DE2529479C3 - Schaltungsanordnung zur Stabilisierung, insbesondere Temperaturstabilisierung, eines optischen Empfängers - Google Patents

Description

45

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung, insbesondere Temperaturstabilisierung, eines Empfängers eines optischen Nachrichtenübertragungssystems mit einem Halbleiterbauelement mit temperaturabhängiger interner Stromverstärkung als Lichtwandler und einer dem Lichtwandler nachgeordneten Verstärkerstufe zur Verstärkung und Regenerie- rung der bei Lichteinfall vom Lichtwandler abgegebenen elektrischen Signale.

Zur Übertragung großer Datenmengen sind optische Nachrichtenübertragungssysteme besonders geeignet Dabei werden die Nachrichten in Form digitaler Signale übertragen, welche als Lichtimpulse von einem optischen Sender ausgesendet werden. Die Lichtimpulse werden vor. störenden Umgebungsbedingungen unbeeinflußt über Wellenleiter geführt und zu einem optischen Empfänger übertragen. Der Empfänger besteht aus einem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement, welches die eintreffenden optischen Signale detektiert und in entsprechende elektrische Signale umsetzt, und aus einem nachgeschalteten Verstärker, der die Signale auf einen Standardpegel bringt Bei Verwendung eines Halbleiterlasers als Sendeelement können mit breitbandigen Wellenleitern, beispielsweise aus Glas bestehenden dielektrischen Wellenleitern, Datenfiüsse von einigen Gigabit pro Sekunde übertragen werden.

Als Liciitwandler besonders geeignet sind Avalanche-Photodioden, denn sie ermöglichen bei fsnügend großer negativer Vorspannung durch Ladungsträgermultiplikation in einer Raumladungszone des Halbleiterkörpers eine rauscharme Verstärkung des Photostroms. Dabei ist der Verstärkungsfaktor von der einstellbaren Vorspannung und von der Temperatur abhängig. !Die Gesamtverstärkung des Empfängers setzt sich aus der in der Avalanche-Photodiode erreichbaren Verstärkung und der Verstärkung des nachgeschalteten Verstärkers zusammen und ist demnach ebenfalls stark temperaturabhängig.

An einen optischen Empfänger in einem Nachrichtenübertragungssystem wird aber die Forderung gestellt daß die am Ausgang des Empfängers angebotenen elektrischen Impulse unabhängig von Umwelteinflüssen, wie insbesondere Temperaturschwankungen, gleiche Amplitude besitzen.

Aus der AT-PS 3 20 758 ist eine photoelektrische Übertragungsvorrichtung bekannt, bei der als Lichtempfänger ein Phototransistor vorgesehen ist Zwischen dem Kollektor eines dem Phototransistor nachgeschalteten Ausgangstransistors und der Basis des Phototransistors liegt eine Diode, welche den Kollektorstrom des Phototransistors derart regelt, daß der Ausgangstransistor an der Sättigungsschwelle betrieben werden kann. Hierdurch werden die Schaltungseigenschaften des Phototransistors verbessert, da die Speicherzeit entfällt, die bei einer Aussteuerung bis in die Sättigung auftreten würde. Die Ausgangsamplitude ist durch die Sättigungsspannung des Ausgangstransistors festgelegt d. h. die Forn« des Eingangsimpulses wird verzerrt so daß mit Hilfe einer solchen Anordnung kein linearer Verstärker realisierbar ist Auch ist die Anordnung zur Verarbeitung hoher Bitraten ungeeignet, da ein Phototransistor zu langsam schaltet Avalanche-Photodioden sind für diesen Verwendungszweck besser geeignet

Eine Regelschaltung für einen transistorisierten Gleichspannungsregler unter Verwendung eines Stellgliedes ist aus der DE-AS 1513 535 bekannt Die Stellungsgröße wird dadurch erzeugt, daß die Ausgangsspannung des Netzgerätes mit einer von einem Bezugsnormal gelieferten Spannung verglichen wird. Dieses hier beschriebene Stellungsglied ist für einen optischen Verstärker, insbesondere linearen Verstärker jedoch völlig ungeeignet, da die z. B. von einer Avalanche-Photodiode aus den eintreffenden Lichtimpulsen erzeugten elektrischen Impulse in einen von Wechselstromanteilen weitgehend befreiten Gleichstrom am Ausgang der Schaltung überführt würden.

Aus der FR-OS 2005 985 ist weiterhin eine Schaltungsanordnung mit einer Regelsehleife bekannt, wobei das Eingangssignal mit einem Vergleichssignal, das vom Ausgangssignal abgeleitet wird, in einem Komparator verglichen wird. Das verstärkte Komparatorsignal ist dann das Ausgangssignal der gesamten Schaltungsanordnung. Da das Komparator-Ausgangssignal eine nicht-lineare Funktion der Komparator-Eingangssignale ist, indem es nur zwei Zustände einnehmen

kann, in Abhängigkeit davon, welches der beiden Komparator-Eingangssignale größer ist, muß auch das Ausgangssignal der beschriebenen Anordnung nicht-linear vom Eingangssignal abhängig sein. Auch diese Schaltung ist also für eine linare Verstärkung von impulsförmigen Eingangssignalen völlig ungeeignet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur «Stabilisierung, insbesondere Temperaturstabilisierung eines Empfängers in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem anzugeben, ι α die bewirkt, daß auch bei Schwankungen der Umgebungstemperatur am Ausgang des Empfängers den einfallenden Lichtsignalen entsprechende Impulse konstanter Amplitude abgegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der eingangs näher bezeichneten Art gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß mit dem Ausgang des optischen Empfängers eine Diode verbunden ist, weiche die Ausgangsimpulse des optischen Empfängers gleichgerichtet und mit dieser Gleichspannung einen Kondensator auflädt, daß weiterhin ein Differenzverstärker vorgesehen bt, dessen erstem Eingang die durch Gleichrichtung aus den Ausgangsimpulsen des optischen Empfängers gewonnene Spannung und dessen weiteren Eingang eine Referenzspannung einer Referenzspannungsquelle zugeführt wird und dessen Ausgang, an dem eine der Differenz der Eingangsspannungen entsprechende Regelspannung entsteht, mit dem Vorspannungsversorgungstcil des Lichtwandlers, vorzugsweise einer Ava- lanche-Photodiode und/oder der, der Avalanche-Photodiode nachgeschalteten Verstärkerstufe des optischen Empfängers verbunden ist

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt j->

Fig.1 eine prinzipielle Schaltungsanordnung zur Stabilisierung eines Empfängers eines optischen Nachrichtenübertragungssystems,

Fig.2 eine Schaltungsanordnung mit Nullpegelregeneration bei gleichspannungsfreier Ankopplung des 4η Lichtwandlers an die nachfolgende Verstärkerstufe,

F i g. 3 eine Schaltungsanordnung mit einer Regelung der Vorspannung des Lichtwandlers,

F i g. 4 eine Schaltungsanordnung mit einer Verstärkungsregelung des dem Lichtwandler nachgeordneten Verstärkers,

Fig.5 eine Schaltungsanordnung mit einem Zweiwegspitzengleichrichter.

F i g. 1 zeigt eine prinzipielle Schaltungsanordnung zur Temperaturstabilisierung eines Empfängers eines optischen Nachrichtenübertragungssystems mit einem Halbleiterbauelement mit temperaturabhängiger interner Stromverstärkung als Lichtwandler und einer dem Lichtwandler nachgeordneten Verstärkerschaltung zur Verstärkung und Regenerierung der bei Lichteinfall η vom Lichtwandler abgegebenen elektrischen Signale. Als Lichtwandler wird in einem derartigen optischen Empfänger bevorzugt eine Avalanche-Photodiode verwendet weil mit einem derartigen Halbleiterbauelement durch Ladungsträgermultiplikation eine rauschar- to me interne Verstärkung des durch auffallende Liehtsignale ausgelösten Photostroms ermöglicht wird. Dazu muß an die Avalanche-Photodiode eine relativ hohe Vorspannung in Sperrichtung der Diode angelegt werden. Nachteilig ist bei derartigen Photodioden jedoch die Tatsache, daß bei einer bestimmten Vorspannung der erreichte Verstärkungsfaktor in starkem Maße temperaturabhängig ist. Dies würde insbesondere bei schwankender Umgebungstemperatur dazu führen, daß die Ausgangssignale eines Empfängers mit einet derartigen Avalanche-Photodiode als Liclitwandler in unkontrollierbarer Weise von der Umgebungstemperatur abhängig wären. Solche Veränderungen sind jedoch in Nachrichtenübertragungssystemen, in denen bestimmte Normpegel festgelegt worden sind, nicht tragbar. In F i g. 1 ist mit 1 ein Empfänger eines optischen Nachrichtenübertragungssystems gezeichnet der aus einer Avalanche-Photodiode als Lichtwandler und einer der Avalanche-Photodiode nachgeordneten Verstärkerschaltung bestellt Dem Eingang E des Empfängers zugeführte Lichtsignale 2 werden von der Avalanche-Photodiode in entsprechende elektrische Signale umgewandelt und erfahren gleichzeitig infolge der im Halbleiterkörper der Photodiode stattfindenden Ladungsträgermultiplikation eine hohe Verstärkung. Die von der Photodiode abgegebenen elektrischen Signale werden in nachgeschalteten weiteren Stufen des optischen Empfängers weiter verstärkt und regeneriert, wie z. B. aus der DE-PS 12 54 513 aakannt so daß am Ausgang des Empfängers den einfallenden Lichtsignalen entsprechende elektrische Signale der gewünschten Form und Amplitude zur Verfügung stehen. Die an sich wegen der gleichzeitig mit ihnen erzielbaren Verstärkung .sim Empfang schwacher Lichtsignale hervorragend geeigneten Avalanche-Photodioden haben jedoch den Nachteil, daß die durch Ladungsträgermultiplikation hervorgerufene Verstärkung des Photostroms stark temperaturabhängig ist Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil von Avalanche-Photodioden in einem optischen Empfänger dadurch weitgehend aufgehoben, daß aus den Ausgangssignalen des Empfängers eine Spannung gewonnen wird, die ein Maß für die Amplitude der Empfänger-Ausgangssignale ist Diese Spannung wird mit einer vorgebbaren Referenzspannung verglichen; bei Abweichung des Vergleichwertes von dem mittels der festen Referenzspannung vorgebbaren Sollwert wird die an der Avalanche- Photodiode anliegende Vorspannung derart verändert, daß die Alisgangsimpulse des Empfängers die gewünschte Amplitude aufweisen. Zu diesem Zweck ist in der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 eine Diode D\ vorgesehen, die einerseits mit dem Ausgang A des optischen Empfängers 1 verbunden ist <ind die einen mit ihrem anderen Anschluß verbundenen Kondensator Q mittels der gleichgerichteten Ausgangsimpulse des Empfängers 1 auf eine Gleichspannung von etwa der Höhe der Impulsspitzen der Ausgangsimpulse des Empfängers auflädt Diese Gleichspannung wird einem ersten Eingang 5 eines Differenzverstärkers 4 zugeführt, an dessen weiteren Eingang 6 eine fest vorgebbsre Referenzspannung Ur₁. einer Referenzspannungsquelle 3 angelegt werden kann. Am Ausgang des Differenzverstärkers 4 entsteht eine von der Differenz der Eingangsspannungen abhängige Regelspannung Ur, die erfindungsgemäß zur Reduzierung des Einflusses von Temperaturänderungen auf den Verstärkungsfaktor des Empfängers verwendet wird. Dazu wird mit der Regelspannung Ur entweder die der Avalanche-Photodiode zugeführte Vorspannung verändert oder es wird der Verstärkungsfaktor der der Avalanche-Photodiode nachgeschalteten Verstärkerstufen beeinflußt. Durch diese Stabilisierungsschaltung kann erfindungsgemäß erreicht werden, drß die Amplitude der Ausgangsimpulse des optischen Empfängers unabhängig von temperaturbedingten Verstärkungsschwankungen der Avalanche-Photodiode bei einem von der Referenzspannung

ί/Kffestgelegten Wert konstant gehalten wird.

F i g. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung mit Nullpegelregeneration bei gleichspannungsfreier Verstärkung. Eine derartige Schaltungsanordnung ist vorteilhaft auf der Empfängerseite eines optischen Nachrichtenübertragungssystems einsetzbar, das DatenflUsse bis zu einigen Gigabit pro Sekunde verarbeiten soll. Von der Avalanche-Photodiode (APD) 7 gelangen einfallenden Lichtsignalen 2 entsprechende elektrische Impulse über «inen Kondensator Q, der die der Diode 7 von einer Vorspannungsquelle 8 über den Vorwiderstand R_x zugeführte Vorspannung abblockt, an eine weitere Stufe 9 der Empfängerschaltung, für die vorteilhaft ein Breitbandverstärker eingesetzt wird. Da durch den Trennkondensator C₄ der Gleichstromanteil des empfangenen Signals verloren geht, wird dieser in einer Klemmschaltung wieder regeneriert. Diese Klemmschaltung besteht aus einem weiteren Kondensator d und einer Diode Di mit der Flußspannung Uf- Wie schon zuvor unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben, wird durch eine mit den Ausgangssignalen des Empfängers t gespeiste, aus der Diode D_x und dem Kondensator C_x bestehende Gleichrichterschaltung, eine Gleichspannung erzeugt, die einem ersten Eingang eines Differenzverstärkers 4 zugeführt wird, an dessen zweiten E.ngang eine feste Referenzspannung liegt. Eine der Differenz der Eingangsspannungen entsprechende Regelspannung, die am Ausgang des Differenzverstärkers 4 zur Verfügung steht, wird in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 gleichzeitig sowohl dem Vorspannungsversorgungsgerät 8 der Avalanche-Photodiode 7 als auch der dieser Diode nachgeschalteten Verstärkerstufe 9 zugeführt.

Die in den F i g. 3 und 4 dargestellten Varianten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unterscheiden sich von der in F i g. 2 dargestellten Schaltungsanordnung lediglich dadurch, daß die vom Differenzverstärker 4 abgegebene Regelspannung entweder nur der Avalanche-Photodiode 7 (Fig.3) oder nur der dieser Diode nachgeschalteten Verstärkerstufe 9 (Fig.4) zugeführt wird.

zweckmäßig erwiesen, die Impulsamplitude der Ausgangssignale des optischen Empfängers, die zum Vergleich mit einer festgelegten Referenzspannung herangezogen wird, schon vor einer Klemmschaltung zu bestimmen, die den Gleichstromanteil eines empfangenen Signals wieder herstellt. Dies kann vorteilhaft mit einer in F i g. 5 dargestellten Schaltungsanordnung erreicht werden. An den Ausgang A der Verstärkerstufe 9 des optischen Empfängers ist eine aus den Dioden D\, Eh und den Kondensatoren Ci und Cj bestehende Zweiweg-Gleichrichieranordnung angeschlossen. Die Diode D] tastet die Impulsspitzen der Ausgangsimpulse des Empfängers und £>j die Impulstäler ab. Die Spannung zwischen den Kondensatoren C\ und Cj entspricht somit der Impulsamplitude. Die an beiden vorgenannten Kondensatoren anliegenden Gleichspannungsanteile werden zusammen mit der Referenzspannung Ukf über Widerstände /?». R» bzw. R₄₀ und /?m einem Operationsverstärker 5' zugeführt, der so geschaltet ist, daß an seinem Ausgang die Differenz aus Referenzspannung und Impulsamplitude als Regelspannung zur Verfügung steht. In der Schaltungsanordnung nach F i g. 5 wird diese Regelspannung wiederum gleichzeitig sowohl der Photodiode 7 als auch der Verstärkerstufe 9 des optischen Empfängers zugeführt. Selbstverständlich könnte die Regelspannung, sofern dies ausreichend sein sollte, auch wiederum nur der Avalanche-Photodiode 7 zugeführt werden.

Vorteilhaft kann die Verstärkung des der Avalanche-Photodiode 7 nachgeordneten Verstärkerteils 9 des optischen Empfängers in an sich bekannter Weise mittels eines PIN-Dioden-Reglers, mit einem Dual-Gate-Feldeffekttransistor oder mit einer über die Regelspannung veränderbaren Vorspannung eines Bipolartransistors geregelt werden.

In manchen Anwendungsfällen erweist es sich als zweckmäßig, eine verzögerte Regelung des Verstärkungsfaktors der Avalanche-Photodiode 7 und/oder des Verstärkerteils 9 vorzusehen. Dies wird in an sich bekannter Weise durch ein in der Regelspannungsleitung angeordnetes Zeitglied mit vorzugsweise ver-

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Schaltungsanordnung zur Stabilisierung, insbesondere Temperaturstabilisierung, eines Empfängers eines optischen Naehrichtenübertragungssy- *> stents mit einem Halbleiterbauelement mit temperaturabhängiger interner Stromverstärkung als Lichtwandler und einer dem Lichtwandler r.achgeordneten Verstärkerstufe zur Verstärkung und Regenerierung der bei Lichteinfall vom Lichtwandler abgege- ι ο benen elektrischen Signale, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang (A) des optischen Empfängers (1) eine Diode (Di) verbunden ist, welche die Ausgangsimpulse des optischen Empfängers gleichrichtet und mit dieser Gleichspannung einen Kondensator (Q) auflädt, daß weiterhin ein Differenzverstärker (4) vorgesehen ist, dessen erstem Eingang (5) die durch Gleichrichtung aus den Ausgangsimpulsen des optischen Empfängers (1) gewonnene Spannung und dessen weiterem Eingang (6) eine Referenzspannung (Um) einer Referenzspannungsquelle (3) zugeführt wird, und dessen Ausgang, an dem eine der Differenz der Eingangsspannungen entsprechende Regelspannung (Ur) entsteht, mit dem Vorspannungsversorgungsleil (8) des Lichtwandlers, vorzugsweise einer Avalanche-Photodiode (7) und/oder der der Avalanche-Photodiode nachgeschalteten Verstärkerstufe (9) des optischen Empfängers (1) verbunden ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Avalanche-Photodiode (7) kapazitiv mit der nachgeordneten Verstärkerstufe (9) verbunden ist, «und de3 zum Zwecke der Wiedergewinnung des Gleichstromteils eines empfangenen optischen Signals ein- der Verstärkerstufe js (9) folgende Klemmschaltung (Ci, D2) vorgesehen ist

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsimpedanz des Differenzverstärkers (4, 5) und die Kapazität (Q) derart gewählt ist daß durch das hierdurch gebildete Zeitglied eine verzögerte Regelung des Verstärkungsfaktors der Avalanche-Photodiode (7) und/oder der Verstärkerstufe (S) erfolgt