DE-102025100228-B3 - Vorrichtung zur Erzeugung eines steuerbaren elektromagnetischen Frequenzsignals am Ende einer elektrooptischen Strecke

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines steuerbaren elektromagnetischen Frequenzsignals am Ende einer elektrooptischen Strecke, wobei die Vorrichtung ein Dauerstrichsignal, welches ein kohärentes elektromagnetisches Frequenzsignal erzeugt, eine Dopplerkompensationseinheit, und einen steuerbaren Referenzoszillator, welcher ein steuerbares Frequenzsignal erzeugt aufweist. Die Dopplerkompensationseinheit wird zum Minimieren des relativen optischen Rauschens, sowie zum Steuern der Phase/Frequenz des elektromagnetischen Frequenzsignals genutzt.

Inventors

• Ludwig Blümel
• Pablo Nahuel Dominguez
• Tobias Schmidt
• Thomas Zechel

Assignees

• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20250107

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines steuerbaren elektromagnetischen Frequenzsignals am Ende einer elektrooptischen Strecke, wobei die Vorrichtung aufweist: a. ein Dauerstrichsignal, welches ein kohärentes elektromagnetisches Frequenzsignal erzeugt b. eine Dopplerkompensationseinheit c. einen steuerbaren Referenzoszillator, welcher ein steuerbares Frequenzsignal erzeugt d. dadurch gekennzeichnet , dass die Dopplerkompensationseinheit zum Minimieren des relativen optischen Rauschens, sowie zum Steuern der Frequenz des elektromagnetischen Frequenzsignals genutzt wird, indem die Dopplerkompensationseinheit einen zusätzlichen Eingang für ein steuerbares Frequenzsignal des Referenzoszillators aufweist und das elektromagnetische Frequenzsignal proportional zum steuerbaren Frequenzsignal des Referenzoszillators verschoben wird.
2. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Dopplerkompensation aufweist: a. Einen asymmetrischen Strahlteiler, welcher einen Großteil des kohärenten elektromagnetischen Frequenzsignals ans Ende einer elektrooptischen Strecke leitet, wobei der Weg zum Ende der elektrooptischen Strecke aufweist: i. Eine Signalumlenkungseinheit, ii. Ein oder mehrere Phasen- und/oder Frequenzschiebe-Elemente, iii. Eine elektrooptische Strecke, iv. Einen teildurchlässigen Reflektor, v. Wobei ein Teil des elektromagnetischen Frequenzsignals am Ende der elektrooptischen Strecke durch den Reflektor zurück durch die elektrooptische Strecke, und das Phasen- und/oder Frequenzschiebe-Element bis zur Signalumlenkungseinheit propagiert, wobei die Signalumlenkungseinheit das reflektierte elektromagnetische Frequenzsignal abzweigt und in ein Kopplerelement einspeist, b. Ein Koppler Element, welches einen Teil des elektromagnetischen Frequenzsignals kommend aus dem asymmetrischen Strahlteiler und den reflektierten Teil des elektromagnetischen Frequenzsignals kommend aus der Signalumlenkungseinheit überlagert und das überlagerte elektromagnetische Frequenzsignal an einen Photodetektor sendet, wobei der Photodetektor das überlagerte elektromagnetische Frequenzsignal in ein elektrisches Signal umwandelt, c. Ein Mischer, welcher das elektrische Signal des überlagerten elektromagnetischen Frequenzsignals mit dem Referenzoszillator- Frequenzsignal demoduliert, d. Ein Steuerelement, welches das demodulierte elektrische Signal des überlagerten elektromagnetischen Frequenzsignals nutzt, um einen oder mehrere Phasen- und/oder Frequenzschiebe-Elementen in der optischen Strecke zu steuern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass der Teil-durchlässige Reflektor das kohärente elektromagnetische Frequenzsignal im Verhältnis 90/10, oder 95/5, oder 98/2 oder 99/1 reflektiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet , dass der asymmetrische Strahlteiler das kohärente elektromagnetische Frequenzsignal im Verhältnis 98/2, oder 99/1, oder 95/5 oder 90/10 teilt.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines steuerbaren elektromagnetischen Frequenzsignals am Ende einer elektrooptischen Strecke genau ein Phasen- und/oder Frequenzschiebe-Elementen aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Signalumlenkungseinheit ausgebildet ist als: a. Zirkulator und/oder b. Strahlteiler
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Phasen- und/oder Frequenzschiebe-Element ausgebildet ist als: a. Akustooptischer Modulator b. Und/oder Elektrooptischer Modulator c. Und/oder Magneto-optischer Modulator
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Dauerstrichquelle kohärente elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz im Bereich zwischen 190 THz und 300 THz oder 100-520 THz, oder 999 THz - 166 THz emittiert und die Dopplerkompensationseinheit folgende Eigenschaften aufweist: a. Frequenzverschiebung des Dauerstrich Signals um 5 * 10 -15 Hz bei 200 THz bei einer Verschiebung der Referenzoszillator Frequenz von 1 Hz.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das hochstabile Frequenzsignal am Ende einer Elektro-optischen Strecke in ein elektrisches Radio Frequenz Signal im Bereich 10 7 - 10 10 Hz umgewandelt wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Dopplerkompensationseinheit eine Signalumlenkungseinheit und einen Phasen und/oder Frequenzschiebe-Element besitz und die Vorrichtung zur Erzeugung eines hochstabilen Frequenzsignals als Photonischer Integrierter Schaltkreis (PIC) ausgebildet ist, wobei die Signalumlenkungseinheit, insbesondere ein Zirkulator durch PIC kompatible Komponenten, insbesondere einen Strahlteiler, ersetzt werden können und Phasen und/oder Frequenzschiebe-Element(e) extern ausgebildet sein können.
11. Verfahren zum Steuern eines elektromagnetischen Frequenzsignals am Ende einer elektrooptischen Strecke unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 10 zum Minimieren des relativen optischen Rauschens, sowie zum Steuern der Frequenz des elektromagnetischen Frequenzsignals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines steuerbaren elektromagnetischen Frequenzsignals am Ende einer elektrooptischen Strecke sowie ein Verfahren zum Steuern eines elektromagnetischen Frequenzsignals am Ende einer elektrooptischen Strecke. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass optische Frequenzreferenzen, oder Dauerstrichlasersignale typischerweise elektromagnetische Frequenzsignale von mehreren hundert Terahertz (optisches Band) liefern. Bei den Quellen dieser Dauerstrichlasersignale kann es sich sowohl um schmalbandige Laserlichtquellen, kavitätsstabilisierte Laser mit sub-Hertz Linienbreite oder Laser, die auf atomare oder molekulare elektronische oder Kernübergänge stabilisiert sind, handeln. Diese Dauerstrichlasersignale zeichnen sich durch hohe Frequenzstabilitäten und ein sehr niedriges Phasenrauschen aus. Dadurch, dass die elektromagnetischen Frequenzsignale der Dauerstrichlasersignale zumeist mittels optischer Fasern oder Freistrahlstrecken von der Quelle weiter zur Anwendung transferiert werden, kann sich das elektromagnetische Frequenzsignal ungewollt verändern. Optische Fasern erleichtern zwar das Handling des Laserlichts (insbesondere bzgl. Laserschutz) und verringern die Auswirkungen von z.B. mechanischen Instabilitäten. Ein Nachteil des Handlings mit Fasern ist allerdings deren akustische und thermische Sensitivität. Diese führen zu einer Veränderung im optischen Weg des durch die Faser laufenden Lichts und somit zu einer entsprechenden Verschiebung der übertragenen Frequenz und/oder Phase aufgrund des Doppler-Effekts (Dopplerverschiebung). Es sei angemerkt, dass derselbe Effekt auch für Veränderungen der Frequenz in Freistrahlstrecken verantwortlich ist und das im Folgenden beschriebene Prinzip auch hierfür Verwendung findet. Ein Verfahren zum Kompensieren von Phasenrauschen bei einer Übertragung eines optischen Signals auf einem Lichtwellenleiter ist bekannt aus der folgenden Veröffentlichung:YANG, Jun [et al.]: Noise compensation methods for optical fiber frequency sweeping interferometry: a review. In: Journal of lightwave technology, Vol. 41 2023, No. 13, S. 4035-4050. ISSN 0733-8724.https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9973336 Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Frequenzsignals bereitzustellen, die am Ende einer elektrooptischen Strecke ein möglichst rauschfreies und steuerbares elektromagnetisches Frequenzsignal zur Verfügung stellt. Es soll ferner ein entsprechendes Verfahren zum Steuern eines elektromagnetischen Frequenzsignals am Ende einer elektrooptischen Strecke bereitgestellt werden. Bei einem steuerbaren elektromagnetischen Frequenzsignal am Ende einer elektrooptischen Strecke können Frequenz und/oder Phase des elektromagnetische Frequenzsignals gesteuert und/oder verändert werden, bevorzugt ohne, dass sich das Signal zu Rauschen Verhältnis am Ende der elektrooptischen Strecke signifikant ändert. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Ansprüche 1, 11 und 12. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines steuerbaren elektromagnetischen Frequenzsignals am Ende einer elektrooptischen Strecke weist ein Dauerstrichsignal auf, welches ein kohärentes elektromagnetisches Frequenzsignal erzeugt. Bei diesen Dauerstrichsignalen kann es sich sowohl um schmalbandige Laserlichtquellen, kavitätsstabilisierte Laser mit sub-Hertz Linienbreite oder Laser, die auf atomare oder molekulare elektronische oder Kernübergänge stabilisiert sind, handeln. Diese Dauerstrichlasersignale zeichnen sich bevorzugt durch hohe fraktionale Frequenzstabilitäten und ein sehr niedriges Phasenrauschen aus. Die Vorrichtung weist ferner eine Dopplerkompensationseinheit auf. Eine Dopplerkompensationseinheit misst am Ende einer elektrooptischen Strecke das Rauschen eines elektromagnetischen Frequenzsignals und moduliert das elektromagnetische Frequenzsignal, bevor es in die optische Strecke propagiert, so dass sich das Rauschen, welches entlang der elektrooptischen Strecke in das elektromagnetische Frequenzsignal eingekoppelt wird, und die Modulation der Dopplerkompensationseinheit destruktiv überlagern, sodass am Ende der optischen Strecke ein nahezu rauschfreies elektromagnetisches Frequenzsignal vorliegt. Eine bevorzugte elektrooptische Strecke kann zwischen 0,1 und 100 km lang sein. Die Vorrichtung weist ferner einen steuerbaren Referenzoszillator auf, welcher ein steuerbares Frequenzsignal erzeugt. Eine Änderung des Frequenzsignals des steuerbaren Referenzoszillators wird bevorzugt mit Δ bezeichnet. Ein Referenzoszillator kann zum Beispiel als RF Oszillator ausgestaltet sein (OCXO, Synthesizer, etc...), oder als optischer Oszillator (Laser mit einer Photodiode), oder als eine Kombination der beiden. Weitere bevorzugte Ausführungsformen für den Referenzoszillator sind: Quarz-Oszillator, Phase-Locked-Loop-Schaltung,Frequenzgenerator, oder eine Kombination der vormals genannten Referenzoszillato