DE19512771A1 - Optische Signalübertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Signalübertragungsvorrichtung, bei der zwei Stationen bidirektional miteinander kommunizieren. Es sind viele optische Übertragungssysteme bekannt, bei denen zwischen zwei oder mehr Stationen Daten mittels eines Lichtwellenleiter­ kabel-Übertragungsnetzwerks unter Ausnutzung der Tatsache übertragen werden, daß die Lichtwellenleiter-(LWL)-Signalübertragung gegenüber elektromagnetischen Störungen immun ist und eine hervorragende Explosionssicherheit bietet.

Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das eine herkömmliche optische Signalübertragungsvorrichtung darstellt. In Fig. 7 ist mit 10 eine Steuerstation bezeichnet, während 20 und 30 Feldstationen darstellen, die über LWLs 41 und 42 und Steckverbinder 51a und 51b mit der Steuerstation verbunden sind. In Fig. 7 bezeichnen ferner 11 und 21 Steuerschaltungen, 13a und 13b Licht- Transceiver-Schaltungen, 131 und 222 Lichtquellen, 132 und 221 Lichtempfänger und 133 und 23 Lichtspalter-Koppler.

Die Steuerstation 10 steuert die gesamte Vorrichtung. Die Feldstationen 20, 30 arbeiten als Sensoren, die Temperatur, Druck etc. messen, oder als Stellglieder, die Temperatur, Druck etc. einstellen. Jede der Steuer- und Feldstationen weist eine optische Transceiver-Schaltung umfas­ send eine Lichtquelle, einen Lichtempfänger und einen optischen Lichtspalter-Koppler zur Über­ tragung und zum Empfang von Steuerdaten und Meßdaten über die LWLs 41 und 42 auf. Man kann annehmen, daß die Feldstationen 20, 30 sich in ungünstigen Umgebungen befinden, bei­ spielsweise gefährlichen Bereichen einer Ölraffinerie, in denen ein Aufflammen oder Zünden niemals stattfinden sollte. Aus diesem Grund dient eine Batterie 27 als Stromquelle, wobei höchste Priorität der Explosionssicherheit oder der Erfüllung der Sicherheitsbedingungen zur Vermeidung von Hochspannungsstromversorgungen eingeräumt wird.

Da die in den Feldstationen benutzten Batterien periodisch ausgewechselt werden müssen, ist diese herkömmliche optische Signalübertragungsvorrichtung mit entsprechend hohen Kosten und Mannstunden zum Austausch der Batterien verbunden.

Im Hinblick auf das Voranstehende besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine optische Signalübertragungsvorrichtung zu schaffen, die mit weniger Wartung und geringeren Wartungskosten auskommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Signalübertragungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung werden gesonderte Stromversorgungen für die Feld­ stationen vermieden und der Mannstunden- und Kostenaufwand für die Wartung der optischen Signalübertragungsvorrichtung dadurch verringert, daß eine Stromversorgung nur in der Steuer­ station installiert wird, über einen LWL Signale übertragen und optisch Leistung zugeführt wird und die optisch übertragenen Signale sowie die optisch übertragene Leistung in den Feld­ stationen in elektrische Signale und elektrische Leistung umgewandelt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform einer optischen Signalübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Beispiel des Lichtspalter-Kopplers gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Beispiel des Signalverlaufs der von der Steuerstation von Fig. 1 ausgesandten Lichtwelle,

Fig. 4 an anderes Ausführungsbeispiel des Lichtspalter-Kopplers der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Beleuchtungsintensitätsverteilung auf dem inte­ grierten optoelektrischen und elektrooptischen Wandler von Fig. 2,

Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der Beleuchtungsintensitätsverteilung auf dem inte­ grierten optoelektrischen und elektrooptischen Wandler von Fig. 4, und

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer optischen Signalübertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik.

Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer optischen Signalübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Dabei erfolgt die Erläuterung der optischen Signalübertragung und der optischen Leistungszufuhr aufgrund der Annahme, daß eine Steuerstation 10 optische Leistung liefert, während Feldstationen 20 und 30 optische Leistung empfangen.

In der Steuerstation 10 ist eine optische Transceiver-Schaltung 13a (13b) zur Übertragung von Signallicht an und zum Empfang von Signallicht von der Feldstation 20 (30) installiert. Die Transceiver-Schaltung 13a (13b) wird von einer Steuerschaltung 11 gesteuert. Die Steuer­ station 10 und die Feldstation 20 (30) sind über Steckverbinder 51a und 51b und einen LWL 41 (42) verbunden.

Die Transceiver-Schaltung 13a (13b) umfaßt eine Lichtquelle 131, die Signallicht und Leistungs­ licht an die Feldstation 20 sendet, einen Lichtspalter-Koppler 133, der eine Doppelfunktion als Positivlinse und Lichtspalter aufweist, und einen Lichtempfänger 132. Vorzugsweise wird ein optischer Wellenlängenselektionsfilterfilm 133b gemäß Darstellung in Fig. 2(A) für den Lichtspalter-Koppler 133 verwendet. Statt dessen kann ein optischer Strahlspalter ohne Wellen­ längenabhängigkeit, beispielsweise ein Halbspiegel, für den Lichtspalter-Koppler 133 benutzt werden.

In der Feldstation 20 befinden sich ein Lichtspalter-Koppler 23, ein integrierter optoelektrischer und elektrooptischer Wandler 22 und eine Steuerschaltung 21, die den Lichtspalter-Koppler 23 und den Wandler 22 steuert. Der Wandler 22 umfaßt eine Lichtquelle 222, die Signallicht an die Steuerstation 10 sendet, einen Lichtempfänger 221 f der Signallicht von der Steuerstation 10 empfängt, und eine Lichtempfangsanordnung 223, die das von der Steuerstation 10 gesandte Leistungslicht in eine elektrische Größe (elektrische Leistung) umsetzt.

Die Lieferung elektrischer Energie von der Steuerstation 10 an die Feldstation 20 wird nachfol­ gend detailliert erläutert.

Die Lichtquelle 131, beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, deren Emissions­ mittenfrequenz 780 nm beträgt, sendet das Signallicht und das Leistungslicht an die Feldstation 20. Ein Gleichkomponente, die gemäß Darstellung in Fig. 3 den größten Teil der von Lichtquelle 131 emittierten Lichtmenge ausmacht, wird für die elektrische Leistungsübertragung verwendet. Eine der Gleichkomponente überlagerte Wechselkomponente dient der Datenübertragung. Eine Treiberschaltung 12 in Fig. 1 treibt die Lichtquelle 131 mit einem Strom, bei dem eine Wechsel­ stromkomponente einer Gleichstromkomponente überlagert ist.

Nachfolgend werden das Signallicht und das Leistungslicht, die von der Lichtquelle 131 emittiert werden, zusammen als "Licht" bezeichnet. Das Licht wird mittels des Lichtspalters-Kopplers 133 zur Konvergenz gebracht und gefiltert, über den Steckverbinder 51a als Ausgangsanschluß der Steuerstation 10 auf den LWL 41 gekoppelt und an die Feldstation 20 übertragen. Wie schon erwähnt, hat der Lichtspalter-Koppler 133 eine Doppelfunktion als Positivlinse 133a und Wellenlängenselektionsfilterfilm 133b, wie in Fig. 2(A) gezeigt.

In der Feldstation 20 wird das von der Steuerstation 10 gesandte Licht über den Steckverbinder 51b eingespeist, von dem Lichtspalter-Koppler 23 zur Konvergenz gebracht und auf den Wand­ ler 22 verteilt. In dem integrierten optoelektrischen und elektrooptischen Wandler 22 wandelt der Lichtempfänger 221 die Signalkomponente des Lichts in ein elektrisches Signal um, während die Lichtempfangsanordnung 223 die Leistungskomponente des Lichts in eine elektri­ sche Größe umwandelt. Das elektrische Signal wird der Steuerschaltung 21 zugeführt, die aus dem elektrischen Signal Steuerdaten entnimmt. Die elektrische Größe wird als Stromversorgung für alle Instrumente und Vorrichtungen der Feldstation wie die Lichtquelle 222, die Steuer­ schaltung 21 etc. verwendet.

Der Prozeß der Signallichtübertragung von der Feldstation 20 an die Steuerstation 10 ist wie folgt. Die Lichtquelle 222 umfaßt eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, deren Emissions­ mittenfrequenz 850 nm beträgt und sich von der Emissionsmittenfreqenz der Lichtquelle 131 der Steuerstation 10 unterscheidet. Hierdurch wird eine bidirektionale optische Datenüber­ tragung ermöglicht.

Die Feldstation 20 sendet Signallicht von der Lichtquelle 222 des Wandlers 22. Das Signallicht von der Lichtquelle 222 wird in dem Lichtspalter-Koppler 23 zur Konvergenz gebracht, mittels des Steckverbinders 51b als Ausgangsanschluß der Feldstation 20 auf den LWL 41 gekoppelt und an die Steuerstation 10 übertragen. In der Steuerstation 10 wird das übertragene Signal­ licht über den Steckverbinder 51a an den Filterfilm 133b des Lichtspalter-Kopplers 133 über­ geben. Der Filterfilm 133b lenkt den Weg des übertragenen Signallichts um (reflektiert das über­ tragende Signallicht), so daß dieses auf den Lichtempfänger 132 auftrifft. Der Lichtempfänger 132 wandelt das Signallicht in ein elektrisches Signal um und liefert das elektrische Signal an die Steuerschaltung 11. Die Steuerschaltung 11 entnimmt dem elektrischen Signal Meßdaten von der Feldstation 20 wie Temperatur, Druck etc.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 sollen nun der integrierte optoelektrische und elektrooptische Wandler 22 und der Lichtspalter-Koppler 23 erläutert werden.

In dem Wandler 22 sind der kleine Lichtempfänger 221, der das Signallicht von der Steuer­ station 10 empfängt, und die kleine Lichtquelle 222, die das Signallicht an die Steuerstation sendet, im zentralen Teil angeordnet und mit der umgebenden Lichtempfangsanordnung 223 zu einer Einheit integriert, wie Fig. 2(B) gezeigt. Die Lichtempfangsanordnung 223 umfaßt eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Lichtempfängeranordnungen oder -elementen und erzeugt mit dem von der Steuerstation empfangenen Leistungslicht eine Spannung, die hoch genug ist, um die in der Feldstation 20 verbrauchte elektrische Leistung zu liefern und alle die Instrumente und Einrichtungen der Feldstation 20 zu treiben.

Wie in Fig. 2(A) gezeigt, macht der Lichtspalter-Koppler 23 aus dem über den Steckverbinder 51b von der Steuerstation 10 gesandten Signallicht mittels einer Positivlinsenfläche (oder Posi­ tivlinse) 231 des Lichtspalter-Kopplers 23 einen parallelen Strahl. Dann verteilt der Lichtspalter- Koppler 23 den erhaltenen parallelen Strahl (empfangene Signallichtmenge) in einem konstanten Verhältnis auf den kleinen Lichtempfänger 221 und die Lichtempfangsanordnung 223 des Wandlers 22 und zwar mittels einer kegelstumpfartigen Negativlinsenfläche (oder Negativlinse) 232.

Der kleine Lichtempfänger 221 des Wandlers 22 umfaßt beispielsweise einen Verbindungshalb­ leiterdünnfilm der Galliumarsenid (GaAs), Silizium (Si) etc. enthält. Es ist günstig, einen Gallium­ arsenid-Dünnfilm zu verwenden, der eine höhere Energieumwandlungsrate bei geringerer Film­ dicke aufweist als Silizium (siehe cf. T. Imai, "Compound Semiconductor Device", Kogyou Chosakai Publishing Co. Ltd., 1985, S. 314-315).

Verbindungshalbleiter der Gruppe III-V einschließlich Galliumarsenid sind als Lichtquellen verwendet worden, während Silizium für Lichtempfänger und Lichtempfängeranordnungen (Lichtempfangsfelder) verwendet wurde. Man hat es daher als schwierig angesehen, eine Licht­ quelle, einen Lichtempfänger und eine Lichtempfängeranordnung auf einem Substrat auszubilden (siehe cf. H. Matsueda "Physics of Optoelectronic Integrated Circuit", Shyokabou Publisher Co. Ltd., 1989, S. 244-246). Bei Verwendung von Galliumarsenid für den Lichtempfänger und die Lichtempfängeranordnung können jedoch eine Lichtquelle, ein Lichtempfänger und eine Licht­ empfängeranordnung leicht auf einem einzigen Chip integriert werden.

Fig. 4 zeigt die Anordnung von Fig. 2 in modifizierter Form. In Fig. 4 umfaßt ein Strahlspalter- Koppler 24 eine Positivlinse 241, die dem Steckverbinder 51b gegenüberliegt und zugewandt ist und eine Positivlinse 242, die dem Wandler 22 gegenüberliegt und zugewandt ist. D.h., die kegelstumpfartige Negativlinse 232, die bei der Anordnung von Fig. 2 dem Wandler 22 gegen­ überliegt und ihm zugewandt ist, ist in Fig. 4 durch die kegelstumpfartige Positivlinse 242 ersetzt.

Die Fig. 5 und 6 sind Diagramme zur Erläuterung der Beleuchtungsintensitätsverteilungen auf den Wandlern 22 bei den Fig. 2 bzw. 4.

Das Fernfeldmuster des Lichts von einem LWL ändert sich abhängig von der Art der Leitungs­ führung und dem Anschluß des LWL. Das Fernfeldmuster von Fig. 5(A) entspricht der Anord­ nung, die in Fig. 5(B) gezeigt ist, während das Fernfeldmuster von Fig. 6(A) der in Fig. 6(B) gezeigten Anordnung entspricht.

Wenn die Intensität des von dem LWL emittierten Lichts in der Mitte hoch und am Rand gering ist, wie in Fig. 5(A) und in Fig. 6(A) gezeigt, und wenn die kegelstumpfartige Linse negativ ist, wie durch die Bezugzahl 232 in den Fig. 2 und 5 bezeichnet, dann ist die Beleuchtungsintensität auf der Lichtempfangsanordnung 223 geringer als die auf dem Lichtempfänger 221, wie in Fig. 5(C) gezeigt. Als Folge nimmt die in elektrische Leistung umzusetzende Lichtmenge, die den größten Teil des Lichts von der Steuerstation 10 ausmacht, ab.

Wenn im Gegensatz dazu die kegelstumpfartige Linse positiv ist, wie durch die Bezugszahl 242 in den Fig. 4 und 6 bezeichnet, dann ist die Beleuchtungsintensität auf der Lichtempfangsan­ ordnung 223 höher als diejenige auf dem Lichtempfänger 221, wie in Fig. 6(C) gezeigt. Die Ausgestaltung von Fig. 4 ermöglicht daher eine effizientere Leistungsumwandlung als die von Fig. 2.

Claims (8)

1. Optische Signalübertragungsvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten opti­ schen Übertragungsstation (10, 20, 30), die über einen Lichtwellenleiter (41, 42) zur bidirektio­ nalen Kommunikation verbunden sind, umfassend eine in der ersten optischen Über­ tragungsstation (10) installierte Stromversorgungseinrichtung (12, 131) zur Lieferung von elek­ trischer Leistung an die zweite optische Übertragungsstation (20, 30) auf optischem Wege.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Übertragungsstation umfaßt:
eine erste Lichtquelleneinrichtung (131) zur Ausstrahlung von erstem Signallicht einer vorbestimmten ersten Frequenz sowie von Leistungslicht,
eine Treibereinrichtung (12) zur Ansteuerung der ersten Lichtquelleneinrichtung mittels einer Gleichstromkomponente, der eine Wechselstromkomponente überlagert ist,
eine erste Empfängereinrichtung (132) zur Umwandlung von zweitem von der zweiten Übertragungsstation (20, 30) gesendetem Signallicht in ein elektrisches Signal und
eine erste Steuerungseinrichtung zur Steuerung der ersten Lichtquelleneinrichtung (131), der ersten Treibereinrichtung (12) und der ersten Empfängereinrichtung, und
die zweite Übertragungsstation (10, 20) umfaßt:
einen optoelektrischen und elektrooptischen Wandler (22) mit einer zweiten Licht­ quelleneinrichtung (222) zur Abstrahlung des zweiten Signallichts einer zweiten Frequenz, einer zweiten Empfängereinrichtung zur Umwandlung des ersten von der ersten Übertragungsstation gesandten Signallichts in ein elektrisches Signal, und einer Lichtempfangsfeldeinrichtung, die um die zweite Lichtquelleneinrichtung und die zweite Empfängereinrichtung herum angeordnet ist, um das von der ersten Übertragungsstation gesandte Leistungslicht in elektrische Leistung umzuwandeln, und
eine zweite Steuereinrichtung zur Steuerung des optoelektrischen und elektrooptischen Wandlers (22).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die erste Übertragungsstation (10) ferner eine erste optische Strahlspalt- und -Kopplungseinrichtung (133) aufweist, die eine Positivlinsen­ einrichtung (133a) und eine Lichtspalteinrichtung (133b) umfaßt, von denen die Positivlinsen­ anordnung das erste Signallicht auf dem Lichtwellenleiter zur Konvergenz bringt und die Lichtspalteinrichtung das zweite Signallicht von der zweiten Übertragungsstation (20, 30) auf die erste Empfängereinrichtung (132) koppelt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Lichtspalteinrichtung ein Wellenlängen­ selektionsfilter (133b) umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die zweite Lichtquellen­ einrichtung (222), die zweite Empfängereinrichtung (221) und die Lichtempfangsfeldeinrichtung (223) einen Verbundhalbleiterfilm umfassen und zu einem einstückigen optoelektrischen und elektrooptischen Wandler (22) integriert sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Lichtempfangsfeldanord­ nung (223) einen Verbindungshalbleiter umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der die zweite Übertragungs­ station (20, 30) eine zweite optische Strahlspalt- und -Kopplungseinrichtung (23) mit einer kegelstumpfartigen Negativlinse (232), die dem optoelektrischen und elektrooptischen Wandler (22) zugewandt ist, und einer Positivlinse (231), die dem Lichtwellenleiter (41) zugewandt ist, umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der die zweite Übertragungs­ station (20, 30) eine zweite optische Strahlspalt- und -Kopplungseinrichtung (24) mit einer kegelstumpfartigen Positivlinse (242), die dem optoelektrischen und elektrooptischen Wandler (22) zugewandt ist, und einer Positivlinse (241), die dem Lichtwellenleiter (41) zugewandt ist, umfaßt.