DE19610285C1 - Verfahren zur Frequenzverdopplung und Schaltungsanordnung zur Frequenzverdopplung - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Frequenzverdopplung, d. h. mit dem Erzielen einer (Ausgangs-)Wechselgröße mit einer Frequenz, die doppelt so groß wie die Frequenz einer anderen Wechselgröße (Eingangs-Wechselgröße) ist. Die Gewinnung einer Wechselgröße der doppelten Frequenz aus einer Wechselgröße einfacher Frequenz ist beispielsweise durch Synchronisieren eines Oszillators mit einer Frequenz, die gleich der Hälfte der Oszillatorfrequenz ist, oder mit Hilfe von quadratisch wirkenden Schaltungsgliedern möglich, die das Hinzutreten einer Oberwelle doppelter Frequenz zu einer Grundwelle ein­ facher Frequenz bewirken (Rint: Lexikon der Hochfrequenz-, Nachrichten- und Elektrotechnik, Berlin - München, 1958, Bd.2, S. 387).

Es ist auch ein Frequenzverdopplungssystem mit einer Licht­ quelle, einem von den Lichtstrahlen erreichten optoelektri­ schen Wandler und einer zwischen zwei zueinander gekreuzten Polarisatoren zwischen Lichtquelle und optoelektrischem Wand­ ler angeordneten, nach Maßgabe eines Steuerwechselstroms mit doppelter Geschwindigkeit das Licht intensitätsmodulierenden Zelle aus einem organo-substituierten Carboran bekannt, bei dem Wechselstromsignale mit Frequenzen von 60 bis 1200 Hz zu einer Lichtmodulation in Frequenzen von 120 bis 2400 Hz füh­ ren, wobei an sich auch wesentlich höhere Modulationsfrequen­ zen verwendet werden können (DE 24 38 944 A1).

Elektronische Frequenzverdoppler werden recht aufwendig, wenn es um Frequenzen im MHz- und GHz-Bereich geht, zugleich sind sie nur sehr schmalbandig einsetzbar und müssen speziell für die gewünschte Frequenz dimensioniert werden.

Die Erfindung zeigt demgegenüber einen Weg zu einer aufwand­ günstigeren Realisierung einer Frequenzverdopplung in hohen Frequenzbereichen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzverdopplung; dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz, mit der ein durch ein Eingangssignal peri­ odisch übersteuerter optischer Halbleiterverstärker jeweils in seinen Sättigungsbereich einpendelt, als verdoppelte Frequenz genutzt wird. Eine Schaltungsanordnung zur Frequenz­ verdopplung eines elektrischen Signal s mit einem elektroopti­ schen Wandler und einem optoelektrischen Wandler ist erfin­ dungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem elektro­ optischen Wandler und dem optoelektrischen Wandler ein opti­ scher Halbleiterverstärker vorgesehen ist, bei dem die Geome­ trie des optisch aktiven Volumens und der Arbeitspunkt so gewählt sind, daß die Frequenz, mit der der durch ein optisches Ein­ gangssignal periodisch übersteuerte optische Halbleiterver­ stärker jeweils in den Sättigungsbereich einpendelt, doppelt so groß wie die Eingangssignalfrequenz ist; zweckmäßigerweise sind dabei in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der elektrooptische Wandler, der optische Halbleiterverstärker und der optoelektrische Wandler auf einem Chip integriert.

Die Erfindung, die sich den Umstand zunutze macht, daß ein optischer Halbleiterverstärker bei überhöhter Eingangslei­ stung kurzzeitig die Verstärkung aufrechterhält, bis im op­ tisch aktiven Volumen nicht mehr genügend Ladungsträger ver­ fügbar sind, um dann auf die (Gleichstrom-)Sättigungsaus­ gangsleistung einzupendeln, gestattet mit relativ geringem Aufwand eine Frequenzverdopplung in einem relativ breiten elektrischen Frequenzband.

Es sei bemerkt, daß der optische Halbleiterverstärker primär ein optischer bzw. optoelektronischer aktiver Baustein mit einer Verstärkung sein mag, die größer als eins ist; prinzi­ piell kann als optischer Halbleiterverstärker im Rahmen der Erfindung aber auch ein solcher aktiver, periodisch jeweils in den Sättigungsbereich übersteuerter Baustein zur Anwendung kommen, dessen Verstärkung gleich oder kleiner als eins ist.

Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus der nachfol­ genden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen ersichtlich. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Fre­ quenzverdopplung eines elektrischen Signals gemäß der Erfindung;

Fig. 2 verdeutlicht das in diesem Zusammenhang interessierende Verstärkungsverhalten eines optischen Halbleiterver­ stärkers, und

Fig. 3 bis Fig. 6 zeigen den zeitlichen Verlauf von Eingangs- und zugehörigen Ausgangssignalen bei unterschiedlichen Frequenzen.

Die Zeichnung Fig. 1 zeigt schematisch in einem zum Verständ­ nis der Erfindung erforderlichen Umfang ein Ausführungsbei­ spiel einer monolithisch auf einem Chip Ch integrierten Schaltungsanordnung zur Frequenzverdopplung eines elektri­ schen Signals. Diese Schaltungsanordnung weist eingangsseitig einen elektrooptischen Wandler LD, vorzugsweise eine Laser­ diode, und ausgangsseitig einen optoelektrischen Wandler PD, vorzugsweise eine Photodiode, auf; zwischen dem elektroopti­ schen Wandler LD und dem optoelektrischen Wandler PD liegt ein die beiden Wandler verbindender optischer Halbleiterver­ stärker OHV, dessen optisch aktives Volumen von einem Injek­ tionsstromeingang i her mit freien Ladungsträgern versorgt wird. An ihrem Eingang e wird die Schaltungsanordnung mit einem elektrischen Eingangssignal einer gegebenen, im GHz- Bereich liegenden Eingangssignalfrequenz beaufschlagt, das im elektrooptischen Wandler LD in ein den optischen Halblei­ terverstärker OHV periodisch übersteuerndes optisches Ein­ gangssignal gewandelt wird. Bei einer solchen überhöhten Ein­ gangsleistung hält der optische Halbleiterverstärker OHV kurzzeitig die Verstärkung aufrecht, bis in seinem optisch aktiven Volumen nicht mehr genügend Ladungsträger verfügbar sind, um sich dann auf seine (Gleichstrom-)Sättigungsaus­ gangsleistung einzupendeln.

An dieser Stelle sei ein Blick auf die Zeichnung Fig. 2 gewor­ fen, in der dieses Verstärkungsverhalten des optischen Halb­ leiterverstärkers OHV modellhaft verdeutlicht wird. In Fig. 2 ist schematisch der zeitliche Verlauf der auf ein - in Fig. 2 mit einer einzigen punktierten Linie, für die dann unter­ schiedliche Zeitmaßstäbe gelten, angedeutetes - ansteigendes Eingangssignal hin vom optischen Halbleiterverstärker abgege­ benen optischen Leistung dargestellt, und zwar mit einer durchgehenden Linie für ein relativ langsames Eingangssignal und mit einer unterbrochenen Linie für ein entsprechend schnelles Eingangssignal. Wie man daraus erkennt, kommt es im ersteren Fall, d. h. bei einem relativ langsamen Eingangssi­ gnal, zu einem monotonen Anstieg der optischen Ausgangslei­ stung, bis die Gleichstrom-Sättigungsausgangsleistung P_S er­ reicht ist. Im zweiten Fall, nämlich bei einem entsprechend schnellen Eingangssignal, zeigt der optische Halbleiterver­ stärker OHV (in Fig. 1) dagegen ein anderes Verhalten; Er hält zunächst die Verstärkung über das Erreichen der DC-Sätti­ gungsausgangsleistung P_S hinaus aufrecht, bis sein optisch aktives Volumen von Ladungsträgern geräumt ist, um dann auf die Sättigungsausgangsleistung P_S einzupendeln.

Die Frequenz dieses bei im MHz-Bereich und höher liegenden Eingangssignalfrequenzen stattfindenden Einpendelns um die Sättigungsausgangsleistung P_S ist abhängig von der Geometrie und Größe des optisch aktiven Volumens, vom Arbeitspunkt des Halbleiterverstärkers OHV und von der optischen Eingangslei­ stung.

Im Prinzip bestimmt dabei die Länge des optisch aktiven Volu­ mens die Verstärkung des Halbleiterverstärkers und legt damit fest, von welcher Höhe der Eingangsleistung an die Ausgangs­ sättigungsleistung P_S erreicht ist; Länge, Breite und Höhe des optisch aktiven Volumens bestimmen das zur Verfügung ste­ hende Volumen, aus welchem für den Einpendelvorgang Ladungs­ träger ausgeräumt werden können. Dabei sind um so höhere Ein­ pendelfrequenzen möglich, je kleiner das optisch aktive Volu­ men ist, und umgekehrt sind bei größeren optisch aktiven Vo­ lumina auch weniger hohe Einpendelfrequenzen möglich. Der elektrische Arbeitspunkt (Injektionsstrom, auch Temperatur) des Halbleiterverstärkers bestimmt die Anzahl der pro Zeit­ einheit zur Versorgung des optisch aktiven Volumens zur Ver­ fügung stehenden freien Ladungsträger. Die optische Eingangs­ leistung (AC- und DC-Anteil der optischen Eingangsleistung bzw. deren Hub und Offset) schließlich bestimmt den optischen Arbeitspunkt.

Mit der Größe des aktiven Volumens und der Geometrie des op­ tischen Halbleiterverstärkers lassen sich so die Einpendel­ frequenz und die Bandbreite, in der die Einpendelfrequenz doppelt so groß wie die Eingangssignalfrequenz ist, variie­ ren.

Um nun auf Fig. 1 zurückzukommen, so wird das im Vergleich zum optischen Eingangssignal frequenzverdoppelte optische Aus­ gangssignal des optischen Halbleiterverstärkers OHV im opto­ elektrischen Wandler PD in ein elektrisches Signal gleicher, im Vergleich zum elektrischen Eingangssignal verdoppelter Frequenz gewandelt, das dann am Ausgang a der Schaltungs­ anordnung zur Verfügung steht.

Für eine mit einem - bei den Schaltungsparametern Injektions­ strom i = 60 mA, Lichtwellenlänge λ = 1555,1 nm, Modulations­ extinction 15%, minimale Polarisation, Temperatur T = 25°C betriebenen - optischen Halbleiterverstärker Siemens D4102 konkret realisierte Frequenzverdopplungs-Schaltung gemäß der Fig. 1 ist in Fig. 4 der zeitliche Verlauf eines - bei Zufüh­ rung des in Fig. 3 dargestellten 10-MHz-Eingangssignals am Schaltungseingang e - am Schaltungsausgang a auftretenden Ausgangssignals dargestellt; in entsprechender Weise ist in Fig. 6 der zeitliche Verlauf eines bei Zuführung des in Fig. 5 dargestellten 100-MHz-Eingangssignals auftretenden Ausgangs­ signals dargestellt.

Je nach gewählter Größe des aktiven Volumens und der Geome­ trie des optischen Halbleiterverstärkers könnten beispiels­ weise auch jeweils Eingangsfrequenzen eines Frequenzbereichs von etwa 1 GHz bis 2 GHz oder von etwa 2 GHz bis 5 GHz usw. zu verdoppeln sein; bei dem beispielhaft eingesetzten opti­ schen Halbleiterverstärker ergab sich auch noch bei einer Eingangsfrequenz von im Beispiel ca. 4 GHz ein relativ kräf­ tiges Ausgangssignal doppelter Frequenz.

Der elektrooptische Wandler LD, der optische Halbleiterver­ stärker OH und der optoelektrische Wandler PD der in Fig. 1 skizzierten Schaltungsanordnung sind zweckmäßigerweise auf einem Chip Ch integriert, wie dies auch in Fig. 1 angedeutet ist. Bei einer solchen Integration erübrigen sich auch an­ dernfalls ggf. noch erforderliche optische Isolatoren, Dämp­ fungsglieder und Polarisatoren. Zur Verstärkung des elektri­ schen Ausgangssignals kann optional hinter der Photodiode PD noch ein elektrischer Verstärker EV vorgesehen sein, wie dies ebenfalls in Fig. 1 angedeutet ist. Ohne das dies noch in der Zeichnung Fig. 1 dargestellt ist, können erforderlichenfalls auch noch Ausgangssignalfilter zur Unterdrückung unerwünsch­ ter Ausgangssignal-Frequenzanteile vorgesehen sein, was hier indessen keiner näheren Erläuterung bedarf, da dies zum wei­ teren Verständnis der Erfindung nicht erforderlich ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Frequenzverdopplung, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz, mit der ein durch ein Eingangssignal peri­ odisch übersteuerter optischer Halbleiterverstärker jeweils in den Sättigungsbereich einpendelt, als verdoppelte Frequenz genutzt wird.

2. Schaltungsanordnung zur Frequenzverdopplung eines elek­ trischen Signals, mit einem elektrooptischen Wandler und einem optoelektrischen Wandler dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem elektrooptischen Wandler (LD) und dem opto­ elektrischen Wandler (PD) ein optischer Halbleiterverstärker (OHV) vorgesehen ist, bei dem die Geometrie des optischen Volumens und der Arbeitspunkt so gewählt sind, daß die Fre­ quenz, mit der der durch ein optisches Eingangssignal perio­ disch übersteuerte optische Halbleiterverstärker (OHV) je­ weils in den Sättigungsbereich einpendelt, doppelt so groß wie die Eingangssignalfrequenz ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Wandler (LD), der optische Halblei­ terverstärker (OHV) und der optoelektrische Wandler (PD) auf einem Chip (Ch) integriert sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem optoelektrischen Wandler (PD) ein elektrischer Verstärker (EV) vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ausgangsseitig ein Frequenzfilter vorgesehen ist.