implemented with a filter behind the TIA. This Channel Select Filter is based on passive components.
Da reale passive Bauelemente immer einen parasitären Widerstand besitzen, steigt das Rauschen enorm an. Since real passive components always have a parasitic resistance, the noise increases enormously.
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. Furthermore, the (passive) components require a great deal of chip area, which means that the costs for the system rise sharply. In some applications it may be necessary for a single unit to be switched off while a data and/or clock signal continues to be forwarded on the fiber to other systems.
Um dies zu implementieren, können verschiedene Techniken genutzt werden. Various techniques can be used to implement this.
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. By using a Mach-Zehnder Modulator (MZMs) in front of a photodiode, the optical power at the photodiode can be set to zero individually. Such an approach is shown in FIG.
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. There, 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. For further processing, this current signal must be converted into a voltage signal in a transimpedance amplifier.
Da Mach-Zehnder-Modulatoren sehr viel Fläche und sehr hohe Steuerspannungen benötigen, ist diese Lösung für integrierte Schaltungen und insbesondere extrem skalierte Technologien nachteilig. Since 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.
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. For example, voltages in the range of 2-3V are required to control a Mach-Zehnder modulator. For modern transistors with dimensions in the nanometer range, this voltage range can already lead to failure of the driver components.
Ferner erhöhen diese Treiberkomponenten wiederum das Rauschen des Mischers. Furthermore, these driver components in turn increase the noise of the mixer.
Des Weiteren benötigt der MZM mehrere Quadratmillimeter Chipfläche, die wiederum den Gesamtpreis des Systems erhöhen. Furthermore, the MZM requires several square millimeters of chip area, which in turn increases the overall price of the system.
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. Ultimately, MZM only have a bandwidth in the <30 GHz range, which makes this solution unsuitable for HF applications. As an alternative to Mach-Zehnder modulators, the supply voltage can be switched off.
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. However, this technique has the disadvantage that high currents would have to flow through the corresponding switching transistors. In order to compensate for the corresponding power loss in the transistors, cooling capacities would have to be planned, which would increase the complexity of the system enormously.
Als noch eine weitere Alternative bestünde die Möglichkeit mit einem analogen Latch die Signale nach dem Transimpedanzverstärker in einem DC-Zustand einzufrieren. Another alternative would be to use an analog latch to freeze the signals in a DC state after the transimpedance amplifier.
Analoge Latches sind allerdings im mm-Wellen Bereich sehr teuer, wodurch die Kosten für das System stark ansteigen würden. However, analog latches are very expensive in the mm-wave range, which would greatly increase the cost of the system.
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. Furthermore, in the known systems—where available—the matching network is only designed as a bandpass filter, so that it is generally not possible to select different frequency bands.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung eine Lösung anzugeben, die ein oder mehrere Probleme aus dem Stand der Technik vermeidet. Proceeding from this, it is the object of the invention to specify a solution which avoids one or more problems from the prior art.
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. The object is achieved by an electro-optical mixer with an electrical output according to claim 1. Further advantageous refinements of the invention are the subject matter of the dependent claims, the description and the figures.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt: Embodiments of the present invention are described by way of example with reference to the attached drawings, in which:
Fig. 1 ein Ausführungsform gemäß Stand der Technik, 1 shows an embodiment according to the prior art,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform gemäß Stand der Technik, Fig. 3 eine schematische Darstellung von Ausführungsformen der Erfindung,2 shows a further embodiment according to the prior art, 3 shows a schematic representation of embodiments of the invention,
Fig. 4 eine weitere schematische Darstellung von weiteren Ausführungsformen der Erfindung. 4 shows a further schematic representation of further embodiments of the invention.
Ausführliche Darstellung der Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen Detailed presentation of the invention with reference to the drawings
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. In the following the invention will be illustrated in more detail with reference to the figures. It should be noted that different aspects are described, which can be used individually or in combination. That is, each aspect can be used with different embodiments of the invention unless explicitly presented as purely alternative.
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. Furthermore, for the sake of simplicity, only one entity will generally be referred to below. Unless explicitly noted, however, the invention can also have several of the entities concerned. In this respect, the use of the words “a”, “an” and “an” is only to be understood as an indication that at least one entity is used in a simple embodiment.
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. Insofar as methods are described below, the individual steps of a method can be arranged and/or combined in any order, unless something different is explicitly stated in the context. Furthermore, the processes can be combined with one another, unless expressly stated otherwise.
Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/- 10 %. Specifications with numerical values are generally not to be understood as exact values, but also include a tolerance of +/- 1% to +/- 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. References to standards or specifications or norms are to be understood as references to standards or specifications or norms which are/were applicable at the time of filing and/or - insofar as priority is claimed - also at the time of priority filing. However, this is not to be understood as a general exclusion of applicability to subsequent or superseding standards or specifications or norms. Referring to Figures 3 and 4, there is shown an electrical output electro-optical mixer 1 in accordance with embodiments of the invention.
Der elektrooptische Mischer 1 weist mindestens eine Photodiode PD zur Wandlung eines einfallenden optischen Signales auf. The electro-optical mixer 1 has at least one photodiode PD for converting an incident optical signal.
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. Furthermore, 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.
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. As an alternative to this, 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).
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. 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.
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. 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 '.
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. 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'.
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. 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.
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. The elements of the first partial matching network—here Z 2 , Z4—and the second partial matching network—here Zi, Z 3 —have an inductive and/or resistive character and/or a capacitive character.
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. 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.
Das erste entkoppelnde Element Ci und das zweite entkoppelnde Element C2 weisen wiederum induktiven und/oder resistiven Charakter und/oder kapazitiven Charakter auf. 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.
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. During operation, 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.
Mit der vorgestellten Anordnung kann eine einfache, platzsparenden, frequenzeinstellbare Lösung bereitgestellt werden, die zudem abschaltbar ist. With the arrangement presented, a simple, space-saving, frequency-adjustable solution can be provided, which can also be switched off.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das elektrische Ausgangssignal jeweils einemIn one embodiment of the invention, the electrical output signal is one at a time
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. Transimpedance amplifier TlAi, TIA 2 supplied. In a further embodiment of the invention, the switches Si, S2, Si′, S2′ are designed as any switching element, but in particular as semiconductor switches, for example as transistors.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann bei geeigneter Schalterwahl die Schaltung als optischer Empfänger arbeiten. According to one embodiment of the invention, with a suitable switch selection, the circuit can operate as an optical receiver.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung kann mittels der Schalter Si, S2, Si', S2' der elektrooptische Mischer deaktiviert werden. According to another embodiment of the invention, the electro-optical mixer can be deactivated by means of the switches Si, S2, Si′, S2′.
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. Without restricting the generality of the invention, 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.
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 one embodiment of the invention, the elements of the first partial matching network—here Z2, Z4 —and the second partial matching network—here Zi, Z3—have an inductive character, with the inductive character being provided by coils and/or by lines.
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. In one embodiment of the invention, the elements of the first partial matching network—here Z2, Z4 —and the second partial matching network—here Zi, Z3—have an alternative or additional capacitive character, with the capacitive character being provided by capacitors and/or lines.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung ist das System in Halbleitertechnologie, z.B.Without restricting the generality of the invention, the system is implemented in semiconductor technology, e.g.
BiCMOS, implementiert. BiCMOS, implemented.
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. However, the system can also be implemented with discrete components. However, the electro-optical mixer can obviously also be partially integrated and, for example, have individual elements as discrete components.
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 all of the embodiments, it can be provided that the system can work with any polarized light. In particular, 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.
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. In the exemplary embodiment of FIG. 3, 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.
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. In the example in FIG. 3, the impedances Zi .
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. Because the anode and cathode impedance of the photodiode PD depend on the operating point, 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.
Der eigentliche Mischvorgang wird in der H-Brücke bestehend aus Si, S2, Si', S2', Zi, Z2, Z3, Z4 und PD bereitgestellt. 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.
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. In the event that the voltage supplies Vi and V 2 each provide a non-zero voltage (compared to the small-signal ground potential) that is larger in magnitude, the following can now be observed: If the switches Si and Si' are closed and the other switches are open, the photodiode PD is in the reverse direction and the dark current plus the photocurrent is detected.
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. If, on the other hand, the switches S2 and S2' are closed and the other switches are open, the diode is in forward operation and the current is dominated by the diode current, as a result of which the photocurrent can no longer be detected.
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. On the other hand, if the switches Si′ and S2′ are closed and the other switches are open, the bandwidth of the photodiode PD decreases so that only low-frequency signals can be detected.
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. If, on the other hand, the switches S2 and S2' are (permanently) closed and the other switches are open, Iphoto<Idiode. In this case, mixer 1 is switched off.
Offensichtlich gelten diese Ausführungen sinngemäß auch für positive Ströme li, l2 die jeweils von Null verschieden sind. Obviously, these explanations also apply to positive currents I 1 , I 2 , each of which is different from zero.
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. It should be noted that, of course, if the voltage supplies VI and V2 each provide a non-zero voltage (relative to the small-signal ground potential) that is smaller, the above illustration is equally valid, with the indices to are swapping. Obviously, these explanations also apply to negative currents I 1 , I 2 , each of which is different from zero.
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. FIG. 4 shows a further embodiment of the invention. The passive core remains as in Figure 3. However, 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.
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. 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.
Die Ausführungsformen gemäß der Figur 4 erlauben sowohl einen breitbandigen wie auch einen schmalbandigen Betrieb. The embodiments according to FIG. 4 permit both broadband and narrowband operation.
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. The embodiments presented here use an H-bridge in contrast to Gilbert cells or non-linearized components. Furthermore, the systems can be implemented as a broadband system or with channel selection. The system also offers the option of being deactivated.
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. 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.
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. If transistors are used as switches Si, S2, Si', S2', it should be sufficient that the voltage only reaches a voltage of >3U T (=75 mV) compared to the Mach-Zehnder modulator, which is significantly lower than 2-3V.
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