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Diese
Erfindung bezieht sich auf Lichtwellenleiterempfänger und Breitbandempfängerverstärker, die
relativ dichten Gehäuseeinschränkungen
unterliegen.
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Viele
moderne Kommunikationssysteme übertragen
Informationen durch eine Mehrzahl von parallelen optischen Kommunikationskanälen. Die optischen
Kommunikationskanäle
können
durch eine Lichtwellenleiterbandverbindung (oder ein Lichtwellenleiterkabel),
das aus einem Bündel
aus Glas- oder Kunststofffasern gebildet ist, definiert sein, wobei
jedes unabhängig
von den anderen Fasern Daten übertragen
kann. Bezüglich
der Metalldrahtverbindungen, weisen optische Fasern eine viel größere Bandbreite
auf, sind weniger störungsanfällig und viel
dünner
und leichter. Aufgrund dieser vorteilhaften physischen und Datenübertragungseigenschaften hat
man versucht, Lichtwellenleiter im Computersystemkonzepte zu integrieren.
Zum Beispiel können
in einem lokalen Netz Lichtwellenleiter verwendet werden, um eine
Mehrzahl von lokalen Computern mit einer zentralisierten Ausrüstung, wie
z. B. Servern und Druckern, zu verbinden. Bei dieser Anordnung weist jeder
lokale Computer ein optisches Sende- und Empfangsgerät zum Übertragen und Empfangen von optischen
Informationen auf. Das optische Sende- und Empfangsgerät kann auf
einem Substrat angebracht sein, das eine oder mehrere integrierte
Schaltungen unterstützt.
Typischerweise umfaßt
jeder Computer mehrere Substrate, die in die Sockel einer gemeinsamen
Rückwandplatine
eingesteckt sind. Die Rückwandplatine
kann aktiv sein (sie umfaßt
einen logischen Schaltungsaufbau zum Ausführen von Rechenfunktionen)
oder sie kann passiv sein (d. h. sie enthält keinen logischen Schaltungsaufbau).
Ein Lichtwellenleiterkabel für
ein externes Netz kann mit dem optischen Sende- und Empfangsge rät durch
einen Lichtwellenleiterverbinder verbunden sein, der mit der Rückwandplatine
gekoppelt ist.
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Lichtwellenleiter-Sende-
und Empfangsgeräte
umfassen typischerweise Sender- und Empfängerkomponenten. Die Senderkomponente
umfaßt
typischerweise einen Laser, eine Linsenanordnung und eine Schaltung
zum Treiben des Lasers. Die Lichtwellenleiterempfängerkomponente
umfaßt
typischerweise eine Photodiode und einen Empfängerverstärker mit einer hohen Verstärkung, der
betreibbar sein kann, um eine oder mehrere Signalverarbeitungsfunktionen
auszuführen
(z. B. automatische Verstärkungssteuerung,
Hintergrundstromunterdrückung, Filtern
oder Demodulation). Für
eine eindirektionale Datenübertragung
ist am Ursprungsende eine Senderkomponente und am Antwortende eine
Empfängerkomponente
erforderlich. Für
eine bidirektionale Kommunikation sind sowohl am Ursprungsende als auch
am Antwortende eine Empfängerkomponente und
eine Senderkomponente erforderlich. In manchen Fällen sind der Senderschaltungsaufbau
und der Empfängerschaltungsaufbau
in einer einzigen integrierten Schaltung (IC) eines Sende- und Empfangsgeräts implementiert.
Die Sende- und Empfangsgeräte-IC,
die Photodiode und der Laser zusammen mit den Linsen für die Photodiode
und den Laser sind in einem Gehäuse
enthalten, das eine Größe aufweist,
die ausreichend klein ist, um in eine Lichtwellenleiter-Kommunikationsvorrichtung
zu passen.
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Aus
der
US 5,088,107 A ist
eine Empfängerschaltung
für ein
optisches Modem bekannt. Die Empfängerschaltung umfasst eine
Empfangsdiode, deren Ausgangssignal einem Vorverstärker zugeführt wird.
Der Vorverstärker
ist mit einem linearen Kanal, der einen oder mehrere Nachverstärker aufweist,
gekoppelt. Die Ausgabe des linearen Kanals wird einem Komparator
zugeführt,
der aus derselben ein digitales Ausgangssignal formt. Die Bandbreite des
oder der Nachverstärker
in dem linearen Kanal wird abhängig
vom Ausgangssignal des Komparators gesteuert.
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In
der
EP 0 600 267 B1 ist
ein bidirektionales optisches Sende- und Empfangsmodul beschrieben, bei
dem auf einer Seite eines transparenten Substrats Lichtwellenleiter
angeordnet sind, während
auf der anderen Seite des transparenten Substrats eine Photodiode,
eine Laserdiode und eine Anordnung zum Ankoppeln eines externen
Wellenleiters angeordnet sind.
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Aus
der
US 4,051,363 ist
ein Empfänger
zur Verwendung mit einer Photodiode in einer elektro-optischen Übertragungsleitung
bekannt, der zwei parallele Verstärkerkanäle verwendet, von denen einer
einen Gleichsignalverstärker
und einer einen breitbandigen Verstärker aufweist. Die durch die
beiden Verstärkerkanäle verstärkten Signale
werden unter Verwendung einer speziellen aktiven Schaltung kombiniert.
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Aus
der
US 5,455,703 A ist
ein Lichtwellenleitertransceiver mit einem integrierten Koppler
bekannt, bei dem neben einem Photoempfänger und einer Lichtquelle
ein Vorverstärker
sowie Nachverstärkungsstufen
eines Empfangsabschnitts in einem Gehäuse angeordnet sind.
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Schließlich ist
aus der
US 5,864,416
A ein optischer Empfänger
bekannt, bei dem die Datenrate des empfangenen Signals verwendet
wird, um die Bandbreite von Verstärkern einzustellen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen flexibel einsetzbaren
Lichtwellenleiterempfänger
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Lichtwellenleiterempfänger gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Bei
einem Aspekt weist die Erfindung einen Lichtwellenleiter-Empfänger auf,
der eine Vorverstärkerschaltung
umfaßt,
die zusammen mit einem optoelektronischen Wandler in einer Empfängeroptik-Teilanordnung
(ROSA; ROSA = receiver optical sub-assembly) eingebaut ist, und
einen Nachverstärker
mit einstellbarer Bandbreite, der außerhalb der ROSA angeordnet
ist, um zu ermöglichen,
daß die
Gesamtgröße des Empfängergehäuses verringert
ist. Die ROSA ist auf einem Substrat angebracht und mit einem Lichtwellenleiterverbinder
zum Koppeln mit einem dazupassenden Verbinder eines Lichtwellenleiters
ausgestattet. Der optoelektronische Wandler ist in die ROSA eingebaut
und konfiguriert, um ein elektrisches Datensignal ansprechend auf
ein empfangenes optisches Datensignal zu erzeugen. Die Vorverstärkerschaltung
ist in die ROSA eingebaut und betreibbar, um ein elektrisches Datensignal,
das durch den optoelektronischen Wandler erzeugt wird, linear zu
verstärken.
Die Nachverstärkerschaltung
mit einstellbarer Bandbreite ist auf dem Substrat angebracht und
mit einem Ausgang des Vorverstärkerschaltung
gekoppelt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung können eines
oder mehrere der nachstehenden Merkmale umfassen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
weist die Nachverstärkerschaltung
einen Schalter zum Einstellen einer Bandbreitenantwort der Nachverstärkerschaltung
ansprechend auf ein empfangenes Datenrate-Steuersignal auf. Die
Nachverstärkerschaltung weist
ferner ein Tiefpaßfilter
auf, der mit dem Schalter gekoppelt ist. Das Tiefpaßfilter
weist vorzugsweise einen Kondensator auf.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel weist
die Nachverstärkerschaltung
einen breitbandigen Signalweg und einen schmalbandigen Signalweg
auf. Die Nachverstärkerschaltung
weist ferner vorzugsweise einen Multiplexer auf, der konfiguriert ist,
um selektiv ausgegebene elektrische Datensignale, die entweder über den
breitbandigen Signalweg oder den schmalbandigen Signalweg ansprechend auf
ein empfangenes Datenrate-Steuersignal übertragen wurden, zu liefern.
Der breitbandige Signalweg weist vorzugsweise einen Verstärker mit
einer relativ breitbandigen Antwort, und der schmalbandige Signalweg
weist vorzugsweise einen Verstärker mit
einer relativ schmalbandigen Antwort auf.
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Der
Nachverstärker
kann einen Eingangsverstärkungspuffer
umfassen, der mit dem Ausgang des Vorverstärkerschaltung gekoppelt ist.
Die Vorverstärkerschaltung
ist vorzugsweise konfiguriert, um ein elektrisches Datensignal linear
zu verstärken,
das durch den optoelektronischen Wandler über einen spezifizierten Bereich
einer optischen Datensignalleistung erzeugt wurde. Die ROSA kann
ein Kopfmodul bzw. Eingangsmodul umfassen, das auf dem Substrat
angebracht ist und konfiguriert ist, um den optoelektronischen Wandler
und den Vorverstärker zu
häusen.
Der optoelektronische Wandler umfaßt vorzugsweise eine Photodiode.
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Unter
den Vorteilen der Erfindung sind folgende.
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Die
Erfindung sieht einen Lichtwellenleiterempfänger vor, der mehrere Datenraten
realisiert, während
er bestehende Einschränkungen
bezüglich Größe und Pin-Zahl
der Empfängeroptik-Teilanordnung
(ROSA) einhält.
Zusätzlich
ermöglicht
das erfindungsgemäße Anordnen
des einstellbaren Bandbreitenverstärkers außerhalb der ROSA, daß die analogen
elektronischen Datensignale, die durch den optoelektronischen Wandler
erzeugt wurden, zur Datenrückgewinnung
richtig geformt und verstärkt
werden, während
dem Empfänger
ermöglicht
wird, in einem Gehäuse
gehäust
zu werden, das so dimensioniert ist, um in Lichtwellenleiterkommunikationsgeräte mit erheblichen
Größeneinschränkungen
zu passen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines faseroptischen Empfängers, der einen optoelektronischen
Wandler, eine Vorverstärkerschaltung
und eine Nachverstärkerschaltung
und ein Lichtwellenleiterkabel umfaßt, das ein optisches Datensignal
zum Lichtwellenleiterempfänger
trägt.
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2A eine
schematische Querschnitt-Seitenansicht eines Lichtwellenleiterkabels,
das mit einem Paar von dazupassenden Verbindern mit einer Empfängeroptik-Teilanordnung
(ROSA) des Lichtwellenleiterempfängers
von 1 gekoppelt ist.
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2B eine
schematische Querschnitt-Endansicht eines Kopfmoduls der ROSA von 2A entlang
der Linie 2B-2B.
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3 einen
Schaltplan der Nachverstärkerschaltung
von 1.
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4 einen
Schaltplan einer alternativen Nachverstärkerschaltung.
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In
der nachstehenden Beschreibung werden identische Bezugszeichen verwendet,
um ähnliche Elemente
zu identifizieren. Ferner sollen die Zeichnungen Hauptmerkmale der
exemplarischen Ausführungsbeispiele
in schematischer Weise darstellen. Die Zeichnungen sollen nicht
jedes Merkmal der tatsächlichen
Ausführungsbeispiele
oder relative Abmessungen der dargestellten Elemente darstellen und
sind nicht maßstabsgetreu
gezeichnet.
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Unter
Bezugnahme auf 1 umfaßt ein Lichtwellenleiterempfänger 10 bei
einem Ausführungsbeispiel
einen optoelektronischen Wandler 12 (z. B. eine p-i-n-Photodiode),
eine Vorverstärkerschaltung 14 und
eine Nachverstärkerschaltung 16 mit
einstellbarer Bandbreite. Im Betrieb trägt ein Lichtwellenleiterkabel 18 ein
optisches Datensignal 20 zum optoelektronischen Wandler 12.
Ansprechend auf das optische Datensignal 20 erzeugt der optoelektronische
Wandler 12 ein elektrisches Datensignal 22, das
durch eine Vorverstärkerschaltung 14 verstärkt wird.
Die Vorverstärkerschaltung 14 konfiguriert,
um das elektrische Datensignal 22 über einen vorgeschriebenen
Bereich einer optischen Leistung für das optische Datensignal 20 linear
zu verstärken.
Das resultierende vorverstärkte
elektrische Datensignal 24 wird ferner durch die Nachverstärkerschaltung 16 verstärkt, die
das elektrische Datensignal 24 verstärkt und formt, so daß die Daten,
die im Ausgangssignal 26 eingebettet sind, durch eine herkömmliche
Takt- und Datenrückgewinnungsschaltung
extrahiert werden können.
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Wie
nachstehend ausführlich
erklärt
ist, weist die Nachverstärkerschaltung
eine Antwort mit einstellbarer Bandbreite auf, die durch ein Datenrate-Steuersignal 28 gesetzt
werden kann, um das Verhalten des Lichtwellenleiterempfängers 10 für unterschiedliche
Datenraten zu optimieren. Bei einem Ausführungsbeispiel wird z. B.,
wenn die Datenrate des empfangenen optischen Datensignals 20 hoch ist,
die Grenzfrequenz des Nachverstärkers 16 hoch eingestellt
(z. B. etwa 1,5 GHz auf etwa 2,5 GHz), wohingegen, wenn die Datenrate
niedrig ist, die Grenzfrequenz der Nachverstärkerschaltung 16 niedrig
eingestellt wird (z. B. etwa 0,5 GHz auf etwa 1,5 GHz). Die Datenrate
des optischen Datensignals 20 kann a priori bekannt sein
oder durch eine Phasenregelschleife oder andere Verfahren in der
Takt- und Datenrückgewinnungsschaltung
extrahiert werden.
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Wie
in 2A gezeigt ist, umfaßt das Lichtwellenleiterkabel 18 bei
einem Ausführungsbeispiel einen
Kabelverbinder 30, der mit einem dazupassenden Empfängerverbinder 32 des
Lichtwellenleiterempfängers 10 gekoppelt
ist. Der Kabelverbinder 30 umfaßt einen Sockel 34,
der konfiguriert ist, um über eine
vorstehend Lippe 36 des Empfängerverbinders 32 zu
gleiten. Eine kreisförmige
Hülle 38 ist
etwa am entfernten Ende des Lichtwellenleiterkabels 18 angeordnet
und konfiguriert, um in einem Kanal 14, der im Empfängerverbinder 32 definiert
ist, zu gleiten. Der Sockel 34 weist ein Paar von Pins 42, 44 auf,
die in vertikalen Schlitzen 46, 48 der Lippe 36 gleitbar
sind. Der Sockel 34 kann über die Lippe 36 gleiten,
wobei die Pins 42, 44 mit den Schlitzen 46, 48 ausgerichtet sind,
bis die Pins 42, 44 das Ende der Schlit ze 46, 48 erreichen.
Der Sockel 34 kann dann gedreht werden, um die Pins 42, 44 in
Endverlängerungen 50, 52 der Schlitze 46, 48 einzupassen.
Das Verfahren des Einpassens der Pins 42, 44 in
die Endverlängerungen 50, 52 komprimiert
einen Vorspannmechanismus 54 (z. B. einen Gummi-O-Ring),
der den Sockel 34 gegen den Empfängerverbinder 32 treibt,
wodurch der Kabelverbinder 30 effektiv mit dem Empfängerverbinder 32 verriegelt
wird. Wenn sie im Kanal 40 richtig eingepaßt sind,
sind die eine oder mehrere Fasern des Lichtwellenleiterkabels 18 mit
der Linsenanordnung 56 ausgerichtet, die die optischen
Datensignale 20 auf den optoelektronischen Wandler 12 fokussiert.
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Unter
Bezugnahme auf 2B sind der optoelektronische
Wandler 12 und die Vorverstärkerschaltung 14 in
einem Kopfmodul 58 einer Empfängeroptik-Teilanordnung (ROSA) 60 gehäust, die
auf einem Substrat 62 (z. B. einer gedruckten Schaltungsplatine
oder einem anderen Träger
für passive und
aktive Komponenten) des Lichtwellenleiterempfängers 10 angebracht
ist. Die ROSA 60 und das Substrat 62 sind in einem
Empfängergehäuse 63 enthalten.
Der optoelektronische Wandler 12 ist zentral in der ROSA 60 befestigt,
um optische Datensignale, die durch das Lichtwellenleiterkabel 18 getragen
werden, die durch die Linse 56 fokussiert werden, zu empfangen.
Die ROSA 60 umfaßt
auch eine Mehrzahl von isolierten Stützen 64, 66, 68,
die Kanäle
definieren, durch die sich elektrische Verbinder erstrecken, um
das Substrat 62 mit dem optoelektronischen Wandler 12 und
der Vorverstärkerschaltung 14 zu
koppeln. Weil der bandbreiteneinschränkende Schaltungsaufbau, der
zum Verstärken
und Formen der analogen Signale, die vom optoelektronischen Wandler 12 empfangen
werden, notwendig ist, in der Nachverstärkerschaltung 16 angeordnet
ist, kann der Platz in der ROSA 60, der notwendig ist,
um den optoelektronischen Wandler 12 und die Vorverstärkerschaltung 14 aufzunehmen,
verringert werden, und infolgedessen kann das Empfängergehäuse 63 mit einer
relativ kleinen Größe konstruiert
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 3 umfaßt die Nachverstärkerschaltung 16 bei
einem Ausführungsbeispiel
einen positiven Eingang 70 und einen negativen Eingang 72,
von denen jeder mit einem jeweiligen Eingangsverstärkungspuffer 74, 76 gekoppelt ist.
Die Ausgänge
der Verstärkungspuffer 74, 76 sind mit
Tiefpaßfiltern 78, 80 bzw.
den Eingängen 82, 84 eines
Verstärkers 86 mit
einer hohen Verstärkung
gekoppelt. Die Tiefpaßfilter 78, 80 umfassen
einen Kondensator 88, 90 und einen Widerstand 92, 94,
der in Reihe gekoppelt ist. Die Tiefpaßfilter 78, 80 umfassen
ebenfalls jeweilige Schalter 96, 98, die konfiguriert
sind, um die Bandbreitenantwort der Nachverstärkerschaltung 16 gemäß dem Wert
des Datenrate-Steuersignals 28 selektiv einzustellen. Beim
Betrieb, wenn die Datenrate des empfangenen optischen Datensignals 20 hoch
ist, ist das Datenrate-Steuersignal 28 niedrig, das die
Schalter 96, 98 öffnet, um die Kondensatoren 88, 90 von
den Signalwegen durch die Nachverstärkerschaltung 16 zu trennen.
Infolgedessen ist die Grenzfrequenz des Nachverstärkers 16 hoch
eingestellt (z. B. etwa 1,5 GHz bis etwa 2,5 GHz). Wenn die Datenrate
niedrig ist, wird das Datenrate-Steuersignal 28 hoch eingestellt,
das die Schalter 96, 98 schließt, um die Kondensatoren 88, 90 mit
den Signalwegen durch die Nachverstärkerschaltung 16 zu
verbinden. Infolgedessen ist die Grenzfrequenz der Nachverstärkerschaltung 16 niedrig
eingestellt (z. B. etwa 0,5 GHz bis etwa 1,5 GHz).
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Unter
Bezugnahme auf 4 umfaßt die Nachverstärkerschaltung 16 bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
einen breitbandigen Signalweg 100 und einen schmalbandigen
Signalweg 102. Der breitbandige Signalweg 100 umfaßt einen
Verstärker 104, der
durch eine relativ hohe Grenzfrequenz (z. B. etwa 1,5 GHz bis etwa
2,5 GHz) charakterisiert ist, und der schmalbandige Signalweg 102 umfaßt einen
Verstärker 106,
der durch eine relativ niedrige Grenzfrequenz (z. B. etwa 0,5 GHz
bis etwa 1,5 GHz) charakterisiert ist. Die Nachverstärkerschaltung 16 umfaßt auch
einen Multiplexer 108, der konfiguriert ist, um ausgegebene
elektrische Datensignale, die entweder durch den breitbandigen Signalweg 100 oder
durch den schmalbandigen Signalweg 102 ansprechend auf
den Wert des Datenrate-Steuersignals 28 getragen werden,
selektiv zu liefern. Speziell, wenn die Datenrate des empfangenen
optischen Datensignals 20 hoch ist, ist das Datenrate-Steuersignal 28 hoch. Infolgedessen
meldet ein Multiplexer 108 eine Ausgabe der elektrischen
Datensignale, die durch den breitbandigen Signalweg 100 getragen
werden. Wenn die Datenrate des empfangenen optischen Datensignals 20 niedrig
ist, ist das Datenrate-Steuersignal 28 niedrig. Infolgedessen
meldet der Multiplexer 108 die Ausgabe der elektrischen
Datensignale, die durch den schmalbandigen Signalweg 102 getragen werden.
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Der
Empfänger 10 kann
in einem freistehenden Empfängergehäuse gehäust sein
oder zusammen mit einer Senderkomponente in einem Sende- und Empfangsgerätgehäuse gehäust sein.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
befinden sich innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche.
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Obwohl
z. B. die vorstehenden Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit einer Nachverstärkerschaltung mit zwei unterschiedlichen
Bandbreitenantworten beschrieben wurden, können weitere Ausführungsbeispiele
Nachverstärker
mit mehr als zwei unterschiedlichen Bandbreitenantworten umfassen.
Ferner können
andere Nachverstärker
eine kontinuierlich variable Bandbreitenantwort und keine einzelne
Abweichung in der Bandbreitenantwort aufweisen. Die Bandbreitenantwort
der Nachverstärkerschaltung
kann auch auf unterschiedliche Weise eingestellt werden. Zum Beispiel
kann die Bandbreitenantwort durch Variieren der Vorspannbedingungen
eines Transistors mit variabler Transkonduktanz in der Nachverstärkerschaltung
eingestellt werden. Alternativ kann die Bandbreitenantwort durch
Variieren der Vorspannung, die an einen Varaktor (spannungsvariablen
Kondensator) in der Nachverstärkerschaltung
angelegt ist, eingestellt werden. Zusätzlich können, anstelle des Variierens
der Kapazitäts werte wie
bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen,
die Widerstandswerte in den Tiefpaßfiltern, die mit den Signalwegen
durch die Nachverstärkerschaltung
gekoppelt sind, variiert werden. Die Bandbreitenantwort kann alternativ
durch Variieren der Verstärkung
eines Verstärkers
in der Nachverstärkerschaltung
eingestellt werden.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
können
Lichtwellenleiterverbinder verwenden, die sich von den Verbindern 30, 32 des
Bajonett-Typs unterscheiden, um das Lichtwellenleiterkabel 18 mit
dem Empfänger 10 zu
koppeln.