DE2236486C3

DE2236486C3 - Lichtverstärker

Info

Publication number: DE2236486C3
Application number: DE2236486A
Authority: DE
Inventors: Hideaki Kawakami; Akio Sagawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-07-28
Filing date: 1972-07-25
Publication date: 1979-10-04
Also published as: DE2236486A1; US3770966A; JPS5116114B1; DE2236486B2

Description

^{3 4}

(■ Durch den Lichtverstärker wird eine stabile Licht- übertragenes Signal verstärkt und das verstärkte op-

verstärkung erzielt, ohne nachteilig durch Um- tische Signal über eine weitere optische übertragungs-

r gebungsparameter wie die Umgebungstemperatur leitung 5 in den Lichtempfänger 2 einspeist.

'. beeinflußt zu werden. Der Lichtverstärker gewähr- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen

'( leistet also eine sehr genaue Übertragung über weite s verbesserten Lichtverstärker 3 in einem derartigen

Entfernungen. optischen Übertragungssystem. In der F i g. 2 ist der

Demgegenüber ist lediglich noch (vgl. DE-AS Grundaufbau des Lichtverstärkers 3 dargestellt. Ein 12 85 548) ein Verstärker für Diktiergeräte mit Dyna- optisches Eingangssignal LI wird über die optische mikkompressioü bekanntgeworden, bei dem eine opti- Übertragungsleitung 4 in einen Lichtempfänger 6 sehe Schwellenwertschaltung in einer Verstärkerrück- io eingespeist, der das optische Eingangssignal LI in ein führung Fotoelemente im Verstärker beeinflußt, wo- elektrisches Signal EI verwandelt. Das Ausgangsbei die optische Schwellenwertschaltung ein lumines- signal EI des Lichtempfängers 6 wird in einen Verzentes Element aufweist und mehrere Fotoelemente gleichsverstärker 8 eingespeist, um mit einem elekin verschiedenen Verstärkerstufen vorgesehen sind, frischen Ausgangssignal ET eines Lichtempfängers 7 die auf die Lumineszenzstrahlung des elektrolumines- 15 verglichen zu werden, der weiter unten näher bezenten Elements gerichtet sind, und zwar derart, daß schrieben wird. Das Ausgangssignal EI des Lichtdie Fotoelemente gegengekoppelt geschaltet sind, so empfängers 6 wird in den positiven Eingang des Verdaß sie die Spannungsspitzen komprimieren. Auf gleichsverstärkers 8 eingespeist, während das Ausdiese Weise soll der Betriebszustand des Verstärkers, gangssignal ET des Lichtempfängers 7 in den negasoweit es die Übersteuerung angeht, bei möglichst 20 tiven Eingang des Vergleichsverstärkirs 8 eingespeist geringem Mehraufwand von außen erkennbar sein, wird. Ein Lichtsender 9 ist mit dem Ausgang des d. h., Übersteuerungen und Verzerrungen seilen un- Vergleichsverstärkers 8 verbunden und sendet Licht terdrückt werden, um die Aufzeichnungsqualität zu in einer Stärke aus, die proportional ist zum Ausverbessern, gangsstrom / des Vergleichsverstärkers 8. Ein Teil

* Ferner war nicht mehr neu (vgl. DE-AS 12 64 513) 25 LTI des optischen Ausgangssignals des Lichtsenders 9

■? eine bezugsspannungsfreie Differentialverstärkerschal- wird in den Lichtempfänger 7 eingespeist, um in das

f; tung für elektrische, nicht Lichtsignale, die optische elektrische Signal ET umgewandelt zu werden. Der

'" Koppler aufweist, die ihrerseits aus Lichtemissions- übrigbleibende Teil des optischen Ausgangssignals dioden, gepaart mit Fotodioden oder Fototransistoren, des Lichtsenders 9 wird als verstärktes optisches Ausbestehen. 30 gangssignal LO in die optische Übertragungsleitung 5

,' Bei dieser bekannten Schaltung werden zwei op- eingespeist.

tische Koppler verwendet, um den eigentlichen Ver- Die Lichtempfänger 6 und 7 sind so ausgewählt, stärker vom Ausgang und den Verstärkungsregler daß ihre Charakteristiken im wesentlichen gleich sind, von weiteren optischen Kopplern elektrisch zu tren- Der Vorwärts-Verstärkungsfaktor des Vergleichsvernen, d. h., es geht dort im wesentlichen um eine 35 stärkers muß ausreichend hoch sein. Die Gegenkoppelektrische Isolierung der Ausgangsklemmen des Ver- lung wird so ausgeführt, daß das optischs Eingangsstärkers vom eigentlichen Verstärker, so daß der Ver- signal LTI am Lichtempfänger 7 immer gleich dem stärker für Gleichtaktsignale eine vollständige Sperre optischen Eingangssignal LI des Lichtempfäng;rs 6 darstellt, und er somit, abgesehen von seinem Ein- ist. Wenn beispielsweise das optische Eingangssignal gang, vollständig bezugspannungsfrei ist. 40 LTI des Lichtempfängers 7 auf einen niedrigeren Im Gegensatz dazu dient der vom erfindungs- Pegtl als der Pegel des optischen Eingangssignal LI gemäßen Lichtverstärker verwendete optische Kopp- am Lichtempfänger 6 verringert ist, dann wird die ler, der durch den Lichtsender und den zweiten, Beziehung EI > ET zwischen den in den Vergleichsgegenüber dem Lichtsender liegenden Lichtempfänger verstärker 8 eingespeisten Eingangsspannungen aufgebildet ist, zur Gegenkopplung eines Teils des op- 45 rechterhalten, und der Ausgangsstrom / des Vertischen Ausgangssignals des Lichtsenders. gleichsverstärkers 8, der den Lichtsender 9 steuert,

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der wächst an, bis die Beziehung LTI = LI gilt.

Zeichnung erläutert. Es zeigt Die optischen Eingangssignale LI und LTI an den

F i g. 1 eine Blockschaltung eines optischen Über- jeweiligen Lichtempfängern 6 und 7 werden immer

gangssystems, bei dem der Lichtverstärker angewen- 50 so gesteuert, daß folgende Beziehung (1) gilt:
det wird,

Fig. 2 eine Prinzipschaltung eines Lichtverstärkers, LI-LTl. (1)

;; Fig. 3 eine Schaltung einer Ausführungsform des

in der F i g. 2 dargestellten Lichtverstärkers und Es soll nun angenommen werden, daß die Rück-F i g. 4 eine Schaltung einer weiteren Ausführung»· 55 kopplungsgröße LTl proportional der Ausgangsgröße form des in der F i g. 2 dargestellten Lichtverstärkers. LO des optischen Ausgangssignals des Lichtsenders 9 Ein optisches Übertragungssystem, bei welchem ist, d. h., daß die durch die folgende Gleichung (2) die vorliegende Erfindung angewendet wird, wird dargestellte Beziehung gilt:
kurz an Hand der F i g. 1 beschrieben, bevor im einzelnen einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der 60 LQ = K-LTl. (2)
vorliegenden Erfindung erläutert werden.

Bei einer Lichtübertragung über eine weite Ent- Der Lichtverstärkungsfaktor K₀ des Lichtverstärfernung, insbesondere bei einer Lichtübertragung mit kers 3 ist gegeben durch das Verhältnis zwischen dem Hilfe einer optischen Übertragungsleitung, liegt ein optischen Eingangssignal Ll und dem optischen Aus-Lith!verstärker 3 im wesentlichen in der Mitte zwi- 65 gangssignal LO, so daß die folgende Gleichung gilt: sehen einem Lichtsender t und einem Lichtempfänger 2 (Fig. 1), so daß tier Lichtverstärker 3 ein vom κ = J^⁰. = ^LTl _ ^
Sender 1 über eine optische Übertragungsleitung 4 ° LI Ll

Hieraus folgt, daß der Lichtverstärkungsfaktor K_n des Lichtverstärkers 3 gleich dem Faktor K ist, der das Verhältnis zwischen der Rückkopplungsgröße LTl und der Ausgangsgröße LO des optischen Ausgangssignals des Lichtsenders 9 angibt. Damit kann zuverlässig ein stabiles Ausgangssignal erhalten werden. Veränderungen in den gegenüber Licht empfindlichen Charakteristiken der Lichtempfänger 6 und 7, die auf Temperaturveränderungen beruhen, sind kompensiert, wenn diese Bauelemente von derselben Art und so zusammengebaut sind, daß sie im wesentlichen den gleichen thermischen Bedingungen unterliegen.

Eine Ausführungsform des Lichtverstärkers 3 ist in der Fig. 3 dargestellt. In der Fig. 3 sind als Lichtempfänger 6 und 7 Fototransistoren vorgesehen. Als Lichtsender 9 dient eine Lichtemissionsdiode. Weiterhin sind für die Foiuharisisioren 6 und 7 jeweils Lastwiderstände 10 und 11 vorgesehen. Ein Widerstand 12 ist in Serie mit der Lichtemissionsdiode 9 verbunden. Ein Glasfaserbündel oder Fiberstab 13, der sich von der Lichtemissionsdiode 9 erstreckt, ist in zwei Zweige aufgeteilt, um jeweils die RückkopplungsgrößeLTI und die Ausgangsgröße LO des optischen Ausgangssignals zum Fototransistor 7 und zur optischen Übertragungsleitung S zu speisen. Die Fototransistoren 6 und 7 weisen eine Spannungsquelle VCC auf.

Die um die Fototransistoren 6 und 7 gezogene Strichlinie deutet an, daß diese beiden Fototransistoren 6 und 7 zusammengebaut sind, so daß sie den gleichen thermischen Bedingungen unterliegen. Das durch eine Glasfaser laufende Licht ist natürlich einer Dämpfung unterworfen. Daher unterliegen die Rückkopplungsgröße LTl und die Ausgangsgröße LO des optischen Ausgangssignals der Lichtemissionsdiode 9 einer Schwächung, während sie durch das Glasfaserbündel 13 laufen. Wenn jedoch die Längen der Zweige des Glasfaserbündels zur Übertragung der Größen oder Komponenten LTI und LO so ausgewählt <;inrl daß «ip. pinariHpr olpir-h cinrt dann tritt eine gleiche Dämpfung auf, so daß der Lichtverstärkungsfaktor K_n des Lichtverstärkers 3 durch das Verhältnis zwischen LTI und LO dargestellt werden kann. Während in der Fig. 3 ein Glasfaserbündel zur Aufzweigung des optischen Ausgangssignals der Lichtemissionsdiode 9 verwendet wurde, ist es auch möglich, an Stelle de:; Glasfaserbündels ein (nicht dargestelltes) Prisma zu verwenden, das ebenfalls das optische Ausgnngssignal gleich aufzweigen kann.

F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des in der F i g. 2 dargestellten Lichtverstärkers 3. In der F i g. 4 ist die Lichtemissionsdiode 9 der F i g. 3 durch zwei Lichtemissionsdioden 9 und 9', die miteinander in Serie verbunden sind, ersetzt. Zwei beabstandete Polarisatoren 14 und Λ4' liegen zwischen der Lichtemissionsdiode 9' und dem Fototransistor 7, so daß das optische Ausgangssignal LT der Lichtemissionsdiode 9' bis auf LTl gedämpft ist, um als gegengekoppeltes Eingangssignal in den Vergleichsverstärker 8 eingespeist zu werden. Das optische Ausgangssignal LO der Lichtemissionsdiode 9 wird als ein verstärktes optisches Ausgangssignal in die optische Übertragungsleitung S eingespeist.

Die Lichtemissionsdioden 9 und 9' sind von der gleichen Art und haben die gleichen Charakteristiken. Daher werden die optischen Ausgangssignale LT und LO, die im wesentlichen die gleiche Größe haben, von den Lichtemissionsdioden 9 und 9' abhängig von der Einspeisung des Ausgangstromes / des Vergleichsverstärkers 8 ausgesandt. Deshalb gilt die folgende ίο Bczichunc zwischen LT und LO:

LT = LO.

Unter der Annahme, daß der Dämpfungsfaktor der Polarisatoren 14 und 14' K' ist, gilt die folgende Gleichung:

LTl = K' LT. (5)

Aus den Gleichungen (1) uis (5) cigi'ui sitii ilei Lichtverstärkungsfaktor K₀ des Liuhtverstärkers 3:

LO LI

LT LI

1
Ll

LTl K'

1
K'

Hieraus folgt, daß der Lichtverstärkungsfaktor K₍ des Lichtverstärkers 3 gegeben ist durch den reziproken Wert des Dämpfungsfaktors K' der Polarisatoren 14 ur^'i 14'. Damit kann zuverlässig ein stabiles Ausgangssignal erhalten werden. Der Lichtverstärkungsfaktor K_n des Lichtverstärkers 3 kann in geeignetei Weise durch Veränderung des Dämpfungsfaktors K gesteuert werden. Bei der in der F i g. 4 dargestellter Anordnung kann dies leicht dadurch verwirklich! werden, indem die relativen Lagen der beiden Polarisatoren 14 und 14' verändert werden.

Die Strichlinie um die Lichtemissionsdioden ί und 9' zeigt an, daß die Lichtemissionsdioden S und 9' so zusammengebaut sind, daß sie im wesentlichen den gleichen thermischen Bedingungen unter worfen sind, um Veränderungen ihrer Charakteristiken, die auf Temperaturveränderungen beruhen, zi knmnpnsieren Wenn beispielsweise das optische Eingangssignal Ll konstant ist und wenn der Lichtemissions-Wirkungsgrad der Lichtemissionsdiode ί durch einen Anstieg der Umgebungstemperatur ver ringen ist, dann ist der Lichtemissions-Wirkungsgrac der Lichtemissionsdiode 9' entsprechend ebenfall: verringert. Das elektrische Eingangssignal ET zun Vergleichsverstärker 8 ist ebenfalls verringert. Die bewirkt ein höheres Ausgangssignal des Vergleichs Verstärkers 8. Der in die Lichtemissionsdiode y> und 9 eingespeiste Steuerstrom wächst an, um das optisch AusgangssignalLO der Lichtemissionsdiode9 auf dei ursprünglichen Pegel zurückzubringen. Daher kam der Lichtverstärker 3 eine stabile Verstärkung de Lichtes durchführen, ohne nachteilig durch die Um gebungstemperatur beeinflußt zu werden. Wahrem in der F i g. 4 zwei Polarisatoren zur Dämpfung de: optischen Ausgangssignals von LT auf LTI verwen det wurden, kann an Stelle der Polarisatoren eil (nicht dargestelltes) Lichtdämpfungsglied verwende werden, das in gleicher Weise eine Dämpfung de; optischen Ausgangssignals LT bewirkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

ι 2 Lichtempfänger (6) ein Fototransistor ist, daß die Patentansprüche: beiden Lichtsende-Bauelemente Lichtemissionsdioden (9, 9') sind, die in Serie mit dem Ver-

1. Lichtverstärker mit einem ersten Licht- gleichsverstärker (8) verbunden sind, und daß der empfänger zur Umwandlung eines optischen Ein- 5 zweite LjchtempFänger (7) ein zweiter Fototransjgangssignals in ein elektrisches Signal, dessen stör ist, der gegenüber der zweiten Lichtemissions-Ausgang mit einem Verstärker verbunden ist, der diode (9*) liegt (F i g. 4).

seinerseits mit seinem Ausgang an einen Lichtsender angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Vergleichs- io
verstärker (8) ist, der das elektrische Ausgangssignal (E/) des ersten Lichtempfängers (6) an
einem ersten seiner beiden Eingänge empfängt,

daß ein zweiter, gegenüber dem Lichtsender (9) Die Erfindung betrifft einen Lichtverstüiker mit liegender Lichtempfänger (7) einen Teil des opti- 15 einem ersten Lichtempfänger zur Umwandlung eines sehen Ausgangssignals des Lichtsenders in ein optischen Eingangssignals in ein elektrisches Signal, elektrisches Signal umwandelt und dieses gegen- dessen Ausgang mit einem Verstärker verbunden ist, gekoppelt in den zweiten Eingang des Vergleichs- der seinerseits mit seinem Ausgang an einen Lichtverstärkers (8) einspeist, und daß der Vergleichs- sender angeschlossen ist.

verstärker (H) den Lichtsender "(9) so steuert, daß 20 Bei optischen Übertragungssystemen, in denen die

zwischen den elektrischen Ausgangssignalen des Liehtübertragung durch einen Raum oder mit Hilfe

ersten Lichtempfängers (6) und des zweiten Licht- einer optischen Übertragungsleitung aus beispiels-

empfängers (7) Koinzidenz besteht (F i g. 2). weise optischen Fasern als Übertragungsmedium er-

2. Lichtverstärker nach Anspruch 1, dadurch folgt, tritt mit einer Zunahme der Übertragungsgekennzeichnet, daß der erste und der zweite as entfernung eine verstärkte Dämpfung oder Ab-Lichtempfänger (6, 7) im wesentlichen gleichen Schwächung des optischen Signals auf. In der Praxis thermischen Bedingungen unterliegen. tritt eine Dämpfung m der Größenordnung von bei-

3. Lichtverstärker nach Anspruch 1 oder 2, spielsweise 30 dB/km in einem optischen Signal auf, gekennzeichnet durch ein Prisma zur Teilung des das durch ein solches optisches Übertragungssystem optischen Ausgangssignals des Lichtsenders in 30 übertragen wird. Damit ein optisches Signal erfolgzwei Signalan'eile, von denen einer in den zweiten reich im wesentlichen dämpfungsfrei über eine weite Lichtempfänger (7) eingespeist und einer als ver- Entfernung, insbesondere mit Hilfe einer optischen stärktes optisches Signal abgeleitet wird. Übertragungsleitung, übertragen werden kann, ist es

4. Lichtverstärker nach. Anspruch 1 oder 2, im allgemeinen erforderlich, das optische Signal durch gekennzeichnet durch ein Glasfaserbündel (13) 35 einen Zwischen-Lichtverstärker zu verstärken, der im aus zwei optischen Faserteilen, das das optische wesentlichen in der Mitte zwischen einem Lichtsender Ausgangssignal des Lichtsenders (9) in zwei und einem Lichtempfänger liegt.

Signalanteile (LO; LTl) teilt, von denen einer in Ein bereits bekannter Lichtverstärker der eingangs

den zweiten Lichtempfänger (7) eingespeist und genannten Art (vgl. Elektrisches Kzchrichtenwesen,

einer als verstärktes optisches Ausgangssignal 40 Bd. 46, Nr. 2, 1971, S. 133) ist wegen starker Tem-

(LO) abgezweigt wird (F i g. 3). peraturabhängigkcit des ersten Lichtempfängers und

5. Lichtverstärker nach einem der Ansprüche 1 des Lichtsenders in seinem Betriebsverhalten stark bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht- durch Änderungen der Umgebungstemperatur beeinsender ein erstes und ein zweites Lichtsende-Bau- flußt. Dies bewirkt einerseits, daß eine stabile Verelement (9, 9') aufweist, daß das optische Aus- 45 Stärkung des optischen Signals unmöglich ist, und gangssignal des ersten Lichtsende-Bauelements andererseits, daß die Wirtschaftlichkeit der Über-(9') in den zweiten Lichtempfänger (7) eingespeist tragung des optischen Signals über weite Entfernunwird und daß das optische Ausgangssignal des gen verringert wird.

zweiten Lichtsende-Bauelements (9) als ein ver- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Licht-

stärktes optisches Ausgangssignal (LO) abge- 5° verstärker der eingangs genannten Art zu schaffen,

zweigt wird (F i g. 4). der eine stabile Verstärkung eines optischen Signals

6. Lichtverstärker nach Anspruch 5, dadurch umbhängig von Umgebungsparametern wie der gekennzeichnet, daß das optische Ausgangssignal Umgebungstemperatur durchführen kann, ohne in des ersten Lichtsende-Bauelements (9') über eine seinem Aufbau zu aufwendig zu sein.
Lichtdämpfungseinrichtung (14, 14') in den zwei- 55 Diese Aufgabe wird erfin'dungsgemäß dadurch geten Lichtempfänger (7) eingespeist wird (F i g. 4). löst, daß der Verstärker ein Vergleichsverstärker ist,

7. Lichtverstärker nach Anspruch 5, dadurch der das elektrische Ausgangssignal des ersten Lichtgekennzeichnet, daß das optische Ausgangssignal empfängers an einem ersten seiner beiden Eingänge des ersten Lichtsende-Bauelements (9') über zwei empfängt, daß eine zweiter, gegenüber dem Licht-Polarisatoren (14, 14') in den zweiten Licht- 60 sender liegender Lichtempfänger einen Teil des opempfänger (7) eingespeist wird (Fig. 4). tischen Ausgangssignals des Lichtsenders in ein

8. Lichtverstärker nach einem der Ansprüche 5 elektrisches Signal umwandelt und dieses gegenbis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und gekoppelt in den zweiten Eingang des Vergleichsdas zweite Lichtsende-Bauelement (9, 9') im Verstärkers einspeist, und daß der Vergleichsverwesentlichen den gleichen thermischen Bedingun- 65 stärker den Lichtsender so steuert, daß zwischen den gen unterliegen. elektrischen Ausgangssignalen des ersten Lichtemp-

9. Lichtverstärker nach einem der Ansprüche 5 fängers und des zweiten Lichtempfängers Koinzidenz bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste besteht.