DE2330785A1

DE2330785A1 - Photodetektor-entzerrer

Info

Publication number: DE2330785A1
Application number: DE2330785A
Authority: DE
Inventors: Detlef Christoph Gloge
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-06-20
Filing date: 1973-06-16
Publication date: 1974-01-17
Also published as: DE2330785C2; US3773289A; JPS5821241B2; FR2189877A1; GB1434114A; JPS4958853A; FR2189877B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Detektor-Entzerrer zur Überwachung von aus dem Ende einer optischen Faser austretender optischer Wellenenergie und zum Entzerren der durch die Fasej/erzeugten Verzögerungsverzerrung mit einem Plättchen aus Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps, einer ersten einen pnübergang mit dem Plättchen bildenden kreisförmigen Zone aus Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps und mit einer Einrichtung zur Herstellung von Ohm'schein Kontakt mit dem Halbleitermaterial.

Die jüngsten Fortschritte in der Herstellung von ultratransparenten Materialien haben gezeigt, dsß Fasern ein vielversprechendes Übertragungsmedium für optische Komunikationssysteme sind. Durch Verwendung von Kohärentquellen und Einzelmoden-Fasern sind solche Systene theoretisch in der Lage, mit Impulsraten in der Größenordnung von Gigahertz und mehrfachem hiervon zu arbeiten.

Es treten jedoch auch viele Anwendungsfälle auf, die vorzugsweise bezüglich der Kosten und des einfachen Aufbaus anstelle der Geschwindigkeit optimiert werden. Bei Systemen dieser Art werden inkohärente

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Lichtquellen und Multimoden-Fasern verwendet.

Bei einer Anordnung zum Koppeln einer inkohärenten Signalqiaelle an eine Multimodon-Faser tritt als Problem die Veraögerungsverzerrung auf, die von der Tatsache herrührt, daß die verschiedenen Moden sich mit unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten ausbreiten. Dieses vorstehende Problem wird erfindungs— gemäß mit einem Detektor-Entzerrer v;ei testgehend verringert, bei dem im Kittelbereich der ersten kreis förmigen Zone über einem Abschnitt des Plättchens ein erster Ohm¹scher Kontakt und entlang einer zweiten, .größeren Radius als die erste Zone aufiveisenden kreis förmigen Zone des Plättchens ein zweiter Ohmseher Kon takt vorgesehen ist, und bei dem die zwischen der ersten kreisförmigen Zone und dem ersten Ohm'sehen Kontakt liegende Fläche des Plättchens mit der optischen Wellenenergie beaufschlagt ist.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines optischen Multimoden-Komtmikationssystems;

Fig. 2 das Austrittsende einer optischen Multimoden-

Paser und das durch die von der Faser- emittierten Wellenenergie erzeugte Strahlungsmuster;

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Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Detektor-Entzerrer; und

Fig. 4 einen an einem Segment einer optischen Faser haftend angeschlossenen Detektor-Entzerrer.

Beim dargestelltenAusführungsbeispiel der Erfindung wird die in optischen Ftultimoden-Fasern infolge von Unterschieden der Gruppengeschwindigkeiten der verschiedenen Moden auftretende Dispersion in einem Photodetektor kompensiert, indem die Drift-bzw. Wanderungszeiten der von den sich unterschiedlich ausbreitenden Moden erzeugten Ladungsträger gesteuert werden. Die aus dem Ende einer Fiultimoden-Faser austretende Strahlungsenergie ist bekanntlich in einer Vielzahl von Kegeln konzentriert, wobei jede Mode einen charakteristischen Strahlungskegclwinkel aufweist. Daher ist bei einem Detektor-Entzerrer gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein photoempfindlicher Halbleiter in der Nähe des Faserendes in einer senkrecht zur FasoBchse verlaufenden Ebene angeordnet. Jeder einer unterschiedlichen Modengruppe entsprechende Strahlungskegrl beaufschlagt einen Ring auf dem Halbleiter, wo er Elektronen-Löcher'-Paare erzeugt. Eine zwischen dem Mittelbereich und einem Ausgnngsanschluß am äußeren Umfang des Detektors angelegte Spannung verursacht eine Wanderung von Löchern radial zum Aungangsanschluß. Die zum Erreichen des AusgangsanschlusGes erforderliche Zeit ist am längsten beim Löchern, die durch die sich schneller ausbreitenden

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_ if -

Moden niedriger Ordnung erzeugt wurden, die die inneren Abschnitte des Detektors beaufschlagen, und am kürzesten für von den sich langsamer ausbreitenden Moden höherer Ordnung erzeugte Löcher, welche auf die äußeren Zonen des Detektors fallen. Durch Steuerung der elektrischen Feldstärke über den Detektor können die Drift- oder Wanderungszeiten gerade entsprechend der in der Faser erzeugten Dispersion kompensiert werden.

Die suvoi" beschriebene Konfiguration ist insofern geeignet, als sie sich dem Strahlungsmuster am Ausgangsende der Faser anpaßt, jedoch können auch andere Ausge-• staltungen und unterschiedliche Grade der Kompensation realisiert werden. Gans allgemein kann gesagt warfen, daß jede Konfiguration, bei welcher die von den .schnelleren Moden erzeugten Ladungsträger über eine größere Entfernung bewegt werden, als die von langsameren Moden erzeugten Ladungsträgern,die Verzögerungsverserrung verringert. Die spezielle Form der Entzerrung kann dann durch Steuerung der Änderung des elektrischen Feldes in Richtung der Ladungsträgerwanderung passend eingestellt werden» Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ändert sich das elektrische Feld umgekehrt mit dem Abstand, wodurch die Unterschiede der Moden— geschwindigkeiten exakt kompensiert werden.

3In den Figuren zeigt Fig. 1 ein Blockdiagramm eines optischen Komunikationssystems mit einer inkohärenten

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optischen Signalquelle 10, einem Signalempfanger und einer Multimoden-Faser-Transmissionsleitung 12, welche die Quelle 10 mit dem Empfänger 11 verbindet.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit dem Auslaßteil des Systems und hier wieder besonders mit dem Detektor im Empfänger. Hierfür wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen,welche das eine beschichtete optische Faser aufweisende Auslaßende der Leitung und das von der Paser emitierte Strahlungsmuster der Wellenenergie zeigt.

Die verschjadenen Ausbreitungsmoden einer, optischen Multimoden-Faser können bekanntlich in der in Fig. 2 gezeigten Weise durch ein Fortschreiten eines Strahles entlang der Faser unter einem charakteristischen Winkel zur Faserachse dargestellt werden. Zu tllustrationszwecken sind zwei Strahlen 1 und 2 gezeigt, von denen

der Strahl 1 niedrigerer Modenordnung unter einem Fortpflanzungswinkel θ· zur Faserachse Z-Z und der Strahl 2 höherer Modenordnung unter einem größeren Winkel Q " zur Achse gezeigt ist. Beide Strahlen werden an der Kern-Beschichtung-Zwischenfläche reflektiert und daher in der Faser gehauen. Diese höheren Modenordnungen, deren Auffallwinkel auf die Zwischenfläche kleiner als der kritische Winkel ist, haben das Bestreben aus der Faser auszutreten und erreichen daher das Ende

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der Leitung nicht.

Das Strahlungsfeld am Ende der Faser ist innerhalb des von der Ausbreitungcmodo höchster Ordnung gebildeten Kegel, konzentriert. Dieser maximale Kegelviinkel, 0 ^ ist gegeben durch

«max »-(Ζη-Δη)¹'² - (1)

worin η der Brechungsindex des Faserkerns xmd Δ η die Differenz zwischen den Brechungsindices des Kerns und der Beschichtung sind. Üblicherweise ist Δη kleiner als 0,1. Da der Kernradius in der Größenordnung von dem Zehnfachen von μτη liegt, herrschen bei etwa 1 Millimeter vom Faserende Fern-Feld-Bedingungen. Die Fern-Feld— Strahlung der schnellsten Mode (d.h. der Mode niedrigster Ordnung) liegt in einem sehr engen Kegel 20 um die Faserachse Z-Z. Jede sich langsamer ausbreitende Mode (d.h. die Moden höherer Ordnung) zeigen eine geringe Strahlung an der Achse, rufen jedoch ein Maximum bei einem unterschiedlichen Winkel 9 zur Achse hervor. Die relative Verzögerung X zwischen den Moden jeweils höherer Ordnung und der schnellsten Mode ist gegeben durch

*t ₌ k 1 Q² (2)

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Worin L die Leitungslänge

C die lichtgeschwindigkeit im Vakuum; und θ der Strahlungswinkel der speziellen Mode ist.

Eine Mode mit einer VerzögerungT beleuchtet daher einen Ring mit einem Radius

r = ΘΑ (3)

worin Λ der Abstand zwischen dem Ende der Faser und einer senkrecht zur Faserachse verlaufenden Ebene ist.

In einem Detektor-Entzerrer gemäß der Erfindung wird die Drift- oder Verschiebungszeit der durch das oben beschriebene Strahlungsmuster in einem photoleitenden Material erzeugten Ladungsträger zum Ausgleich der Modenverzögerung verwendet. Die nunmehr betrachtete Fig. 3 zeigt solch einen Detektor-Entzerrer, der ein Plättchen 30 aus η-leitendem photoempfindlichem Halbleitermaterial mit einer auf η -Leitung hoch- . ' dotierten Zonen 31 im Mittelbereich und zwei ringförmige konzentrische Zonen 3 2 und 33 an seinem äußeren Umfang aufweist. Der äußerste Ring 33 ist ebenfalls n⁺-leitend, während der innere Ring 32 p-leitend ist. Geeignete Metallkontakte 34, 35 und 36 sind an den drei Zonen 31, 32 und 33 angeschlossen, und verbinden den Detektor mit einer äußeren Last 37 bzw. einem Verbraucher. Insbesondere ist die Zone 31 an eine Seite

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der Ausgangslast 37 über die in Reihe geschalteten Gleichstrom-Spannungsquellen 38 und 39 angeschlossen. Die andere Seite der Last 37 ist an der p-leitenden 'Zone 3 2 angeschlossen. Die Zone 33 ist an die Verbindung der Spannungsquellen 38 und 39 angeschlossen. Während die kreisförmige oder Ringzone 32 etwas kleiner als die Zone 33 ist, wird zum Zweck der nachfolgenden Berechnungen angenommen, daß beide gleich sind und insbesondere den Radius

R=OA (4)

max

haben. Wenn keinerlei Licht auftrifft, verursacht die zwischen den n—leitenden Zonen 31 und 33 anliegende Spannung V einen Stromfluß zwischen ö&n Zonen, der eine Funktion des Ohm'sehen Widerstands des Plättchens 30 ist. Der pn-übergang zwischen der p-leitenden Zone 32 und dem Plättchen ist andererseits in Sperrichtung vorgespannt, so daß kein Strom durch die Last 37 fließt.

Sobald Licht auftrifft, werden im Detektor Elektronen-Löcher-Paare erzeugt. Die Löcher wandern oder driften unter Einfluß des angelegten Mdes in Radialrichtung nach außen und v/erden in der p—leitenden Zone gesammelt, wo sie in der Ausgangslast einen Strom hervorrufen. Die Elektronen werden im Zentrum des Detektors gesammelt und rufen einen Anstieg des zwischen den beiden

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η -leitenden Zonen fließenden Stroms hervor. Der Elektronenstrom fließt nicht durch die äußere Last. Daher können die Zonen 31, 30 und 32 als in Sperrichtung vorgespannter n⁺np-Übergang angesehen ve rden, der einen brauchbaren Photostrom erzeugt.

Die vorstehend beschriebene kreisringförmige Anordnung ergibt ein radial gerichtetes Feld E (r), welches in Abhängigkeit von Radius r abfällt. Insbesondere ist

E (r) = j E_R (5)

worin E_D das Feld an der p-leitenden Zone ist. Die Löchrrgeschwindigkeit ist das Produkt von E (r) aus Gleichung (5) und der Löcher-Beweglichkeit u . Ein bei r erzeugtes Loch wandert daher mit der Geschwindigkeit u E(r) radial nach außen und benötigt die Zeit

t =

ρ Ι μ ΕΛΡ) (6)

Um die Elektrode 32 bei R zu erreichen. Nach Substitution von E (r) aus Gleichung (5) und Integration ergibt sich

² V»

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Außerdom ist aus den Gleichungen (2) und (3) bekannt, daß die Modenverzögerung für eine beim Radius r auftreffende Kode gleich

Für eine vollständige Entzerrung muß die Summe aus Ladungsträger-Verschiebung3zeit (7) und die Kodeinverzögerung (S) für alle Moden gleich und daher von r unabhängig sein. Die von r abhängigen Tenne in der

Summe 1 +Theben sich auf, wenn
P

Um in der Mittelzone die geeigneten Geschwindigkeiten für die Löcher zu entwickeln wurden sehr große Felder und Potentiale erforderlich sein. Um zu hohe Vorspannungen zu vermeiden wird der Radius b des Mittelabschnitts 31 so gewählt, daß das Feld und das Potential im Mittelbereich innerhalb vernünftiger Grenzen liegen, und daß gleichzeitig der Verlust von Löchern in der blinden Fläche innerhalb von b zulässig ist. (In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß infolge von Rekombination eine Tendenz zur Verhinderung des Erreichens des Umfangs von genau im Zentrum erzeugten Löcher durch

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Diffusion gegeben ist.)

Die Integration von E(r) führt für die zwischen ρ und R erforderliche angelegte Vorspannung zu

V = - - ER In(I-^) (10)

.2

= 1 - ~ (11)

Nach Korrektur der Modenverzögerung durch den Driftdetektor verbleiben noch drei geringere Quellen von Verzögerungsverzerrung. Diese umfasen:(l) die Materialdispersion de s Faserkerns in Abhängigkeit von der Frequenz, die zu Verzögerungen von bis zu 10 ns auf 2,5 km Faserlänge führt, wenn eine Lumineszenzdiode die Ladungsträger— quelle ist; (2) die Winkelstreuung um den genauen Winkel

θ der Fern-Feld-Strahlung einer bestimmten Mode. Dies führt zu einer zeitlichen Streuung der durch diese Mode im Detektor erzeugten Ladungsträger; und (3) Diffusion der Ladungsträger bei der Wanderung in Richtung zur pleitenden Zone. Die Gesamtverzoqerung infolj; des Zusammenwirkens dieser drei Einflüsse ist um eine Größenordnung geringer als die Verzögerungsverzerrung infolge der Unterschiede der Gruppengeschwindigkeiten der geführten Moden. Daher kann erfindungsgemäß eine erhebliche Verbesserung

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realisiert werden

Beispiel

Das folgende numerische Beispiel zeigt eine spezielle Ausgestaltung eines Detektor-Entzerrers für die Anwendung in einem MuItimoden—System, bei dem eine Lumineszenzdiode als Transmitter verwendet ist. Es wird angenommen :

Faserlänge L = 2,5 km Kernradius a = 25 um Maximalwinkel θ = 0,4 rad

max '

Kern-Brechungsindex η = 1,5 Detektorradius R = 2 mm

Löcher-Beweglichkeit μ = 440 cm /Vs Radius b des blinden Punkts = 0,4 mm

Durch Substitution von θ in Gteichung (2) wird eine

max

(unkorrigierte) Gesamtmodenverzogerung von

•t = 515 ns erhalten.

Aus Gleichung (4) ergibt sich für den Abstand zwischen dem Faserende und dem Detektor A = 5 mm.

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Gleichung (9) bestimmt die Feldstärke am ümf.ang zu E_n = 510 V/cm.

Mit b = 0,4 mm ergibt sich

^ = 0,96
und, aus Gleichung (10) ergibt sich

V = «165 V.

Bezüglich der speziellen Materialien ist zu bemaken, daß Silizium, das mit geeigneten Mengen von Phosphor dotiert wird, zur herstellung der n— und η -leitenden Zonen verwendet werden kann. Die p-leitende Zone kann durch Einlegieren von Aluminium gebildet verden. Mit einer Donator-Konzentration, die hinreicht, um einen Widerstand von 200/1/cm in der η-leitenden Zone zu erzeugen, fließt ein Strom von etwa 15 mA zwischen den beiden η -leitenden Zonen. Zusätzlich zur Driftspannung V ist zwischen den Zonen 32 und 33 eine Vorspannung erforderlich. Diese Vorspannung kann voa gleicher Größenordnung wie V sein, wenn die p-leitende Zone so ausgebilcfet ist, daß sie eine LawinendurchbruchsverStärkung hervorruft.

Es ist ersichtlich, daß ein Betrieb mit höchstem Wirkungsgrad bei einem Photodetektor-Entzerrer der beschriebenen Art erreicht wird, wenn dieser mittig zur Faserachse ausgerichtet ist und in einer senkrecht zur Faserachse . verlaufenden Ebene liegt, und darüber hinaus einen Abstand A

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vom Faserende hat, worin A durch Gleichung (4) gegebenist. Die geeignete örtliche Anordnung und Ausrichtung wird in geeigneter Weise durch Bestrahlung der Faser mit einer gepulsten inkohärenten Quelle realisiert, worauf die Stellung des Detektors relativ zum Faserende so lange geändert wird, bis der nächste Ausgangsimpuls erhalten wird. Der Detektor und die Faser werden dann haftend miteinander verbunden, um einen Daueranschluß zu erzielen. Dieses Verfahren kann im Einsatzfall durchgeführt werden, wobei der Detektor direkt am Ende einer Hilfsfaser angeschlossen ist. Alternativ kann die Ausrichtung und Verbindung bei in der Herstellerfirma durchgeführt werden, wobei der Detektor an einem kleinen Fasersegment angeschlossen ist. Die letztere Ausgestaltung ist in Fig. 4 dargestellt, die einen Detektor und einen kurzen Faserabschnitt 41 zeigt, die mittels eines Vergußmaterials 42 miteinander verbunden sind. Leitungen 43 ermöglichen den Anschluß der verschiedenen Vorspannquellen und der Ausgangslast am Detektor. Der Faserabschnitt 41 wird dann im Anwendungsfall am Ende einer Hilfsfaser angeschlossen.

Um den Einfluß von Umgebungslicht auszuschalten, wird der Detektor im Betrieb vorteilhafterweise in einer licht- undurchlässigen Hülle eingesetzt. Wegen der geringen Größe und der großen Zahl, mit der solche Bauelemente eingesetzt werden, erscheint ein gemeinsames Gehäuse

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für den Endabschnitt eines optischen Faserkabels vorteilhaft gegenüber einer lichtundurchlässigen Hülle für jeden Einzeldetektor.

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Claims

Patentansprüche

1. /Detektor-Entzerrer zur Überwachung von aus dem Ende einer optischen Faser austretender optischer Wellenenergie und zum Entzerren der durch die Faser erzeugten Verzögerungsverzerrung mit einem Plättchen aus Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyp, einer ersten einen pn-übergang mit dem Plättchen bildenden kreisförmigen Zone aus Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps und mit einer Einrichtung zur Herstellung von Ohm¹schem Kontakt mit dem Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß im Mittelbereich der ersten kreisförmigen Zone (32) über einem Abschnitt des Plättchens (30) ein erster Ohm'scher Kontakt (31, 34) und entlang einer zweiten^ größeren Radius als die erste Zone aufweisenden kreisförmigen Zone des Plättchens (30) ein zweiter Ohm'scher Kontakt (33, 36) vorgesehen ist, und daß die zwischen der ersten kreisförmigen Zone und dem ersten Ohm'sehen Kontakt liegende Fläche des Plättchens mit der optischen Wellenenergie beaufschlagt ist.

2. Detektor-Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Ohm'sche Kontakt jeweils eine kreisförmige Zone (31, 33) aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps aufweisen, wobei diese

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Zonen höher leitend als das Plättchen sind, und daß jeweils ein kreisförmiger Ohm¹scher Kontakt (34, 36) auf den kreisförmigen Zonen liegt.

3. Detektor-Entzerrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial ersten Leitungstyps η-leitend ist.

4. Detektor-Entzerrer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsquelle (38, 39) zur Vorspannung der ersten kreisförmigen Zone (32) relativ zum ersten Ohm'sehen Kontakt (3l_f< 34) in Sperrichtung

■ und an der ersten kreisförmigen Zone (32).eine Ausgangslast angeschlossen ist.

5. Detektor-Entzerrer nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ersten und

Kontakt ^y

"zweiten Ohm'sehen eine einen Stromfluß zwischen ihnen verursachende Spannungsquelle geschaltet ist, wobei die Höhe der Spannung gleich

V = -1/2 E_RR In

ist, worin

Ejv das in der ersten )reisförmigen Zone (32) herrschende

R der Radius der ersten kreisförmigen Zone (32) und

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b der Radius dos ersten Ohm'sehen Kontakts (31, 34) ist.

6. Detektor-Entzerrer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt einer optischen Faser (41) an ihm fest angeschlossen ist.

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