OFFeDi - Optoelektronischer Frequenzsynthesizer mit Femtosekunden-Diodenlaser
Überblick
Jitterarme Signalquellen werden häufig für Objekterkennung, Navigations- und Ultra-Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationssysteme eingesetzt. Der Jitter der Signalquellen wird von der Referenzsignalquelle dominiert, die ein Oszillator mit Surface-Acoustic-Wave-Resonator (SAW-Resonator) oder mit Quarzresonator ist. Diese rauscharmen Referenzoszillatoren sind derzeit Stand der Technik für Kommunikationssysteme. Jedoch können mit einem Mode Locked Laser (MLL) erzeugte optische Impulsfolgen einen um 2-3 Größenordnungen kleineren Jitter erreichen. Es wurde auch gezeigt [4], dass durch die Verwendung eines optoelektronischen Phasendetektors und einer Phasenregelschleife ein Mikrowellenoszillator an einen MLL gekoppelt werden kann. Solche opto-elektronischen Phasenregelkreise (OEPLL) haben ein großes Potenzial für eine neue Klasse von Frequenzsynthesizern mit extrem niedrigem Jitter.
Phasenrauschvergleich verschiedener Technologien
Die größten Nachteile dieser OEPLLs sind ihre großen und teuren optischen Komponenten. Elektronisch-photonisch integrierte Schaltungen auf Basis der Silizium-Photonik-Technologie bieten das Potenzial für eine extreme Miniaturisierung dieser optischen Komponenten sowie die Integration von Optik und Elektronik und beides bei geringen Kosten.
Ziel dieses Projekts ist die Implementierung eines monolithisch-integrierten OEPLL mit einem extrem niedrigen Phasenrauschen. In Zusammenarbeit mit unseren Projektpartnern an der Ruhr-Universität Bochum entwickeln wir die nächste Generation von jitterarmen Mikrowellensignalquellen. Diese Art von Signalquelle verwendet eine PLL, die die optische Pulsfolge eines MLLs als Referenz verwendet. Um die Vorteile des Referenzsignals im optischen Bereich voll auszuschöpfen, erfolgt die Phasendetektion elektrooptisch mit einem Mach-Zehnder-Modulator (MZM).
Blockdiagramm des optoelektronischen Frequenzsynthesizers
In der ersten Phase wird das Gesamtsystem mit modularen Komponenten realisiert. In der zweiten Phase werden der MZM und die Elektronik in einem einzigen Siliziumchip integriert. Die Arbeit wird von theoretischen Untersuchungen begleitet, die durch Messungen validiert werden.
Ziel des Projekts ist, dass der additive Jitter des OEPLL kleiner als der Referenz-MLL-Jitter ist. Das Mikrowellensignal hätte damit einen In-Band Jitter, der herkömmliche elektronische PLLs bei Weitem übertrifft.
References:
[1] Kim et al, “Sub-100-as timing jitter optical pulse trains from mode-locked Er-fiber lasers,” Optics letters, vol. 36, no. 22, pp. 4443-4445, 2011.
[2] “Ultra Low Phase Noise Oven Controlled Crystal Oscillator,” Vectron, Datasheet OX-305.
[3] “Voltage Controlled SAW Oscillator Surface Mount Model,” Synergy Microwave, Datasheet HFSO1000-5.
[4] Jung et al, “Subfemtosecond synchronization of microwave oscillators with mode-locked Er-fiber lasers,” Optics letters, vol. 37, no. 14, pp. 2958-2960, 2012
Die wesentliche Zielsetzung des Projektantrags ist die Untersuchung von Konzepten für extrem phasenrauscharme, opto-elektronische Phasenregelkreise, bei denen das Ausgangssignal über einen weiten Frequenzbereich (mehr als eine Oktave) kontinuierlich verstimmbar ist, und die mit kompakten Femtosekunden-Diodenlasern als Referenzoszillatoren arbeiten. Weitere Zielsetzungen sind, opto-elektronische Phasendetektor-Prinzipien unter Verwendung von verfügbaren Komponenten aus der Kommunikationstechnik zu untersuchen und den opto-elektronischen Frequenzsynthesizer mit diesen Phasendetektorprinzipien und mit Siliziumphotonik-Technologie weitaus kompakter und kosteneffizienter als bisher zu realisieren. Darüber hinaus soll erstmals ein mathematisches Modell von opto-elektronischen Integer-N und Fractional-N-Phasenregelkreisen mit Femtosekundenlasern erstellt werden, das es erlaubt, dynamisches und statisches Regelverhalten, Phasenrauschen, Stabilität und Erzeugung von Störfrequenzen ("spurios frequencies") zu berechnen.
DFG-Verfahren Sachbeihilfen
Antragsteller Professor Dr. Martin Hofmann; Professor Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Key Facts
- Laufzeit:
- 06/2017 - 05/2021
- Gefördert durch:
- DFG
Detailinformationen
Kontakt
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Meysam Bahmanian
Schaltungstechnik (SCT) / Heinz Nixdorf Institut
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Ergebnisse
Das Projekt zielte auf die Untersuchung und Realisierung rauscharmer optoelektronischer PLL-Frequenzsynthesizer (OEPLL) mit modengekoppelten Diodenlasern als Referenzoszillatoren. Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene Ansätze für modengekoppelte Laserdiodensysteme in Bezug auf ihre Jittereigenschaften untersucht. Dabei wurde erstmals ein selbst-modengekoppelter Diodenlaser mit externem Resonator demonstriert und analysiert sowie erstmals ein Vergleich von Selbst-Modenkopplung zu passiver Modenkopplung durchgeführt. Alle untersuchten Diodenlaser lieferten jedoch Jitterwerte, die für die hier anvisierte Anwendung als optischer Referenzoszillator deutlich zu hoch sind. Des Weiteren wurde die OEPLL mathematisch und experimentell untersucht und gezeigt, dass mit rauscharmen modengekoppelten Faserlasern optoelektronische Frequenzsynthesizer auf OEPLL-Basis mit mehreren Oktaven Verstimmbereich und exzellentem Phasenrauschen realisiert werden können. Insbesondere wurden Rekordwerte im Hinblick auf den Verstimmbereich erreicht und gezeigt, dass das Phasenrauschen der OEPLL bei vergleichbarem Verstimmbereich deutlich geringer als das der besten rein elektronischen Frequenzsynthesizern ist. Octave-Band Microwave Frequency Synthesizer Using Mode-Locked Laser as a Reference. In: 2019 International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP), S. 1-4, Ottawa, ON, Canada, Canada, 7. - 10. Okt. 2019 Bahmanian, Meysam; Tiedau, Johannes; Silberhorn, Christine; Scheytt, Christoph (Siehe online unter https://doi.org/10.1109/mwp.2019.8892046) Theory of an Optoelectronic Microwave Phase-locked Loop based on a MLL reference and MZM-based Optoelectronic Phase Detection. 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