DE19621794A1 - Bidirektionale, optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung zur bidi­ rektionalen Kommunikation zwischen zwei Stationen, wobei elektrische Leistung über einen Lichtstrahl von einer Station zur anderen geliefert wird.

Es sind viele optische Übertragungssysteme bekannt, die Daten über ein Lichtwellenleiter-Kabel­ netzwerk zwischen zwei oder mehr Stationen übertragen. Solche Systeme bieten eine erhöhte Datensicherheit, Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI und RFI) und aus­ gezeichnete Explosionsschutzeigenschaften. Diese letzteren Eigenschaften machen solche Systeme besonders für den Betrieb in potentiell explosiven Umgebungen geeignet.

Fig. 11 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen optischen Signalübertragungsvorrichtung mit einer Steuerstation 10 und zwei Feldstationen 20 und 30. Die Steuerstation 10 steuert die beiden Feldstationen 20 und 30. Die Feldstation 20 enthält typischerweise Meßfühler und arbei­ tet als Sensor zur Temperaturmessung, Druckmessung etc. oder als Stellglied zur Tempera­ tureinstellung, Druckeinstellung etc. Die Steuerstation 10 enthält eine optische Transceiver­ schaltung 13a zur Kommunikation mit der Feldstation 20. Die Steuerstation 10 enthält ferner eine optische Transceiverschaltung 13b für die Kommunikation mit der Feldstation 30. Die Feld­ station 30 ist in gleicher Weise ausgebildet wie die Feldstation 20, und die optischen Transcei­ verschaltungen 13a und 13b sind ebenfalls gleich. Es reicht daher, nachfolgend lediglich die Feldstation 20 und die Transceiverschaltung 13a zu beschreiben.

Die Transceiverschaltung 13a enthält eine Lichtquelle 131 zur Erzeugung eines Lichtstrahls. Der Lichtstrahl durchläuft einen optischen Strahlspalter/Koppler 133 und einen Lichtwellenleiter (LWL) 41 zur Feldstation 20. In der Feldstation 20 tritt der Lichtstrahl in einen Strahlspal­ ter/Koppler 23 ein, von dem er zu einem Lichtempfänger 29 reflektiert wird. Der Lichtempfänger 29 setzt das optische Signal in ein elektrisches Signal um, welches an eine Steuerschaltung 21 gegeben wird. Die Steuerschaltung 21 ist ein Interface zu irgendeiner Art Meßwandler (nicht gezeigt) oder einem Sensor (nicht gezeigt), die in der Feldstation 20 enthalten sind. Die Steuer­ schaltung 21 erfaßt Steuerdaten in dem elektrischen Signal. Die Steuerschaltung 21 steuert eine Lichtquelle 22 zur Erzeugung eines abgehenden Lichtstrahls, der den Strahlspalter/Koppler 23 und den LWL 41 durchläuft. Dieser Lichtstrahl wird von dem Strahlspalter/Koppler 133 zu einem Lichtempfänger 132 reflektiert. Der Lichtempfänger 132 setzt das optische Signal in ein elektrisches Signal um, welches an eine Steuerschaltung 11 gegeben wird. Die Steuerschaltung 11 entnimmt daraus die von der Feldstation 20 erzeugten Daten. Der LWL 41 ist mit der Steu­ erstation 10 über eine Verbindungsanordnung 51a und mit der Feldstation 20 über eine Verbin­ dungsanordnung 51b verbunden (die Verbindungsanordnungen können etwa Steckverbinder sein). Eine Batterie 25 speist die Feldstation 20.

Die Feldstationen 20, 30 können sich in einem ungünstigen Umfeld befinden, beispielsweise in gefährlichen Bereichen einer Ölraffinerie oder einer chemischen Fabrik, in denen eine potentiell explosive Atmosphäre vorhanden ist. Deshalb wird die Batterie 25 zur Vermeidung hoher Span­ nungen benutzt, um eine Explosionssicherheit zu erreichen oder entsprechenden Sicherheitsbe­ dingungen zu genügen.

Die Batterie 25 muß regelmäßig ausgetauscht werden. Dazu muß Sorge getragen werden, daß die Feldstation 20 so ausgelegt und angeordnet wird, daß ein Batterieaustausch ermöglicht wird. Das herkömmliche optische Signalübertragungssystem erfordert daher hohe Material- und Arbeitskosten für den Austausch von Batterien.

Aus diesen Gründen sind optisch gespeiste Signalübertragungssysteme entwickelt worden, bei denen eine Batterie nicht mehr benötigt wird. Solarzellen werden dazu verwendet, Licht, das über einen Leistungs-LWL übertragen wird, in elektrische Leistung zum Betrieb der Feldstation umzusetzen. Das Rückkehrsignal von der Feldstation wird normalerweise über einen gesonder­ ten LWL geführt. Dies erfordert zwei LWLs, den Leistungs-LWL und den Signal-LWL.

Man hat Sensorsysteme entwickelt, die sowohl für die Leistungsübertragung als auch die Signalübertragung einen einzigen LWL verwenden. Ein Leistungslichtstrahl wird von einer Steu­ erstation über einen LWL zu einem Fernsensor gesandt, wo ein Teil des Lichts in elektrische Leistung zum Betrieb des Sensors umgesetzt wird. Der Rest des Lichtstrahls kehrt nach Modula­ tion mit einem aufgrund des Sensorausgangssignals erzeugten digitalen Signal über denselben LWL zur Steuerstation zurück. Die in elektrische Leistung umgesetzte Lichtmenge ist ziemlich begrenzt. Darüberhinaus sind die LWL-Längen wegen der Notwendigkeit des optischen Signal ohne übermäßige Abschwächung zur Steuerstation zurückzukehren, begrenzt. Ein weiterer Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß es sich um eine Einweg-Signalübertragung von dem Sensor zur Steuerstation handelt. Eine bidirektionale Kommunikation erfordert entweder eine Batterie an der Feldstation oder zwei Kabel, eines für die Leistung und eines für die Signale.

Davon ausgehend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung zu schaffen, die frei von den erwähnten Nachteilen und Beschränkungen des Standes der Technik ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, eine optisch gespeiste Signalübertra­ gungsvorrichtung zu schaffen, die sowohl Leistung als auch ein Signal von einer Steuerstation an eine Feldstation über einen LWL liefert.

Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optisch gespeiste Signalüber­ tragungsvorrichtung zu schaffen, die eine bidirektionale Kommunikation zwischen Stationen ermöglicht, ohne eine Energiequelle an einer Feldstation zu benötigen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optisch gespeiste Signalübertra­ gungsvorrichtung zu schaffen, die eine bidirektionale Kommunikation über eine sehr viel größere Entfernung ermöglicht als die herkömmliche bidirektionale, optisch gespeiste Signalübertra­ gungsvorrichtung.

Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine bidirektionale, optisch gespei­ ste Signalübertragungsvorrichtung zu schaffen, die verhindert, daß menschliche Augen und Haut längere Zeit Licht, insbesondere Leistungslicht ausgesetzt werden.

Diese Aufgaben werden durch eine bidirektionale optisch gespeiste Signalübertragungsvorrich­ tung gelöst wie sie in den Ansprüchen 1, 2 bzw. 5 angegeben ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit der Erfindung wird eine bidirektionale, optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung geschaffen, die eine Steuerstation und eine Feldstation enthält, welche optisch für eine Signal­ übertragung und eine Leistungsübertragung verbunden sind. Die Steuerstation sendet einen ersten Signallichtstrahl an einen Lichtempfänger in der Feldstation. Die Feldstation sendet einen zweiten Signallichtstrahl an die Steuerstation. Der erste und der zweite Lichtstrahl haben unter­ schiedliche Wellenlängen, so daß eine simultane bidirektionale Übertragung ermöglicht wird. Leistungslicht wird über einen Leistungs-LWL zur Feldstation übertragen oder über einen gemeinsamen LWL, über den auch der erste und der zweite Signallichtstrahl bidirektional über­ tragen werden. Im letzteren Fall ist der erste Signallichtstrahl ein erster Lichtstrahl, der eine Signallichtkomponente und eine Leistungslichtkomponente enthält. Die Feldstation setzt das über einen gesonderten Leistungs-LWL übertragene Leistungslicht oder die Leistungslichtkom­ ponente, die in dem ersten Lichtstrahl enthalten ist und über den gemeinsamen LWL übertragen wurde, zum Betrieb der Feldstation in elektrische Leistung um. Die Leistungslichtkomponente ist eine Gleichkomponente, der eine Signallicht-Wechselkomponente überlagert ist, oder eine Komponente, deren Intensität mit einer sehr viel längeren Periode moduliert ist als die Modulati­ onsperiode der Signallichtintensität. Die Signallicht- und Leistungslicht-Empfangsfunktionen in der Feldstation sind vorzugsweise in einem integrierten opto-elektrischen Umsetzer vereinigt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 3 in einer detaillierteren schematischen Darstellung die Strahlspalter/Koppler von Fig. 2 in Relation zu den anderen relevanten optischen Elementen,

Fig. 4 in einem Zeitdiagramm die Amplitude von überlagertem Licht, das von der Steuersta­ tion zur Feldstation in Fig. 2 gesandt wird,

Fig. 5 eine Vorderansicht einer Lichtempfängeranordnung in Fig. 2,

Fig. 6 ein Schaltbild der Lichtempfängeranordnung in Fig. 5,

Fig. 7 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 8 in einem Zeitdiagramm die Amplitude von überlagertem Licht, das von der Steuersta­ tion zur Feldstation von Fig. 7 gesandt wird,

Fig. 9 eine Vorderansicht einer Lichtempfängeranordnung von Fig. 7,

Fig. 10 ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und

Fig. 11 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen optischen Signalübertragungsvorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung enthält eine Steuer­ station 10 und eine Feldstation 20. Die Steuerstation 10 liefert optische Leistung, und die Feld­ station 20 empfängt optische Leistung. Da die in Fig. 1 gezeigte Feldstation 30 gleichen Aufbau wie die Feldstation 20 aufweist, wie nachfolgend nur die Feldstation 20 beschrieben.

Eine optische Transceiverschaltung 13a in der Steuerstation 10 überträgt Signallicht an die Feldstation 20 und empfängt Signallicht von dieser. Die Transceiverschaltung 13a wird von einer Steuerschaltung 11 gesteuert. Die Steuerstation 10 und die Feldstation 20 sind mittels LWLs 41a und 41b verbunden. Die LWLs 41a und 41b sind mit der Steuerstation 10 mittels Verbindungsanordnungen 51a bzw. 51c und mit der Feldstation 20 mittels Verbindungsanord­ nungen 51b bzw. 51d verbunden. Bei den Verbindungsanordnungen kann es sich um optische Steckverbinder handeln.

Die Transceiverschaltung 13a enthält eine Lichtquelle 131 zur Erzeugung eines Signallicht­ strahls. Der Signallichtstrahl durchläuft einen Strahlspalter/Koppler 133 und den LWL 41a zur Feldstation 20. In der Feldstation 20 tritt der Signallichtstrahl in einen Strahlspalter/Koppler 23 ein, von dem er zu einem Lichtempfänger 29 reflektiert wird. Der Lichtempfänger 29 setzt das optische Signal in ein elektrisches Signal um, welches an eine Steuerschaltung 21 gegeben wird. Die Steuerschaltung 21 ist ein Interface zu irgendeiner Art von Meßwandler (nicht gezeigt) oder Sensor (nicht gezeigt), die in der Feldstation 20 enthalten sind. Die Steuerschaltung 21 entnimmt dem elektrischen Signal Steuerdaten. Die Steuerschaltung 21 steuert eine Lichtquelle 22 zur Erzeugung eines abgehenden Signallichtstrahls, der den Strahlspalter/Koppler 23 und den LWL 41a passiert. Dieser Signallichtstrahl wird von dem Strahlspalter/Koppler 133 zu einem Lichtempfänger 132 reflektiert. Der Lichtempfänger 132 setzt das optische Signal in ein elektri­ sches Signal um, welches an die Steuerschaltung 11 gegeben wird. Die Steuerschaltung 11 entnimmt dem elektrischen Signal Daten, die von der Feldstation 20 erzeugt wurden.

Die Transceiverschaltung 13a enthält außerdem eine Lichtquelle 134 zur Erzeugung eines Leistungslichtstrahls. Der Leistungslichtstrahl wird mittels einer Linse 135 gesammelt (zur Konvergenz gebracht) und mit gutem Wirkungsgrad in den LWL 41b eingekoppelt. In der Feld­ station 20 wird der Leistungslichtstrahl mittels einer Linse 26 über eine Lichtempfängeranord­ nung 27 verteilt, von welcher er in elektrische Leistung umgesetzt wird.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer optischen Signalübertra­ gungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel enthält die Vorrichtung eine Steuerstation 10 sowie Feldstationen 20 und 30. Auch hier wird sich die Beschreibung auf die Feldstation 20 beschränken, da die Feldstation 30 gleich aufge­ baut ist. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel liefert die Steuerstation 10 optische Leistung, während die Feldstation 20 optisch betrieben wird. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Steuerstation 10 und die Feldstation 20 mittels eines LWL 41 verbunden. Der LWL 41 ist mit der Steuerstation 10 mittels einer Verbindungsanordnung 51a und der Feldstation 20 mittels einer Verbindungsanordnung 51b verbunden.

Die optische Transceiverschaltung 13a dieses Ausführungsbeispiels enthält eine Lichtquelle 134, die an die Feldstation 20 einen Lichtstrahl sendet, der sowohl Signallicht als auch Leistungslicht enthält. Dieses einander überlagerte Signallicht und Leistungslicht, das von der Lichtquelle 134 emittiert wird, wird nachfolgend als "Überlagerungslicht" oder "Überlagerungs­ lichtstrahl" bezeichnet. Der Überlagerungslichtstrahl wird von dem Strahlspalter/Koppler 136 gesammelt und gefiltert.

Es sei nun auf Fig. 3 Bezug genommen, die die Strahlspalter/Koppler 136 und 28 in Relation zu den anderen relevanten optischen Elementen zeigt. Der Strahlspalter/Koppler 136 enthält eine Positivlinse 136a und einen Wellenlängenselektionsfilterfilm 136b. Alternativ kann ein optischer Strahlspalter ohne Wellenlängenabhängigkeit, etwa ein teilweise reflektierender Spiegel oder Halbspiegel, als Strahlspalter 136 verwendet werden. Die Funktion der Positivlinse wird dann von einem gesonderten Brechungs- oder Reflexionselement ausgeübt (nicht gezeigt). Der Strahl­ spalter/Koppler 136 ist über eine Verbindungsanordnung 51a mit dem LWL 51 gekoppelt, welcher den Überlagerungslichtstrahl an die Feldstation 20 überträgt.

Die Feldstation 20 enthält eine Lichtquelle 22a, den Strahlspalter/Koppler 28, eine Linse 26, eine Lichtempfängeranordnung 27 und eine Steuerschaltung 21. Die Steuerschaltung 21 steuert den Empfang und das Senden von Signalen. Fig. 5 zeigt eine Vorderansicht der Lichtempfänge­ ranordnung 27. Ein Lichtempfänger 272 setzt das Signallicht von der Steuerstation 10 in ein elektrisches Signal um. Eine Anordnung von sieben Lichtempfängern 271a bis 271g setzt das Leistungslicht in eine elektrische Größe um. Die Lichtempfängeranordnung 27 integriert die Lichtempfänger 272 und 271a bis 271g in einer Einheit.

Zurückgehend zu Fig. 2, handelt es sich bei der Lichtquelle 134 um eine herkömmliche Licht­ quelle, etwa eine Leuchtdiode oder eine Halbleiterlaserdiode mit einer Emissionsmittenfrequenz, die für eine Übertragung durch den LWL 41 mit geringem Verlust geeignet ist, beispielsweise etwa 780 nm. Die Lichtquelle 134 sendet das Signallicht und das Leistungslicht als Überlage­ rungslicht an die Feldstation 20. Der in Fig. 4 gezeigte Verlauf stellt die Amplitude des von der Steuerstation an die Feldstation gesandeten Überlagerungslichts dar. Wie dargestellt, herrscht in dem von der Lichtquelle 134 emittiertem Ausgangslicht eine Gleichkomponente vor. Die Gleich­ komponente wird für die optische Leistungsübertragung verwendet. Eine Signalwechselkompo­ nente ist der Leistungsgleichkomponente überlagert. Die Wechselkomponente enthält die Daten. Eine in Fig. 2 gezeigt Treiberschaltung 12a steuert die Lichtquelle 134 mit einem Strom an, der bewirkt, daß der Leistungsgleichkomponente die Signalwechselkomponente überlagert wird.

Wie beschrieben und aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, wird das von der Lichtquelle 134 emit­ tierte Überlagerungslicht mittels des Strahlspalters/Kopplers 136 zur Konvergenz gebracht und gefiltert. Das gefilterte Überlagerungslicht wird dann über den LWL 41 und die Verbindungsan­ ordnungen 51a, 51b an die Feldstation 20 gesandt. Ein optisch transparentes Element 136c weist dieselbe Brechzahl wie die Positivlinse 136a auf, um eine Totalreflexion an dem Wellen­ längenselektionsfilterfilm 136b zu verhindern.

Der Strahlspalter/Koppler 28 in der Feldstation enthält eine Positivlinse 28a, einen Wellenlän­ genselektionsfilterfilm 28b und ein optisch transparentes Element 28c, die zu ihren Gegen­ stücken im Strahlspalter/Koppler 136 der Steuerstation 10 ähnlich sind. In der Feldstation 20 lenkt der Wellenlängenselektionsfilterfilm 28b das Überlagerungslicht ab (reflektiert es). Die Linse 26 zerstreut das abgelenkte Überlagerungslicht über die Lichtempfängeranordnung 27. Fig. 6 zeigt die elektrische Verdrahtung der Lichtempfängeranordnung von Fig. 5. Die Lichtemp­ fänger 271a bis 271g sind bei diesem Ausführungsbeispiel in Reihe geschaltet. Der Lichtemp­ fänger 272 setzt die Signallichtkomponente (Wechselkomponente) des Überlagerungslichts in ein elektrisches Signal um. Die Lichtempfänger 271a bis 271g setzen die Leistungslichtkompo­ nente (Gleichkomponente) in eine elektrische Größe (elektrische Leistung) um. Das elektrische Signal gelangt als Steuerdaten von der Steuerstation 10 zur Steuerschaltung 21. Die elektrische Leistung dient dem Betrieb der Lichtquelle 21a, der Steuerschaltung 21 und anderer Einrichtun­ gen in der Feldstation 20.

Die Feldstation 20 überträgt Signallicht zur Steuerstation 10 auf folgende Weise. Die Lichtquelle 22a ist vorzugsweise eine Leuchtdiode oder eine Halbleiterlaserdiode, deren Emissionsmitten­ wellenlänge sich vorzugsweise von derjenigen der Lichtquelle 134 unterscheidet. Die Emissi­ onsmittenwellenlänge der Lichtwelle 22a liegt vorzugsweise bei etwa 850 nm. Der Unterschied zwischen den Emissionsmittenwellenlängen ermöglicht eine gleichzeitige bidirektionale Übertra­ gung optischer Daten auf einem gemeinsamen LWL.

Die Feldstation 20 sendet Signallicht von der Lichtquelle 22a zum Strahlspalter/Koppler 28, wo es zur Konvergenz gebracht und zur Übertragung auf die Steuerstation 10 in den LWL 41 einge­ koppelt wird. In der Steuerstation 10 durchläuft das übertragene Signallicht die Verbindungsan­ ordnung 51a und wird von dem Wellenlängenselektionsfilterfilm 136b des Strahlspalter/Kopplers 136 auf den Lichtempfänger 132 reflektiert. Der Lichtempfänger 132 setzt das Signallicht in ein elektrisches Signal um, welches an die Steuerschaltung 11 gesandt wird. Die Steuerschaltung 11 entnimmt diesem elektrischen Signal die von der Feldstation 20 gemessenen Daten wie Temperatur, Druck etc.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist die Lichtempfängeranordnung 27 in acht gleiche Lichtempfänger unterteilt. Wenn eine schnelle Reaktion auf Signallicht erforderlich ist, wird der Lichtempfänger 272 so klein wie möglich ausgebildet. Mehrere Lichtempfänger 271 werden zur Erzeugung einer Spannung eingesetzt, die minimal, aber ausreichend zum Betrieb der Schaltungen in der Feldsta­ tion 20 ist. Die Anzahl von Lichtempfängern 271 wird durch Teilen einer Spannung gleich oder größer als die zum Betrieb aller Schaltungen erforderliche Spannung durch die Ausgangsspan­ nung eines einzelnen Lichtempfängers bestimmt.

Der Lichtempfänger 27 kann beispielsweise einen Dünnfilm aus einem Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid (GaAs) aus Silizium (Si) etc. enthalten. Bevorzugt wird ein Galliumarsenid-Dünn­ film, der bei geringerer Filmdicke als Silizium eine höhere Energieumwandlungsrate aufweist (siehe T. Imai, "Compound Semiconductor Device", Kogyou Chosakai Publishing Co. Ltd., 1985, Seiten 314 bis 315).

Fig. 7 ist ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels einer optisch gespeisten Signal­ übertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 8 stellt die Amplitude von Überlagerungslicht dar, das von der Steuerstation 10 zur Feldstation 20 in Fig. 7 gesandt wird. Fig. 9 ist eine Vorderansicht der Lichtempfängeranordnung, die bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 verwendet wird. Dieses dritte Ausführungsbeispiel wird nachfolgend in erster Linie hinsichtlich seiner Unterschiede gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben.

In der Steuerstation 10 steuert eine Treiberschaltung 121a die Lichtquelle 134 zur Überlagerung von Leistungslicht, dessen Intensität mit einer bestimmten Periode Tp moduliert ist (Amplitude: Ap), und Signallicht, dessen Intensität mit einer Periode Ts moduliert ist, die sehr viel kürzer als Tp ist (Amplitude: As).

In der Feldstation wandelt ein Lichtempfänger 291a, der eine relativ kleine Fläche aufweist, das Signallicht in ein elektrisches Signal um. Ein Lichtempfänger 291b, der eine relativ große Fläche aufweist, wandelt das Leistungslicht in elektrische Leistung um. Das elektrische Signal vom Lichtempfänger 291a gelangt an die Steuerschaltung 21. Die elektrische Leistung (Wechsel­ strom) vom Lichtempfänger 291b gelangt zu einem Transformator 292, wo sie auf eine Span­ nung hochgespannt wird, die zum Betrieb der Steuerschaltung 21 und der weiteren Schaltungen in der Feldstation 20 ausreicht. Ein Gleichrichter 293 richtet die elektrische Wechselstromlei­ stung in Gleichstromleistung um, die dann an die Steuerschaltung 21 (und ggfs. andere zu spei­ sende Schaltungen) angelegt wird.

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels einer optisch gespeisten Signalübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Modifikation der vorangehenden Ausführungsbeispiele dar. Die Vorrichtung dieses vierten Ausführungsbeispiels weist einen Aufbau zur Minderung des Energieverbrauchs in der Steuerstation sowie dazu auf zu verhindern, daß menschliche Augen und Haut über längere Zeit dem Leistungslicht ausgesetzt werden. Der Aufbau von Fig. 10 wird anhand des zweiten Ausführungsbeispiels erläutert, kann aber gleichermaßen für das erste und dritte Ausführungs­ beispiel eingesetzt werden.

Die Steuerstation 10 in Fig. 10 fordert die Feldstationen 20, 30 periodisch mit einer Periode T auf, neue Meßdaten zu senden. Die Feldstationen 20, 30 senden neue Daten an die Steuersta­ tion 10, wenn eine Antwortzeit t nach Empfang der Aufforderung durch die Feldstationen 20, 30 vergangen ist.

Eine Zeitgebereinrichtung 15a ist für die Feldstation 20 vorgesehen und eine Zeitgebereinrich­ tung 15b für die Feldstation 30. Die Zeitgebereinrichtungen 15a und 15b dienen dazu, einen nutzlosen Verbrauch elektrischer Leistung zu verhindern, wenn kein LWL angeschlossen ist (wenn eine Feldstation nicht benutzt wird), oder wenn eine Verbindungsanordnung gelöst ist. Damit wird verhindert, daß über längere Zeit Licht in Luft abgestrahlt wird. Die Zeitgebereinrich­ tungen 15a, 15b überwachen beispielsweise die Antwortzeit t und stoppen die Speisung von Leistungslicht, wenn die Antwortzeit t eine vorbestimmte Zeitspanne übersteigt.

Dadurch, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Feldstation(en) durch von der Steuerstation 10 geliefertes Licht optisch mit Leistung versorgt werden, wird zu ihrem Betrieb keine Batterie benötigt. Damit verringert die Erfindung die Herstellungskosten eines optischen, bidirektionalen Übertragungssystems und ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation über den LWL zwischen zwei optischen Übertragungsstationen.

Bei der vorliegenden Erfindung sind die Steuer- und Feldstationen mit jeweiligen Lichtquellen zur Emission von Signallichtstrahlen versehen. Hierdurch werden die Signalübertragungslänge und damit der Abstand zwischen der Steuerstation und der Feldstation auf das doppelte oder mehr der herkömmlichen bidirektionalen Signalübertragungsvorrichtung verlängert.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung überwacht die Steuerstation 10 die Antwortzeit der Feldstationen 20, 30 und stoppt die Speisung von Leistungslicht, wenn die Antwortzeit einen vorbestimmten Wert übersteigt. Dadurch wird in der Steuerstation 10 Energie eingespart und außerdem werden menschliche Augen und Haut davor geschützt, längere Zeit dem Leistungslicht ausgesetzt zu werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung voranstehend anhand von Beispielen erläutert wurde, bei denen die optische Übertragung über Lichtwellenleiter erfolgt, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. So kann die optische Übertragung durch die Luft, irgendeine Kombination von Gasen, einen Festkörper oder eine Flüssigkeit übertragen werden, solange diese ausreichend transparent sind, um genügend Signal- und Leistungslicht zur Feldstation gelangen zu lassen, damit diese das elektrische Signal und die elektrische Leistung ableiten kann.

Claims (14)

1. Bidirektionale, optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung, umfassend:
eine erste und eine zweite optische Übertragungsstation (10, 20, 30),
eine erste Einrichtung (31, 32, 33) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines ersten Signallichtstrahls über einen ersten optischen Übertragungsweg (41a) an die zweite Übertragungsstation (20, 30) und zum Empfang eines zweiten Signallichtstrahls über den ersten optischen Übertragungsweg von der zweiten Übertragungsstation,
eine zweite Einrichtung (22, 23, 29) in der zweiten Übertragungsstation (20, 30) zum Senden des zweiten Signallichtstrahls über den ersten optischen Übertragungsweg (41a) an die erste Übertragungsstation (10) und zum Empfang des ersten Signallichtstrahls von der ersten Übertragungsstation,
eine dritte Einrichtung (134, 135) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines Leistungslichtstrahls über einen zweiten optischen Übertragungsweg (41b) an die zweite Übertragungsstation (20, 30), und
eine vierte Einrichtung (26, 27) in der zweiten Übertragungseinrichtung zum Empfang des Leistungslichtstrahls und zum Umsetzen des Leistungslichtstrahls in elektrische Leistung zum Betrieb der zweiten Übertragungsstation,
wobei der erste und der zweite Signallichtstrahl unterschiedliche Wellenlängen aufwei­ sen.

2. Bidirektionale optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung, umfassend:
eine erste und eine zweite optische Übertragungsstation (10, 20, 30),
eine erste Einrichtung (132, 134, 136) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines ersten Lichtstrahls über einen optischen Übertragungsweg (41) an die zweite Übertragungsstation (20, 30) und zum Empfang eines von der zweiten Übertragungsstation gesendeten zweiten Lichtstrahls, wobei der erste Lichtstrahl eine Signalwechselkomponente enthält, die einer Leistungsgleichkomponente überlagert ist,
eine zweite Einrichtung (22a, 26, 27, 28) in der zweiten Übertragungsstation (20, 30) zum Senden des zweiten Lichtstrahls über den optischen Übertragungsweg (41) an die erste Übertragungsstation (10) und zum Empfang des von der ersten Übertragungsstation gesendeten ersten Lichtstrahls, und
eine dritte Einrichtung (27) in der zweiten Übertragungsstation (20, 30) zum Umsetzen der Leistungsgleichkomponente in elektrische Leistung zum Betrieb der zweiten Übertragungs­ station sowie zur Umsetzung der Signalwechselkomponente in ein erstes elektrisches Signal zur Steuerung der zweiten Übertragungsstation,
wobei die erste Einrichtung eine erste Lichtquellenanordnung (134) zum Abstrahlen des ersten Lichtstrahls einer ersten vorbestimmten Wellenlänge sowie eine Treibereinrichtung (12a) zur Steuerung der Wechselkomponente enthält,
die zweite Einrichtung eine zweite Lichtquellenanordnung (22a) zum Abstrahlen des zweiten Lichtstrahls einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge enthält, und
dis zweite vorbestimmte Wellenlänge von der ersten vorbestimmten Wellenlänge ver­ schieden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die dritte Einrichtung (27) enthält:
einen ersten opto-elektrischen Wandler zur Umsetzung der Leistungsgleichkomponente in elektrische Leistung, der eine Mehrzahl von Lichtempfängern (271a-271g) aufweist, die in einem Feld angeordnet sind, und
einen zweiten opto-elektrischen Wandler zur Umsetzung der Signalwechselkomponente zu dem ersten elektrischen Signal, der einen Lichtempfänger (272) enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Lichtempfänger (271a-271g) des ersten opto-elektrischen Wandlers und der Lichtempfänger (272) des zweiten opto-elektrischen Wand­ lers einstückig als ein Verbindungshalbleiter-Lichtempfangsfilm ausgebildet sind.

5. Bidirektionale, optisch gespeiste Signalübertragungsvorrichtung, umfassend:
eine erste und eine zweite optische Übertragungsstation (10, 20, 30),
eine erste Einrichtung (132, 134, 136) in der ersten Übertragungsstation (10) zum Senden eines ersten Lichtstrahls auf einem optischen Übertragungsweg (41) zur zweiten Über­ tragungsstation (20, 30) und zum Empfang eines zweiten, von der zweiten Übertragungsstation gesendeten Lichtstrahls, wobei der erste Lichtstrahl Signallicht und Leistungslicht enthält,
eine zweite Einrichtung (22a, 26, 28) in der zweiten Übertragungseinrichtung zum Senden des zweiten Lichtstrahls an die erste Übertragungseinrichtung über den optischen Über­ tragungsweg und zum Empfang des ersten, von der ersten Übertragungsstation gesendeten Lichtstrahls, und
eine dritte Einrichtung (291, 292, 293) in der zweiten Übertragungsstation zur Umwandlung des Leistungslichts in elektrische Leistung zum Betrieb der zweiten Übertragungs­ station und zur Umwandlung des Signallichts in ein erstes elektrisches Signal zur Steuerung der zweiten Übertragungsstation,
wobei die erste Einrichtung eine erste Lichtquellenanordnung (134) zum Abstrahlen des ersten Lichtstrahls mit einer ersten vorbestimmten Wellenlänge und eine Treibereinrichtung (121a) zur Modulation der Intensität des Leistungslichts mit einer ersten vorbestimmten Periode und zur Modulation der Intensität des Signallichts mit einer zweiten vorbestimmten Periode ent­ hält, wobei die zweite vorbestimmte Periode kürzer als die erste vorbestimmte Periode ist,
wobei die zweite Einrichtung eine zweite Lichtquellenanordnung (22a) zum Abstrahlen des zweiten Lichtstrahls mit einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge enthält, und wobei die zweite vorbestimmte Wellenlänge von der ersten vorbestimmten Wellenlänge verschieden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die dritte Einrichtung (291, 292, 293) enthält:
einen ersten opto-elektrischen Wandler (291 b) zum Umsetzen des Leistungslichts von der ersten Übertragungsstation (10) in elektrische Leistung, und
einen zweiten opto-elektrischen Wandler (291a) zur Umsetzung des Signallichts von der ersten Übertragungsstation (10) zu dem ersten elektrischen Signal.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei dem die dritte Einrichtung (291, 292, 293) ferner umfaßt:
einen Transformator (292) zur Erhöhung der Ausgangsspannung des ersten opto-elek­ trischen Wandlers (291b), und
einen Gleichrichter (293) zur Umsetzung der Wechselstromausgangsleistung des Transformators in elektrische Gleichstromleistung.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die lichtempfindliche Fläche des ersten opto-elektrischen Wandlers (291b) größer ist als die des zweiten opto-elektrischen Wandlers (291a).

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei der der erste opto-elektrische Wandler (291b) und der zweite opto-elektrische Wandler (291a) einstückig als ein opto-elektrischer Wandlerfilm aus einem Verbindungshalbleiter ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei der die erste Einrichtung enthält:
einen ersten Strahlspalter/Koppler (136) zur Reflexion des von der zweiten Übertra­ gungsstation (20, 30) gesendeten zweiten Lichtstrahls, und
einen ersten Lichtempfänger (132) zum Umsetzen des von dem ersten Strahlspal­ ter/Koppler reflektierten Lichtstrahls zu einem zweiten elektrischen Signal.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der erste Strahlspalter/Koppler (136) enthält:
eine erste Positivlinse (136a), zum Koppeln des ersten Lichtstrahls auf den optischen Übertragungsweg (41) und
ein Wellenlängenselektionsfilter (136b),
wobei das Wellenlängenselektionsfilter für die zweite vorbestimmte Wellenlänge selek­ tiv ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei der die zweite Einrichtung enthält:
einen zweiten Strahlspalter/Koppler (28), der den von der ersten Übertragungsstation (10) gesendeten ersten Lichtstrahl zu der dritten Einrichtung (27; 291) lenkt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der zweite Strahlspalter/Koppler (28) enthält:
eine zweite Positivlinse (28a) zum Koppeln des zweiten Lichtstrahls zu dem optischen Übertragungsweg (41), und
ein Wellenlängenselektionsfilter (28b),
wobei das Wellenlängenselektionsfilter für die erste vorbestimmte Wellenlänge selektiv ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, ferner umfassend:
eine Einrichtung zum Aussenden eines Befehlssignals an die zweite Übertragungssta­ tion (20, 30),
eine Einrichtung (15a, 15b) zur Überwachung der Zeit vom Aussenden des Befehls­ signals bis zur Ankunft eines Antwortsignals von der zweiten Übertragungsstation, und
eine Einrichtung zum Stoppen des Aussendens des ersten Lichtstrahls von der ersten Übertragungsstation, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, bevor das Antwort­ signal angekommen ist.