DE19610285C1 - Verfahren zur Frequenzverdopplung und Schaltungsanordnung zur Frequenzverdopplung - Google Patents
Verfahren zur Frequenzverdopplung und Schaltungsanordnung zur FrequenzverdopplungInfo
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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 PS 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 PS hinaus aufrecht, bis sein optisch
aktives Volumen von Ladungsträgern geräumt ist, um dann auf
die Sättigungsausgangsleistung PS einzupendeln.
Die Frequenz dieses bei im MHz-Bereich und höher liegenden
Eingangssignalfrequenzen stattfindenden Einpendelns um die
Sättigungsausgangsleistung PS 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 PS 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996110285 DE19610285C1 (de) | 1996-03-15 | 1996-03-15 | Verfahren zur Frequenzverdopplung und Schaltungsanordnung zur Frequenzverdopplung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19610285C1 true DE19610285C1 (de) | 1997-07-03 |
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DE (1) | DE19610285C1 (de) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2438944A1 (de) * | 1974-07-17 | 1976-02-05 | Univ Mississippi | Frequenzverdopplersystem bzw. system zur optischen modulation |
-
1996
- 1996-03-15 DE DE1996110285 patent/DE19610285C1/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE2438944A1 (de) * | 1974-07-17 | 1976-02-05 | Univ Mississippi | Frequenzverdopplersystem bzw. system zur optischen modulation |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Rint: "Lexikon der Hochfrequenz-, Nachrichten- undElektrotechnik" Berlin München 1958, Bd. 2, S. 387 * |
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