Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Mischer.

Hintergrund

Im Bereich der Datenübertragung ist es bekannt Daten mittels Glasfasern über lange Strecken zu über- tragen. In anderen Bereichen, z.B. der Radartechnik werden Glasfasern dazu verwendet Signale, z.B. Lokaloszillatorsignale, an mehrere Stationen zur weiteren Verwendung zu verteilen.

Um Daten bzw. ein Radarsignal drahtlos zu verschicken, wird das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt, bevor es hochgemischt wird. Die Umwandlung von optischen Signalen in elektri- sche Signale erfolgt typischerweise mittels eines Transimpedanzverstärkers (abgek. TIA).

Das Hochmischen auf das gewünschte RF Band erfolgt dann mittels elektrischem Mischer. Hierbei er- höhen die beiden Bauelemente Transimpedanzverstärker wie auch Mischer die Komplexität des Ge- samtsystems. Ferner generieren die Bauelemente Veriustieistung, welche den Wirkungsgrad des Systems verschlechtern. Letztlich besitzt jede Einzelkomponente eine gewisse Bandbreite. Durch Verschaltung der beiden Kom- ponenten wird die Bandbreite des Gesamtsystems durch die Bandbreite der einzelnen Komponenten bestimmt, d.h. die zur Verfügung stehende Bandbreite sinkt.

Aus der Veröffentlichung "Analysis and Simulation of a Wireless Phased Array System with Optical Car- rier Distribution and an Optical IQ Return Path" der Autoren S. Kruse, C. Kress, H. G. Kun, T. Schneider, and J. C Scheytt, in 202013th German Microwave Conference (GeMiC), Mar. 2020, Seite 140-143. ist es bekannt, optische Signale mittels einer Photodiode und eines Transimpedanzverstärkers in elektri- sehe Signale umzuwandeln. Das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers kann dann noch mittels eines DC balancierten Buffers und eines VGA vorverarbeitet werden, bevor dieses Signal mittels eines Mischers mit einem anderen Signal multipliziert werden.

Nachteilig an der zuvor genannten Lösung ist, dass um optische Signale hoher Frequenz zu delektieren, ein separater Transimpedanzverstärker verwendet werden muss, um den Einfluss der parasitären Ka- pazität zu minimieren. Dieser Transimpedanzverstärker erzeugt jedoch zusätzliches Rauschen. Zusätz- liches Rauschen verschlechtert das Signal-zu -Rausch-Verhältnis.

Des Weiteren konsumiert der Transimpedanzverstärker Leistung, wodurch diese Lösung nicht für den

Einsatz in Low Power Anwendungen oder akkubetriebenen Systemen geeignet ist.

Ferner verbraucht ein Transimpedanzverstärker zusätzliche Chipfläche in der Größenordnung (typi- scherweise circa 0.25 mm ² ). Diese zusätzliche Chipfläche ist teuer.

Weiterhin nimmt mit der Anzahl der Komponenten auch die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsys- tems zu. In einem weiteren Ansatz werden Mach Zehnder Modulatoren (abgek. MZM) als Mischer verwendet. Dabei ist das Ausgangssignal des Mach Zehnder Modulators allerdings wiederum optisch und muss erst mittels einer Photodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Das so gewonnene elekt- rische Signal ist allerdings ein Stromsignal. Für eine weitere Verarbeitung muss dieses Stromsignal mit- tels eines Transimpedanzverstärkers in ein Spannungssignal gewandelt werden.

Nachteilig an dieser Lösung ist, dass zum Ansteuem des Mach Zehnder Modulators Spannungen im Bereich von 2-3V benötigt werden. Da typischerweise Transistoren mit Baugrößen im Nanometerbe- reich Verwendung finden, besteht hier bereits Gefahr für die Transistoren, sodass die Langzeitstabilität nicht gegeben ist bzw. nur unter Einsatz weiterer Mittel erhöht werden kann. Damit steigen aber die Komplexität als auch die Kosten einer solchen Lösung an.

Ferner erhöhen diese Treiberkomponenten wiederum das Rauschen des Mischers. Zusätzliches Rau- schen verschlechtert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis.

Des Weiteren benötigt der Mach Zehnder Modulator zusätzliche Chipfläche in der Größenordnung (ty- pischerweise mehre mm ² ). Diese zusätzliche Chipfläche ist teuer.

Ein weitere Nachteil ist die beschränkte Bandbreite von Mach Zehnder Modulatoren, welche im Be- reich von weniger als 30 GHz anzusiedeln ist. Dadurch ist die Verwendbarkeit für zahlrieche Hochfre- quenz-Anwendungen aber nicht mehr gegeben.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht ein oder mehrere Probleme aus dem Stand der Technik zu vermeiden, insbesondere eine kostengünstige Lösung anzubieten. Die Aufgabe wird gelöst durch einen elektrooptischer Mischer nach dem unabhängigen Anspruch. Vor- teilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, der Beschreibung und der Figuren.

Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektrooptischen Mischers gemäß Aus- führungsformen der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektrooptischen Mischers gemäß einer weiteren Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer elektrooptischen Lokal-Oszillator Konversion gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und

Fig. 4 eine zweite elektrooptische Lokal-Oszillator Konversion gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

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 Ausfüh- rungsformen 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 anderwei- tig 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 sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikati- onen, die im Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - im Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen zu verstehen.

In Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektrooptischen Mischers gemäß Ausfüh- rungsformen der Erfindung gezeigt. Dabei wird, ebenso wie in den darauffolgenden Figuren, ein ver- einfachtes Schema dargestellt um die Funktionsweise zu motivieren. D.h., in einer realen

Implementierung können weitere Bauelemente vorgesehen sein. Ferner, können die gewählten Bau- elemente durch funktionsähnliche ersetzt werden, z.B. Bipolartransistoren durch FET Transistoren.

Letztlich sei erwähnt dass die Erde Symbole immer als Kleinsignal-Erde zu verstehen sind.

Ganz allgemein weist der elektrooptische Mischer 1 zumindest eine Photodiode zum Erhalt eines op- tischen Elngangssignales auf.

In Figur 1 ist ein elektrooptischer Mischer 1 gezeigt der eine Photodiode PD1 zum Erhalt eines opti- schen Elngangssignales aufweist In Figur 2 ist ebenso ein elektrooptischer Mischer 1 gezeigt, der aber zwei Photodioden PD1, PD2 zum Erhalt eines optischen Elngangssignales aufweist. Die zumindest eine Photodiode (PD1, PD2) wandelt das erhaltene optische Eingangssignal in ein elekt- risches Eingangssignal.

In Figur 1 wandelt die Photodiode PD1 das erhaltene optische Eingangssignal in ein elektrisches Ein- gangssignal. In Figur 2 wandeln die Photodioden PD1, PD2 das erhaltene optische Eingangssignal in ein elektrisches Eingangssignal.

Ganz allgemein weist der elektrooptische Mischer 1 weiterhin einen elektrischen Mischer MX auf. Die- ser Mischer kann z.B. aus mehreren (integrierten) Transistoren (dargestellt als (npn-) Bipolar-Transis- toren) Q1...Q4 aufgebaut sein. Die Erfindung ist dabei nicht auf eine bestimmte Technologie beschränkt.

Der elektrische Mischer MX weist zumindest einen Eingang für ein erstes zu mischendes Signal LO auf.

Das erste zu mischende Signal LO kann z.B. ein Lokaloszillatorsignal sein.

Der elektrische Mischer MX weist weiterhin einen weiteren Eingang für ein zweites zu mischendes Signal auf.

Die genaue Zuordnung welches Signal am ersten Eingang und welches Signal am zweiten Eingang an- liegt ist für das Verständnis nicht relevant Vielmehr kann dies nach Verwendung und/oder elektri- schen Eigenschaften der Eingänge geeignet von einem Fachmann gewählt werden.

Im Betrieb erhält zumindest einer aus dem ersten Eingang und dem weiteren Eingang Eingangssignale über zumindest ein Anpassungsnetzwerk. In den Figuren 1 und 2 erhält zumindest der erste (differentielle) Eingang E1, E2 über die Anpassungs- netzwerke (engl. Matching Network) M1; M2 Eingangssignale. An dem zweiten (differentiellen) Ein- gang LO+, LO- wird das zweite zu mischende Signal zur Verfügung gestellt

Am Ausgang des Mischers MX wird auch als switching quad bezeichnet - wird im Betrieb ein gemischtes Signal IF zur Verfügung gestellt

In der in Figur 1 und 2 vorgestellten Architektur kann das optische Signal RF direkt mit einem elektri- schen Signa LO+, LO- ohne einen Transimpedanzverstärker bzw. ein Mach Zehnder Modulator ge- mischt werden. Anders als im Stand der Technik wird hier direkt am Ausgang ein elektrisches Signal erzeugt.

Dabei wird in Figur 1 ein Zwei Quadranten Mischer und in Figur 2 ein Vier Quadranten Mischer vorge- stellt.

Das in Figur 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt einen Zwei-Quadranten elektrooptischen Mischer, wel- cher ohne zusätzlichen Transimpedanz Verstärker sowie ohne Mach Zehnder Modulator auskommt. Die Ladungen, die in der Photodiode PD1 erzeugt werden, können nach Anpassung M1, M2 der Impe- danzen zwischen Photodiode PD1 und beispielhaften Linear Zeit Invariantem System (Matching Net- work) mit dem elektrischen Signal LO in einem switching quad MX multipliziert werden. Der switching quad ist hierbei das Linear Zeit Variante System. Die Anpassungsnetzwerke M1 und M2 können dabei unterschiedlich sein, da die Impedanz von Anode und Kathode der Photodiode PD1 unterschiedlich sein kann.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass auch nichtlineare Zeitvariante Mischer, sogenannte NLTI Mischer, ebenso mit der Erfindung zum Einsatz kommen können. Das elektrische Signal LO kann hierbei auch das Signal aus der Photodiode PD1 bzw. daraus abgeleitet sein. Dann kann die Schaltung als Frequenzverdoppler benutzt werden.

Das in Figur 2 dargestellte Blockschaltbild zeigt einen Vier-Quadranten Mischer. Auch der Vier- Quad- ranten Mischer benötigt keinen externen Transimpedanzverstärker oder Mach Zehnder Modulator. Die Funktionsweise ähnelt dem aus Figur 1. Um die vier Quadranten abzubilden muss allerdings das optische Signal differentiell anliegen.

In den Photdioden PD1, PD2 können durch das differenzielle optische Signal differentielle Ladungsträ- ger erzeugt werden. Diese differentiellen Ladungen werden, nach Anpassung der Impedanzen M1, M2 in einem Switchen Quad MX mit dem elektrischen Signal LO in einem Switching quad MX multipliziert werden. Der Switching quad MX ist hierbei das Linear Zeit Variante System. Die Anpassungsnetzwerke M1 und M2 können dabei gleich sein. Dies führt in aller Regel zu einem symmetrischeren Aufbau, so- dass auch die Signalführung symmetrisch gestaltet sein kann. Auch hier kann wieder ein NLTI-System verwendet werden.

Das elektrische Signal LO kann hierbei auch das Signal aus der Photodiode PD1 oder PD2 bzw. daraus abgeleitet sein. Dann kann die Schaltung als Frequenzverdoppler benutzt werden.

In den Figuren 1 und 2 sind jeweils Induktivitäten L1 und L2 gezeigt. Diese können dazu verwendet werden die Photodiode(n) PD1, PD2 vorzuspannen. Mittels der Anpassungsnetzwerke M1 und M2 kann die Ausgangsimpedanz der Anoden- und Kathoden-Anschlüsse an die Eingangsimpedanz der Ein- gänge E1, E2 des Mischers MX (d.h. an die dargestellte Emitter-Anschlüsse) angepasst werden. Der Mischer MX ist hier beispielhaft das Switching quad einer Gilbertzelle. Prinzipiell sind aber auch andere

Mischer-Typen verwendbar, wie z.B. ein sigle balanced Mixer. Die Anpassungsnetzwerke M1, M2 stellen bevorzugt einen Gleichstrompfad nach Kleinsignal-Erde zur Verfügung, sodass Gleichstromanteile nicht zum Mischer MX gelangen.

Wie bereits angedeutet kann auch das elektrische Signal LO aus einem optischen Signal erzeugt sein. Beispielhafte Ansteuerungen sind in Figur 3 und 4 skizziert, wobei in gleicher Weise die Überlegungen in Bezug auf das optische Signal RF und die Photodiode(n) PD1 und PD2 angewendet werden können.

Die Anpassungsnetzwerke MS, M6 können wiederum in Ausführungsformen der Erfindung die An- schlussimpedanz an die Impedanz der LO+ bzw. LO- Anschlüsse - hier die Basisimpedanz - anpassen.

In den Knoten N1 und N2 können die jeweiligen Ausgangsströme - hier Kollektorströme - der Transis- toren Q1 ... Q4 summiert werden.

Der Ausgang der Knoten N1 und N2 kann nunmehr wiederum über Anpassungsnetzwerke M3 und M4 an die Anforderungen an den Ausgang IF angepasst werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung erhält das erste zu mischende Signal im Betrieb sein Eingangs- signal über erste Anpassungsnetzwerke M1 M2.

In einer Ausführungsform der Erfindung erhält das zweite zu mischende Signal im Betrieb sein Ein- gangssignal über ein zweites Anpassungsnetzwerk M5, M6.

Der vorgestellte elektrooptischer Mischer 1 ermöglicht es ein optisches Signal RF mit einem elektri- schen Signal IF direkt, d.h. ohne die Anwesenheit eines Transimpedanzverstärkers, zu multiplizieren. Die vorgestellten Ausführungsformen verbrauchen daher weniger Leistung. Folglich sind sie besonders gut geeignet für die Verwendung in energielimitierten Systemen.

Weiterhin weist der vorgestellte elektrooptischer Mischer 1 eine geringerer Komplexität auf. Hier- durch sinken die Entwicklungs- als auch Herstellungskosten.

Darüber hinaus besitzt der vorgestellte elektrooptischer Mischer 1 ein geringeres Rauschen. Damit einhergehend kann die Bandbreite über einen großen Bereich genutzt werden. In der Folge ergeben sich dann auch Möglichkeiten an anderer Stelle weniger anspruchsvolle Bauelemente einzusetzen, so- dass mit geringerem Aufwand vergleichbare Ergebnisse kostengünstiger erzielt werden können.

Zudem kann die Chipfläche, auf der ein erfindungsgemäßer elektrooptischer Mischer 1 integriert sein kann, mindestens um die Größe eines Transimpedanzverstärkers bzw. eines Mach Zehnder Modula- tors verkleinert werden.

In aller Regel wird die zu erwartende Bandbreite des erfindungsgemäßen elektrooptischen Mischers 1 im Wesentlichen von den Anpassungsnetzwerken M1 ... M4, M5, M6 und/oder von der verwendeten Halbleitertechnologie abhängen.

So kann z.B. die LO Spannung gering sein, typischerweise im Bereich von weniger als 100 mV, insbe- sondere etwa 75 mV. Im Vergleich zu typischen Spannungen eines Mach Zehnder Modulators von 2-3 V ergeben sich nun nicht mehr die eingangs beschriebenen Probleme.

Ferner muss bei dem vorgestellten Vier Quadranten Mischer kein extra DC balancierter Buffer einge- setzt werden, um ein voll differentielles Signal zu erzeugen. SEITE ABSICHTLICH LEER GELASSEN