DE2814716A1

DE2814716A1 - Optischer transmitter zur reduzierung der verzerrungen in optischen uebertragungssystemen

Info

Publication number: DE2814716A1
Application number: DE19782814716
Authority: DE
Inventors: Jozef Straus; Otto Istvan Szentesi
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1977-04-15
Filing date: 1978-04-05
Publication date: 1978-10-19
Also published as: FR2387555B1; GB1566850A; FR2387555A1; JPS53129505A; CA1063675A; JPS6030458B2; DE2814716C2

Description

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Die Erfindung betrifft einen optischen Transmitter mit verringerter Verzerrung der optischen Ausgangsintensität. Derartige Geräte sind besonders geeignet für analoge übertragungsseherneη auf dem Gebiet der optischen Faserverbindungen bzw. Licht faserverbindungen.

Die Entwicklung praktischer Optik-Fasersysteme oder Lichtfasersysteme hat erst begonnen. Derartige Systeme verwenden modulierte Lichtquellen, in erster Linie Halbleiter-Leuchtdioden (LED), deren optisches Ausgangssignal über eine Lichtleiterverbindung an einen Empfangsort geleitet wird. Die optische Energie, die aus der Faser austritt, fällt dann auf einen Fotodetektor, normalerweise eine in Sperrichtung vorgespannte PIW-Halbleiterdiode oder dergl., worin elektrische Ladungsträger erzeugt und nachfolgend verstärkt werden, um ein nutzbares Ausgangssignal zu erhalten.

Es gibt daher drei ausschlaggebende Komponenten bei solchen Systemen: die optische Leistungsquelle oder der Transmitter, die optische Faserverbindung und den Fotodetektor oder Empfänger. Falls ein analoger Übertragungsmodus verwendet wird, wird die nicht-lineare Verzerrung ein Faktor, der die übertragungsgüte möglicherweise in einem solchen Ausmaß beeinflußt, daß ein praktisches System nicht verwirklicht werden kann. Das Problem nicht-linearer Verzerrung ist selbstverständlich nicht für optische Fasersysteme neu.Es ist jedoch hier mehr als bei anderen Systemen eine Fehlerquelle, da praktische Lichtquellen, wie Leuchtdioden, ein Lichtausgangssignal erzeugen, dessen Intensität sich nicht mit ausreichender Linearität mit dem elektrischen Eingangssignal ändert. Deswegen können Nicht-Linearitäten der zweiten und dritten Ordnung eine Verzerrung beispielsweise bei einem übertragenen Analog-Videosignal erzeugen und damit die Übertragungsqualität beschränken. Damit wird eine Übertragung über lange Strecken nicht möglich. Obwohl selbst-

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verständlich auch ein Fotodetektor nicht vollständig linear ist, kann gezeigt werden, daß sein Beitrag zur Signalverzerrung im Vergleich zu der durch die Leuchtdiode hervorgerufenen Verzerrung minimal ist.

Durch die Erfindung wird ein optischer Transmitter geschaffen, der in einem besonderen Beispiel Leuchtdioden als elektrooptische Konverter und Fotodetektoren als optoelektrische Konverter benutzt/ der ein optisches Ausgangssignal erzeugt, das in größerem Ausmaß linear auf das elektrische Eingangssignal bezogen ist, als es bisher bekannt war. Einfach ausgedrückt wird der Schluß-elektrooptische Konverter des optischen Transmitters durch ein gewandeltes elektrisches Signal moduliert oder angeregt, statt durch das originale elektrische Eingangssignal. Wie für den Fachmann erkennbar wird,hängt die Größe der Verzerrungsreduzierung von der Gleichartigkeit der elektrooptischen Ubertragungscharakteristiken der beiden verwendeten elektrooptischen Konverter ab.

Dementsprechend wird ein optischer Transmitter mit zwei parallelen Signalwegen geschaffen, der eine Signal-Teileinrichtung zum Verkoppeln einer ersten Komponente eines elektrischen Eingangssignals mit einem ersten Signalweg und einer zweiten Komponente des Eingangssignals mit einem zweiten Signalweg umfaßt, wobei der erste Signalweg einen ersten mit einem optoelektrischen Konverter optisch gekoppelten elektrooptischen Konverter aufweist und der zweite Signalweg eine vorbestimmte elektrische Verzögerung schafft, und in dem Einrichtungen enthalten sind, die die momentane Differenz zwischen Signalen an den Enden des ersten und des zweiten Signalwegs bilden und der einen zweiten elektrooptischen Konverter enthält, um die momentane Differenz in ein optisches Ausgangssignal zu wandeln.

Obwohl dieser optische Transmitter das elektrische Ausgangssignal weniger linearer Konverter linearisiert, sollte klar

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sein, daß die Verwendung von Konvertern mit besseren Linearitätseigenschaften auch das endgültige Ausgangssignal in größerem Ausmaß linear werden läßt. Eine solche Linearisierung ist unter Inkaufnahme höherer Komplexität und einer Verschlechterung des Signal-RauschVerhältnisses erkauft. Der letztgenannte Nachteil kann jedoch außer Beachtung gelassen werden, wenn das Signal-Saus ch verhältnis am Eingang in einem vernünftigen Bereich liegt. Die Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses beträgt nicht viel mehr als 5 dB.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Transmitters,

Figur 2 eine Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Schemas,

Figur 3 die Verwendung eines 180 -Hybrid-Transformers zur Erzeugung des Differenzsignals für zwei phasenabgestimmte Signale zur Anwendung in den Transmittern nach Fig. 1 oder 2,

Figur l\. einen Differenzverstärker zur Ableitung der Differenz zwischen den beiden Signalen, gefolgt von einem Ansteuergerät und einer Leuchtdiode zur Verwendung in den Transmittern der Fig. 1 und 2,

Figur 5 die Schaltung zur Vorspannung einer PIN-Fotodiode und den Anschluß eines optischen Empfängers zur Verwendung bei den Transmittern der Fig. 1 und 2, und

Figur 6 eine Veränderung eines Teils des Schemas nach Fig.

Der optische Transmitter nach Fig. 1 umfaßt einen Leistungsteiler 10, der ein"anliegendes Eingangssignal S. in zwei

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Signalkoraponenten S₁ und S aufspaltet. DaG Signal S, liegt an einem optischen Ancteuergerät 11 an, das wiederum eine Leuchtdiode (LED) 12 treibt (d.h. die Vorspannung und die nodulation erzeugt), deren optisches Ausgangssignal mit einer Fotodiode 13, beispielsweise einer PIN-Fotodiode gekoppelt ist, welche wiederum elektrischmit einem optischen Empfänger IZf verbunden ist. Das Aus gangs signal des optischen Empfängers Hf wird an den Subtraktions eingang eines Addiergerätes 15 eingegeben, während der addierende Eingang dieses Gerätes das Signal S^ empfängt, das mittels eines Versögerungsnetzwerks 16 eine Zeitverzögerung T erhalten hat. Die Verzögerung!^ wird so gewählt, daß sie der Verzögerung gleich ist, die das Signal S₁ vom Eingang des optischen Ansteuergerätes 11 bis zum Ausgang des optischen Empfängers 14 erhält, und zwar damit die Signale S₁ und S~ am Summationsgerät 15 einen Phasendifferenzwinkel aufweisen, der so nahe wie praktisch möglich bei 0 liegt. Normalerweise beträgt die Größenordnung der Verzögerung t" 10 Sekunden. Das Ausgangssignal des Summierers 15 wird einem optischen Ansteuergerät 17 eingegeben, das gleich ausgelegt wie das optische Ansteuergerät 11 ist. Das optische Ansteuergerät 17 steuert eine der Leuchtdiode 12 gleiche Leuchtdiode 18 an.

Um die Wirksamkeit der Schaltung einfach auszudrücken,werde nur die Aufhebung der Verzerrungen erster Ordnung betrachtet. Das Signal S₁ wird über das optische Ansteuergerät 11 und die Leuchtdiode 12 in ein äquivalentes optisches Signal (a..S.]+■£) konvertiert, wobei a., ein elektrooptischer Kon versions faktor und Λ der Betrag der durch die Leuchtdiode 12 eingebrachten Verzerrung ist. Das optische Signal (aL.S^+Λ) wird direkt der PIN-Fotodiode 13 weitergegeben und hier in ein elektrisches Signal gewandelt, das dann durch den optischen Empfänger M-\- verstärkt wird. In der Ausführung nach Fig. 1 ist der Gewinn

des optischen Empfängers IZf so, daß das originale elektrische

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Eingangssignal S₁ + eine Störung — herauskommt. Damit

ι a«

wird selbstverständlich angenommen, daß keine Verzerrung durch die PIN-Fotodiode 13 und den darauffolgenden optischen Empfänger V\. erzeugt wird. So erhält das Signal S, eine Gesamtverstärkung 1 - vom Eingang des optischen Ansteuergerätes 11 bis sum Ausgang des optischen Empfängers Ημ. Wenn der Leistungsteiler 10 so ausgelegt ist, daß S₂ = 2S,, dann ist das Ausgangssignal am Summierer 15-

^S2 - ^(S1 ⁺ ^ = ^2S1 - ^S1 - if" ^{= S}1 - ^

Die optische Ausgangsleistung S ,,4- der Leuchtdiode 18 beträgt dann:

Selbstverständlich ist ·=- kleiner als S₁ und die durch diesen Ausdruck erzeugte Verzerrung kann bei einer Annäherung der ersten Ordnung außer Betracht gelassen werden. Mit anderen Worten, wurde das elektrische Signal S-, in ein optisches Signal S . gewandelt, das keine Leuchtdiodenverzerrung besitzt .

Eine aufwendigere Analyse zeigt, daß nicht die gesamte Verzerrung voll eliminiert wird. Es sei angenommen, daß die Leuchtdioden-Übertragungsfunktion gegeben ist durch:

^SLED ^{= a}1 ^{S + a}2 ^{S + a}3 ^{S +} % ^{S +} >

'.vobei S-j.^,p. die optische Ausgangsleistung der Leuchtdiode ist und S den elektrischen Signalstrom durch die Leuchtdiode bedeutet, a« ist selbstverständlich die Konversionseffizienz der Leuchtdiode^ a-, a_y etc. sind die Verzerrungsfalttoren der zweiten, dritten etc. Ordnung, und es reicht oftmals aus, nur

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die Ausdrücke bis a_ zu betrachten. V/enn die Analyse für die

= ZS. ausgeführt wird, stellt sich

Schaltung nach Fig. 1 rait

heraus, daß theoretisch keine Verzerrungsprodukte der zweiten Ordnung vorhanden sind. Die Verzerrungsprodukte der dritten Ordnung v/erden vermindert, wenn

ZtC

Der Fachmann erkennt, daß die angeführte Bedingung oftmals zutrifft. Verzerrungsprodukte noch höherer Ordnung sind vernachlässigbar und werden nicht betrachtet.

Anhand von Fig. 2 wird ein allgemeinerer Fall als der eben behandelte betrachtet. Im Signalweg des Signals Sp ist ein Verstärker 19 mit einem Verstärkungs-(oder Verlust-)Faktor (■^5-0 eingefügt. Zusätzlich wird angenommen, daß der Weg des Signals S. einen allgemeinen Gewinn-(oder Verlust-)Faktor von G aufweist. Wenn man zunächst annimmt, daß G = 1 ist, dann ergibt sich für K = 1 wiederum der Fall nach Fig. 1, d.h. der Ausgleich der Verzerrungen zweiter Ordnung. TJm auch die Verzerrungen dritter Ordnung auszugleichen,sollte K einen von 1 verschiedenen Wert annehmen, nämlich K sollte der kubischen Gleichung

K³ - 2-K

-I=O

genügen. Eine solche Gleichung hat immer eine reelle Wurzel und diese ist der erforderliche Wert für K. In der Praxis ergibt ein Abgleich der Verstärkung des Verstärkers 19 eine Möglichkeit, eine optimale Einstellung zu erhalten. Man kann einen Punk't wählen, der* zwischen der vollen Beseitigung entweder der Verzerrungsprodukte der zweiten oder der dritten Ordnung liegt.

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Ein weiterer, noch allgemeinerer Fall ergibt sich, wenn G von 1 verschieden ist; in diesem Fall kann gezeigt werden, daß für Ausgleich der Verzerrungen der zweiten Ordnung K wie folgt sein muß:

K .= 2G - 1.

Das bedeutet, daß der Gewinn oder der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 19 (—0—) = G sein muß. Wiederum kann durch Verändern von K die Beseitigung der Verzerrungen der dritten statt der der zweiten Ordnung erreicht werden.

Ob man sich nun für Ausgleich der Verzerrungen zweiter oder dritter Ordnung entscheidet; es ist zu erkennen, daß sich bei den meisten Verzerrungsprodukten eine allgemeine Abnahme ergibt. Die Verbesserung wird mit ansteigender Ordnung des Verzerrungsproduktes immer weniger hervortretend.

Vor der Beschreibung anderer untergeordneter Einzelheiten sollte erwähnt werden, daß eine Verminderung der zweiten harmonischen Verzerrungen um etwa 25 dB und der dritten harmonischen Verzerrungen um etwa 15 dB bei einer Messung einer Ausführung nach Fig. 1 erreicht wurde. Diese Verbesserung wurde bei Grundfrequenzen von einigen kHz bis zu einigen MHz erreicht. Die verwendeten Komponenten waren normale handelsübliche Teile. Beispielsweise wurde für das Addier- oder Summiergerät I5 sin 180 Hybridgerät nach Fig. 3 verwendet. Da die Eingangssignale E.. und E_ (S₁ und S₂ nach Fig. 1) in Phase liegen, erzeugt das 180 Hybridgerät die Differenz. Ein solches Hybridgerät wird durch die Firma Anzac unter der Bezeichnung HHI08 für den Bereich von 0,2 bis 35 MHz geliefert.

Eine andere Alternative zur Anordnung nach Fig. 3 wird in Fig.k gezeigt. Hier wird ein Differenzverstärker 20 verwendet. Der-

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artige Geräte sind auf dem Gebiet der Signalverarbeitung gebräuchlich. Der Differenzverstärker 20 steuert dann direkt ein optisches Ansteuergerät 21 an. Ein ausgezeichnetes optisches Ansteuergerät, das für derartige Anwendungen brauchbar ist, wurde in der Veröffentlichung von James C. Blackburn in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurements, 1975, Seiten 230 - 232 in Fig. k auf Seite 231 unter dem Titel "A 1201-3Iz Bandwidth Linear Signal Transmission System Using Fiber Optics" veröffentlicht. Für manche Anwendungen können selbstverständlich auch andere, weniger aufwendige Verstärker genügen. Ein optisches Ansteuergerät ergibt direkt die Vorspannung und die Modulation für die Leuchtdiode 18. Als optischer Empfänger ist eine Anordnung nach Fig. 5 oft sehr nützlich. In Fig. 5 wird ein Vorspannungswiderstand R verwendet, dessen Wert normalerweise so ausgewählt wird, daß das Rauschverhalten des Folgeverstärkers 22 optimiert wird. Ein geeigneter einfacher Verstärker wird von Texas Instruments unter der Bezeichnung XLI52 verkauft. Andererseits wird eine integrale Fotodioden-Verstärkeranordnung von RCA als Teil Wr. C30818/819 geliefert und ist für Analoganwendungen bis zu einigen MHz besonders geeignet.

Fig. 6 zeigt noch eine weitere Anordnung, mit der das gleiche Ergebnis der Verzerrungsreduzierung erreicht wird. Bei dieser Anordnung wird der Weg des Signals Sp in zwei Wege mit gleichen ^ignalleistungen aufgeteilt. Der zusätzliche Weg wird durch das Verzögerungsnetzwerk Z¹J so verzögert, daß beide Signale, die am End-Additionskreis 26 ankommen₃in Phase sind. Der Hauptweg vom Verzögerungsnetzwerk 16 geht durch einen Verstärker/Abschwächer, um sicherzustellen, daß die Signale, die am ersten Summationskreis 2.1+ ankommen, von der gleichen Größe sind. Das Ausgangssignal 2^ wird dann durch einen Verstärker 25 einem Summierkreis 26 weitergegeben, dessen Ausgangssignal das letzte optische Ansteuergerät treibt. Für K =

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werden Verzerrungsprodukte der zweiten Ordnung wie nach der Schaltung in Fig. 1 ausgeglichen, jedoch werden für

K. ⁼

a-, j

+ 2a

die Verzerrungsprodukte der dritten Ordnung ausgeglichen und die Verzerrungsprodukte der zweiten Ordnung verringert, wenn

2a5

Die angeführte Bedingung gilt immer generell. Wiederum kann man auswählen, ob man die Verzerrungen zweiter oder dritter Ordnung vollständig verschwinden lassen will, indem man K auf einen Zwischenwert, vorzugsweise durch praktische Erprobung einstellt.

Es wird also ein optischer Transmitter vorgestellt, der zur Analog-Ubertragung in Lichtfaser-Verbindungssystemen geeignet ist und zwei angepaßte Leuchtdioden verwendet, um eine Verzerrungsreduzierung zu erreichen.

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Claims

Optischer Transmitter zur Reduzierung der Verzerrungen in optischen Ubertragungssystemen Patentansprüche :

1.1 Optischer Transmitter mit zwei parallelen Signalwegen, dadurch "~ gekennzeichnet, daß eine Signal-Teileinrichtung (10) zum Verkoppeln einer ersten Komponente (S.) des elektrischen Eingangssignals (S. ) mit einem ersten Signalweg und einer zweiten Komponente (S₂) des Eingangssignals mit einem zweiten Signalweg vorgesehen ist, daß der erste Signalweg einen ersten elektrooptischen Konverter (12) einschließt, der optisch mit einem optoelektrischen Konverter (13) gekoppelt ist, daß der zweite Signalweg eine vorbestimmte elektrische Verzögerung (16) erzeugt, daß eine Einrichtung (15) vorgesehen ist, die die momentane Differenz zwischen Signalen an den Enden der ersten und zweiten Signalwege schafft und daß ein zweiter elektrooptischer Konverter (18) zum Timwandeln der momentanen Differenz in ein optisches Ausgangssignal vorgesehen ist.

2. Optischer Transmitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite elektrooptisch^ Konverter gleichartige elektrooptische Übertragungscharakte-

DR. G. MANlTZ · DtPL.-ING. M. FINSTERWALD 8 MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I TEL. <O89) 22 43 II. TELEX 05-89672 PATMF

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ristiken besitzen und daß die durch den zweiten optischen Weg geschaffene Verzögerung im wesentlichen gleich der Gesamt verzögerung des ersten Signalweges ist.

3. Optischer Transmitter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite elektrooptische Konverter Halbleiter-Leuchtdioden sind, und daß der optoelektrische Konverter eine Halbleiter-Fotodiode ist.

k. Optischer Transmitter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Signalweg eine Einrichtung zum Anpassen der durchtretenden Signalleistung aufweist.

5. Optischer Transmitter nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komponente (S., ) des Eingangssignals die Hälfte der Leistung enthält, die in der zweiten Komponente (S_) enthalten ist.

6. Optischer Transmitter nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennz eichnet, daß die Signale am Ende des ersten und des zweiten Signalweges Signalleistungen im Verhältnis von —^— enthalten, wobei G das Verhältnis der Leistung am Ende des ersten Signalweges zu der Leistung am Anfang dieses Weges ist und K eine vorbestimmte reelle Zahl ist.

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