DE1614820B2 - Optisches Nachrichtenübertragungssystem mit Pulscodemodulation - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Nachrichtenübertragungssystem mit Pulscodemodulation unter Verwendung eines Halbleiterinjektionslasers, der durch elektrische Impulse, welche mittels eines Impulsgenerators erzeugt werden, angeregt wird.

Neben den Lasern, die optisch angeregt werden, haben elektrisch angeregte Laser Bedeutung erlangt; hierbei insbesondere Gasentladungslaser und Halbleiterlaser. Besonders bei dem letzteren kann die Anregungsenergie bis zu sehr hohen Frequenzen (bis ins GHz-Gebiet) moduliert werden, beispielsweise mit Impulsmodulation. Ein impulsmodulierter Halbleiterlaser ist beispielsweise aus der Zeitschrift »Radio und Fernsehen«, Bd. 16, Nr. 3, 1967, S. 70 und 71 bekannt. Die Erzeugung hoher Impulsfolgefrequenzen bei den erforderlichen hohen Stromstärken bereitet mit herkömmlichen Impulsgeneratoren naturgemäß Schwierigkeiten.

Eine weitere Schwierigkeit ist darin zu sehen, daß eine Laserdiode einen sehr kleinen Eingangswiderstand (in der Größenordnung zehntel Ohm) besitzt, so daß von einem im allgemeinen mit einem relativ hohen Ausgangswiderstand behafteten Impulsgenerator zur Laserdiode Anpassungsmaßnahmen erforderlich werden, die im Hinblick auf die zu übertragenden hohen Frequenzen erheblichen Aufwand verursachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, die die genannten Schwierigkeiten vermeidet und zusätzlich Möglichkeiten zur Pulscodedemodulation (PCM) bietet.

Die Erfindung besteht bei einem Nachrichtenübertragungssystem mit Pulscodemodulation unter Verwendung eines Halbleiterinjektionslasers, der durch elektrische Impulse, welche mittels eines Impulsgenerators erzeugt werden, angeregt wird, darin, daß als Impulsgenerator ein Gunn-Impulsgenerator vorgesehen ist.

Ein solcher Gunn-Impulsgenerator gibt Impulse mit hohen Folgefrequenzen, kleinen Anstiegszeiten und hohen Stromstärken ab und ist in seiner Ausgangsimpedanz niederohmig.

Gunn-Impulsgeneratoren sind Halbleiterbausteine. Bekanntgeworden ist ein Gunn-Baustein, der aus einem homogen dotierten n-GaAs-Kristall mit ohmscher Kontaktierung besteht.

In den Zeichnungen sind einige Diagramme eines Gunn-Impulsgenerators sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die im folgenden näher beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 die Stromspannungskennlinie eines Gunn-Impulsgenerators,

F i g. 2 eine von einem Gunn-Impulsgenerator abgegebene Impulsfolge,

F i g. 3 eine von einem Gunn-Impulsgenerator abgegebene Impulsfolge, die durch zusätzliche Trigger-Impulse ausgelöst sind,

F i g. 4 ein Blockschaltbild eines Nachrichtenübertragungssystems mit einem von einem Gunn-Impulsgenerator angesteuerten Halbleiterlaser,

F i g. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausgestaltung des Nachrichtenübertragungssystems mit einem gesteuerten Schalter zur Codierung der dem Halbleiterlaser zugeführten Ansteuerimpulse,

F i g. 6 ein Blockschaltbild einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystems mit einem Modulator zur Modulation der von einem Halbleiterlaser ausgesandten Lichtimpulse,

F i g. 7 eine empfängerseitige Regenerationsschaltung unter Verwendung eines von einem Gunn-Impulsgenerator angesteuerten Halbleiterlasers.

F i g. 1 zeigt die Stromspannungskennlinie eines Gunn-Bausteins. Ein solcher Gunn-Baustein kann beispielsweise auf folgende Weise als Impulsgenerator betrieben werden. An die ohmschen Kontakte wird eine Spannung u angelegt. Bleibt diese Span-

nung u unterhalb der kritischen Spannung U_k des Gunn-Bausteins, so gibt dieser einen Strom I₁ ab. Wird eine Spannung u1>U_k angelegt, so geht der abgegebene Strom in eine Impulsfolge über und schwankt zwischen den Werten I₁ und Z₂ <C I₁, F i g. 2 zeigt einen derartigen Strom-Zeit-Verlauf.

Eine andere Möglichkeit zur Impulserzeugung besteht darin, an den Gunn-Baustein eine Spannung anzulegen, die kleiner ist als U_k, und dieser Spannung Triggerimpulse zu überlagern, in deren Verlauf die kritische Spannung überschritten wird. Diese Triggerung kann auch durch eine zusätzliche Triggerelektrode an dem Gunn-Baustein bewirkt werden. F i g. 3 zeigt im oberen Teil die angelegte Spannung mit überlagerten Triggerimpulsen; im unteren Teil ist dargestellt, wie sich unter dem Einfluß der angelegten Gleichspannung zunächst ein Strom Z₁ einstellt, der auf den Triggerimpuls hin sehr schnell auf den Wert Z₂ zurückgeht, diesen Wert eine gewisse Zeit (Driftzeit der Hochfeldzone durch den Baustein) beibehält und dann wiederum den Wert Z₁ annimmt.

Eine genauere Beschreibung der Wirkungsweise eines Gunn-Impulsgenerators ist beispielsweise in IEEE Transactions Electron Devices, Bd. ED-13, Nr. 1, Januar 1966, S. 79 bis 87 enthalten.

Als ein Ausführungsbeispiel zeigt die F i g. 4 im Blockschaltbild ein Nachrichtenübertragungssystem gemäß der Erfindung. Eine Halbleiterlaserdiode 1 ist über einen Koppelkondensator 2 mit einem Gunn-Stromimpulsgenerator 3 verbunden. Letzterer ist mit einer Spannung, die unterhalb der kritischen Spannung U_k liegt, vorgespannt. Das zu übertragende Signal wird in einem Codierer 4 in digitale Signale umgewandelt und über einen Koppelkondensator 5 zur Potentialtrennung dem Impulsgenerator 3 über eine Triggerelektrode zugeführt. Die digitalen Signale haben die Wirkung der Triggerimpulse, die im Zusammenhang mit der Fig. 3 erwähnt wurden. Der Gunn-Stromimpulsgenerator 3 erzeugt eine dem digitalen Signal entsprechende Impulsfolge, die in der Halbleiterlaserdiode in Lichtimpulse umgesetzt wird.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Koppelkondensator 2 ersetzt durch eine dielekirische Schicht, die den Gunn-Impulsgenerator 3 und die Halbleiterlaserdiode 1 mechanisch und hochfrequenzmäßig miteinander verbindet.

F i g. 5 zeigt eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystems, wiederum als Blockschaltbild. Ein Gunn-Stromimpulsgenerator 3 ist mit einer Spannung, die oberhalb der kritischen Spannung U_k liegt, vorgespannt und erzeugt deshalb eine Impulsfolge, wie es im Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben worden ist. Durch einen an den Gunn-Stromimpulsgenerator 3 angeschlossenen Richtkoppler 6 wird ein Teil der Impulse zum Zwecke der Synchronisierung dem Codierer 4 zugeführt. Der Codierer 4 wandelt wiederum das zu übertragende Signal in digitale Signale um. Es ist nun ein gesteuerter Schalter 7 vorgesehen, dem zum einen die Impulse aus dem Richtkoppler 6 zugeführt werden, zum anderen die digitalen Signale aus dem Codierer 4 als Steuergröße. Der Schalter 7 wird nun so gesteuert, daß die aus dem Richtkoppler 6 ankommenden Impulse in dem Abschlußnetzwerk 8 vernichtet werden, wenn innerhalb der digitalen Signale der Wert Null auftritt, und über eine Koppelkapazität 2 der Halbleiterlaserdiode 1 zugeführt werden, wenn innerhalb der digitalen Signale der Wert L auftritt. Die somit kodierten Stromimpulse aus dem Schalter 7 regen die Halbleiterlaserdiode 1 wiederum zu Lichtimpulsen an.

F i g. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nachrichtensystems. Ein Gunn-Stromimpulsgenerator wird wie beschrieben durch eine Vorspannung oberhalb der kritischen Spannung U_k zu einer Impulsfolge angeregt, die über einen Koppelkondensator 2 die Halbleiterlaserdiode 1 zur Abgabe einer Folge von Lichtimpulsen anregt. Diese Lichtimpulse werden zum einen Teil einem elektrooptischen Modulator 9 zugeführt, zum anderen steuern sie über eine Photodiode 10 einen Verstärker 11 an, der Synchronisierimpulse an den Codierer 4

• liefert, welcher wiederum das zu übertragende Signal in digitale Signale umwandelt. Diese werden ebenfalls dem Modulator 9 zugeführt. Der Modulator 9 erzeugt zum einen aus den Lichtimpulsen, die ihm aus der Halbleiterlaserdiode 1 direkt, und zum anderen aus den digitalen elektrischen Signalen, die ihm aus dem Codierer 4 zugeführt werden, eine Folge von Lichtimpulsen, die gemäß dem zu übertragenden Signal codiert ist.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 läßt sich in vorteilhafter Weise eine geringe Baugröße erreichen, wenn der Koppelkondensator 2 wiederum durch eine die Bauteile 1 und 3 verbindende dielektrische Zwischenschicht ersetzt wird und die Photodiode 10 unmittelbar an die Halbleiterlaserdiode 1 angebaut wird.

Nachdem bisher die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems auf der Sendeseite einer Nachrichtenübertragungsstrecke beschrieben worden ist, soll im folgenden auf einen vorteilhaften Einsatz auf der Empfangsseite eingegangen werden. Bei längeren Übertragungsstrecken, beispielsweise mit Lichtwellenleitern, werden die ausgesendeten Lichtimpulse mehr oder weniger verzerrt. Fig.7 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Regeneration solcher verzerrten Lichtimpulse.

Der Gunn-Stromimpulsgenerator 3 wird unterhalb der kritischen Spannung U_k vorgespannt. Eintreffende verzerrte Lichtimpulse werden dem Halbleiterkörper des Impulsgenerators 3 zugeführt und verursachen am Ort des Auftreffens eine örtliche Leitfähigkeitserhöhung und damit einen ebensolchen örtlichen Spannungseinbruch. Ein solcher verursacht, da die gesamte anliegende Spannung konstant bleibt, an anderer Stelle im Halbleiterkörper eine Spannungserhöhung, die wie ein im Zusammenhang mit F i g. 3 beschriebener Triggerimpuls wirkt. Der Gunn-Stromimpulsgenerator 3 erzeugt also auf Grund der eintreffenden, verzerrten Lichtimpulse neue elektrische unverzerrte Impulse, die wiederum über einen Koppelkondensator 2 der Halbleiterlaserdiode 1 zugeführt werden, die regenerierte Lichtimpulse aussendet.

Auch hier ist es vorteilhaft, die Koppelkapazität 2 durch eine dielektrische Zwischenschicht zu ersetzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Nachrichtenübertragungssystem mit Pulscodemodulation unter Verwendung eines Halbleiterinjektionslasers, der durch elektrische Impulse, welche mittels eines Impulsgenerators erzeugt werden, angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Impulsgenerator ein Gunn-Impulsgenerator (3) vorgesehen ist.

2. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte elektrisch und/oder optisch triggernde Mittel zur Ansteuerung des Gunn-Impulsgenerators (3) im Sinne der Pulscodemodulation vorgesehen sind.

3. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen Gunn-Impulsgenerator (3) und Halbleiterlaserdiode (1) eingeschalteter Pulscode-Modulätor (4, 6, 7, 8) als gesteuerter Schalter (7) ausgebildet ist.

4. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die von dem Laser (1) abgegebenen Lichtimpulse im Sinne der Pulscodemodulation beeinflussender an sich bekannter Modulator (9) vorgesehen ist (vgl. F i g. 6).

5. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch seine Anwendung auf die Erzeugung von Lichtimpulsen aus anderen, den Gunn-Impulsgenerator (3) ansteuernden Lichtimpulsen (vgl. F i g. 7).

6. Nachrichtenübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper des Gunn-Impulsgenerators (3) und die Laserhalbleiterdiode (1) durch eine dielektrische Zwischenschicht mechanisch miteinander verbunden ist.

7. Nachrichtenübertragungssystem nach An-Spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Auskopplungsmittel (6) am Ausgang des Gunn-Impulsgenerators (3) vorgesehen sind, die aus den erzeugten Impulsen Synchronisiergrößen ableiten.

8. Nachrichtenübertragungssystem nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, daß als photoelektrische Wandler Photodioden (10) vorgesehen sind, die aus den erzeugten Lichtimpulsen Synchronisiergrößen ableiten.

9. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper des Gunn-Stromimpulsgenerators (3) und der Laserhalbleiterdiode (1) sowie die Photodiode (10) zu einem Baustein vereinigt sind. "