DE3127333C2 - Modulationsvorrichtung zur optischen Signalübertragung - Google Patents

Abstract

Es wird ein elektrooptischer Modulator mit einem nach dem Bragg-Effekt arbeitenden elektrooptischen Lichtablenker vorgeschlagen, für den als Quelle für ein dem Lichtablenker (1) zuzuführendes elektrisches Signal (S) zum Zwecke einer Modulation einer dem Lichtablenker (1) über einen Eingangslichtwellenleiter (3) zuführbaren Lichtleistung ein druckempfindlicher Signalgeber (2) vorgesehen ist, dessen elektrischer Ausgang (21, 22) mittelbar oder unmittelbar mit einem elektrischen Eingang (11, 12) des Lichtablenkers (1) verbunden ist. Die Anordnung dient zur Übertragung von Druckwerte, z.B. Schallwerte, repräsentierenden Signalen über ein optisches Übertragungsnetz, wobei keinerlei externe Versorgungseinrichtung für elektrische Energie benötigt wird.

Description

erfindungsgemäße elektro-optische Modulationsvorrichtung soll außerdem kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht haben. Sie soll darüber hinaus auch unter extremen Umweltbedingungen zuverlässig arbeiten.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Modulationsvorrichtung der eingangs genannten Art und gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, die erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist

Eine derartige Modulationsvorrichtung bietet den Vorteil, daß sie kompakt aufgebaut werden kann, prak- - tisch keine Toleranzprobleme aufwirft und zuverlässig auch unter extremen Umweltbedingungen arbeitet

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Modulationsvorrichtung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer, Ausführungsbeispiele für die Erfindung betreffender Figuren im einzelnen erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch ein Prinzipschaltbild Für die Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten eines Ausführungsbeispiels für die vorliegende Erfindung.

Fig.2 zeigt schematisch eine Prinzipschaltungsanordnung für ein Ausführungsbeispiel einer besonders vorteilhaften Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Modulationsvorrichtung, nämlich der Realisierung eines elektrooptischen Mikrofons für einen lediglich über Lichtwellenleiter mit einer zentralen Einrichtung verbundenen Fernsprechapparat

F i g. 3 zeigt schematisch eine Anordnung eines erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators, der als elektrooptisches Mikrofon in einem Handapparat eines Fernsprechapparates verwendet ist.

Fig.4 zeigt ein Oszillogramm von Eingangs- und Ausgangssignalen einer Laboranordnung zum Nachweis der Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Prinzips.

F i g. 5 zeigt schematisch einen vorteilhaften Aufbau eines Piezo- oder Elektret-Mikrofons mit mehreren in Reihe geschalteten Einzelkapazitäten.

F i g. 1 zeigt, wie bereits erläutert, schematisch ein Prinzipschaltbild für die Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten eines Ausführungsbeispiels für die vorliegende Erfindung. Ein elektrooptischer Modulator Menthält gemäß F i g. 1 einen Lichtablenker 1 und einen druckempfindlichen Signalgeber 2. Dem Lichtablenker 1 wird über einen Eingangslichtwellenleiter 3 eine Lichtleistung L zugeführt. Über einen Ausgangslichtwellenleiter 4 wird aus dem Lichtablenker 1 eine modulierte Lichtleistung L' abgeführt. Ein elektrisches Signal S, das der druckempfindliche Signalgeber 2 aufgrund einer auf ihn einwirkenden Druckkraft P abgibt, wird über einen elektrischen Ausgang 21, 22 des druckempfindlichen Signalgebers 2 an einen elektrischen Eingang 11,12 des Lichtablenkers 1 geliefert.

Der elektrooptische Modulator ist — elektrisch gesehen = ein Kondensator mit einer Kapazität von ca. 50 pF, mit dem durch Anlegen einer Spannung die Lichttransmission gesteuert, also moduliert wird. Der Eingang des elektrooptischen Modulators ist kapazitiv hochohmig und damit in idealer Weise zum Anschluß eines druckempfindlichen Signalgebers mit einem hohen Ausgangsscheinwiderstand geeignet.

Der druckempfindliche Signalgeber 2 kann beispielsweise ein elektrischer Spannungsmodulator oder ein elektrischer Strommodulator sein. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Signalgeber 2 ein akustoelektrischer Wandler sein. Ein derartiger akustoelektrischer Wandler kann nach einer Weiterbildung der Erfindung ein nach dem Piezo-Effekt arbeitender Wandler sein.

Ein besonders vorteilhafter Anwendungsfall für den elektrooptischen Modulator gemäß der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß der nach dem Piezo-Effekt arbellende Wandler ein Piezo-Mikrofon ist Aufbau und Wirkungsweise eines Piezo-Mikrofons sind an sich bekannt vgl. beispielsweise Siemens-Zeitschrift 46 (1972) Nr. 4, S. 207 bis 209, Martin, E^ Müller, E.: »Fernsprech-Piezomikrofon Ts 71«, vgl. F i g. 2.

is Ein derartiges nach dem Piezo-Effekt arbeitendes Bauelement kann bekanntlich aus verschiedenen Materialien aufgebaut sein, wie beispielsweise bestimmte Keramikarten, Folien und dergl.

Das erfinderische Prinzip erlaubt jedoch ebenfalls, daß der akustoelektrische Wandler eiis. nach dem magnetoelektrischen Wandlungsprinzip arbeitender Wandler ist Es ist außerdem gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der akustoelektrische Wandler als ein Elektret-Mikrofon ausgeführt ist. Ein vorteilhafter weiterer Anwendungsfall für die vorliegende Erfindung sieht vor, daß der Signalgeber 2 ein Drucksensor zum Messen dynamischer oder statischer Druckkräfte ist

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zum Anpassen der Scheinwiderstände des Lichtablenkers 1 und des Signalgebers 2 in an sich bekannter Weise ein Spannungswandler 1020 vorgesehen ist Dieser Spannungswandler 1020 kann beispielsweise als ein nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitender Transformator ausgebildet sein, vergl. F i g. 2.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zur Erzielung einer geringen Durchgangsdämpfung ein Ausgangslichtweüenleiter 4 verwendet wird, der als sog. Dickkernfaser realisiert ist

F i g. 2 zeigt wie bereits erläutert, schematisch eine Prinzipschaltungsordnung für ein Ausführungsbeispiel einer besonders vorteilhaften Anwendungsmögiichkeit des erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators, nämlich der Realisierung eines elektrooptischen Mikrofons für einen lediglich über Lichtwellenleiter mit einer zentralen Einrichtung verbundenen Fernsprechapparat Die Figur zeigt einen derartigen Fernsprechapparat 6, der über Lichtwellenleiter 30,40 mit der genannten Vermittlungseinrichtung 5 verbunden ist Diese Vermittlungseinrichtung 5 enthält in an sich bekannter Weise zum Umsetzen einer elektrischen Eingangsleistung £Ίη eine Licntleistung L einen elektrooptischen Wandler 530 und dementsprechend zur Umsetzung einer abführbaren Lichtleistung L' in eine elektrische Ausgangsleistung E' einen optoelektrischen Wandler 540. Das Piezo-Mikrofon 20 oder ein anderer geeigneter druckempfindlicher Signalgeber wird einem Schalldruck SD ausgesetzt Über einen elektrischen Ausgang 201,202 wird das entstehende elektrische Signal Seinem elektrischen Eingang 101, 102 eines Lichtablenkers IC .'jugeführt Dieser Lichtablenker 10 moduliert mittels des elektrischen Signals S die ihm zugeführte Lichtleistung L in die abführbare Lichtleistunt/.'.

Die in Fig. 1 und Fig.2 gezeigten Lichtablenker 1 bzw. 10 sind als Einzelkomponenten an sich bekannte Bauelemente, vgl. beispielsweise Siemens Forschungsund Entwicklungsberichte 10, (1981) Nr. 1, S. 44-47.

Auracher, F., Keil, R.; Zeitler, K.-H.: »New electrooptic Bragg deflectors with low-insertion loss and multiplebeam capability«.

F i g. 2 zeigt, daß der elektrooptische Modulator Bestandteil des über die Lichtwellenleiter 30, 40 an die Vermittlungseinrichtung 5 angeschlossenen Fernsprechapparates 6 ist und daß der Fernsprechapparat 6 keinerlei elektrische Verbindung zu der Vermittlungseinrichtung 5 und ebenfalls keinerlei Fremdstromver-Sürgung aufweist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Lichtablenker 10 zusammen mit einem schalldruckempfindlichen Signalgeber, z. B. dem Mikrofon 20, räumlich in einem Handapparat 7 für den Fernsprechapparat 6 untergebracht ist und daß \s ein Eingangslichtwellenleiter und ein Ausgangslichtwellenleiter innerhalb einer Handapparateschnur 3040, die zwischen dem Fernsprechapparat 6 und dem Handapparat 7 angeordnet ist, verlaufen. Der Lichtablenker 10 ist, wie dies F i g. 2 zeigt, jedoch auch vorteilhaft innerhalb des Fernsprechapparates 6 selbst untergebracht. Dabei ist der elektrische Ausgang 201, 202 des schalldruckempfindlichen Signalgebers, nämlich des Mikrofons 20, in herkömmlicherweise über zwei elektrische Leiter, die in der Handapparateschnur untergebracht sind, mit dem elektrischen Eingang 101,102 des Lichtablenkers 10 verbunden. Eine derartige Anordnung ist, was den mechanischen Aufbau, die Gewichtseinsparung im Handapparat, die Realisierung der optischen Anschlüsse an den Lichtablenker u. a. m. betrifft, besonders vorteilhaft.

Bedarfsweise ist in an sich bekannter Weise zwischen den elektrischen Ausgang des druckempfindlichen Signalgebers und den elektrischen Eingang des Lichtablenkers ein Spannungswandler 1020, wie bereits erläutert, zum Zwecke der Anpassung der Scheinwiderstände der beiden Moduiatorkomponenten eingefügt. Die Lichterzeugung am Eingang der gesamten Einrichtung kann bekanntlich auf unterschiedliche Art erfolgen, beispielsweise durch Lumineszenzdioden, Laserdioden oder andere Laser beliebiger Art.

Fig.4 zeigt ein Oszillogramm eines Eingangssignals 80 und eines Ausgangssignals 81 einer Laboranordnung zum Nachweis der Funktionsfähigkeit des Prinzips der Erfindung. Neben der vorteilhaften Anwendung des erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators in einem Fernsprechapparat sind vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten überall dort gegeben, wo Druckkräfte zu messen oder zu überwachen sind und wo die vorteilhafte Eigenschaft von Signalübertragungssystemen mit Lichtleitung, nämlich die Unempfindlichkeit gegenüber elektrischen oder magnetischen Störungseinflüssen ausgenutzt werden soll.

Zur Anpassung der Kapazitäten von elektrooptischem Modulator und Piezo-Mikrofon bzw. Elektret-Mikrofon kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die Gesamtkapazität C_gcs dieser Anordnungen in mehrere Einzelkapazitäten Cunterteilt werden, die dann in Serie zusammenzuschaken sind. Die durch den Schall an jeder Einzelkapazität entstehende Spannung wird entsprechend der Anzahl der Einzelkapazitäten vervielfacht

Das Piezo-Mikrofon kann aus Keramik, z. B. VIBRIT, oder aus einer Piezo-Kunststoffolie, z. B. PVF2, bestehen. Die verwendeten Eiektrete können gleichfalls Kunststoffolien sein.

Eine Möglichkeit für die Realisierung der Elektrodenunterteilung ist ausschnittsweise in F i g. 5 zu sehen. Eine runde Scheibe aus Piezo- oder Elektretmaterial MA Twird mit dreieckförmigen Elektroden EL bzw. EL' auf der Ober- und Unterseite versehen. Die Elektroden verjüngen sich zur Mitte der Scheibe, sie werden wie angedeutet in Serie geschaltet.

Die Serienschaltung von Elektroden an sich ist bekannt. Sie ist beispielsweise in DE-PS 23 14 420 im Hinblick auf eine piezoelektrische Taste beschrieben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

1 2 leiter hat eine Reihe von Vorteilen. Dazu gehören im Patentansprüche: wesentlichen: Kleine Signaldämpfung, große Bandbreite und Störsi-

1. Modulationsvorrichtung zur optischen Signal- cherheit, insbesondere gegenüber elektrischen oder maübertragung bestehend aus einem druckempfindli- 5 gnetischen Feldern. Hinzu kommen die hohe Flexibilichen elektrischen Signalgeber mit nachfolgenden tat, das geringe Gewicht und die kleinen Abmessungen elektrooptischen! Modulator, dadurch ge- der Lichtwellenleiter selbst sowie die durch sie gegebekennzeichnet, daß der elektrooptische Modu- ne Möglichkeit, auf einfache Weise Potentiahrennungen Iator ein nach dem Bragg-Effekt arbeitender elek- realisieren zu können.

trooptischer Lichtablenker (1) ist, dem über einen io Lichtwellenleiter werden vor allem in den höheren

Eingangslichtwellenleiter (3) eine Eingangslichtlei- Ebenen von Kommunikationsnetzen, insbesondere in

stung (L) zugeführt wird, wobei elektrische Ausgän- Fernsprechnetzen eingesetzt Hier haben sie sich bereits

ge (21, 22) des druckempfindlichen Signalgebers (2) bewährt

unmittelbar mit elektrischen Eingängen (11,12) des Die Übertragung von Nachrichten, insbesondere

Lichtablenkers verbunden sind, und daß zur Anpas- 15 Sprache, über Lichtwellenleiter bis zum Teilnehmer be-

sung der Kapazitäten des Lichtablenkers und des findet sich derzeit in der Erprobung. Mit einer entspre-

druckempfindlichen Signalgebers die Gesamtkapa- chenden Übertragungstechnik können auf einfachste

zität (Cgcs) in Einzelkapazitäten (C) unterteilt ist und Weise Breitbanddienste, z. B. »Kabelfernsehen« und

die Einzelkapazitäten in Reihe geschaltet sind. »Fernkopieren«, angeboten werden. Die Geräte für die-

2. Modufaiionsvorrichtung nach Anspruch 1, da- 20 se Dienste werden beim Teilnehmer an das Stromverdurch gekennzeichnet, daß der druckempfindliche sorgungsnetz angeschlossen. Dies ist für den Betrieb des Signalgeber (2) ein akustoelektrischer Wandler ist Telefons selbst nicht zulässig. Hier spielen Sicherheits-

3. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 2, da- Überlegungen technischer und anderer Art eine entdruch gekennzeichnet, daß der akustoelektrische scheidende Rolle. Die Sicherheitsüberlegungen führen Wandler ein nach dem Piezo-Effekt arbeitender 25 dazu, zu verlangen, daß in gefährlichen Situation en auch Wandler ist bei Ausfall des Stromnetzes eine Fernsprecheinrichtung

4. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 3, da- funktionsfähig bleibt

durch gekennzeichnet, daß der nach dem Piezo-Ef- Die zum Telefonieren erforderlichen Teilnehmerein-

fekt arbeitende Wandler ein Piezo-Mikrofon (20) ist richtungen müssen deshalb mit elektrischer Energie ge-

5. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 2, da- 30 speist werden, die unabhängig vom Stromversorgungsdurch gekennzeichnet daß der akustoelektrische netz zur Verfügung steht Die Teilnehmereinrichtungen Wandler ein nach dem magneloelektrischen Wand- werden deshalb nach einem bestehenden Vorschlag lungsprinzip arbeitender Wandler ist über zusätzliche zum Lichtwellenleiter verlegte Kupfer-

6. ModuIationsvorrichtURg nach Anspruch 2, da- leitungen mit Energie aus der Amtsbatterie versorgt durch gekennzeichnet, daß der akustoelektrische 35 oder sie werden aus Batterien gespeist die beim Teil-Wandler ein Elektret-Mikrofon ist nehmer selbst aufgestellt sind.

7. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, da- Diese zusätzlichen Kupferleitungen oder Batterien durch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (2) ein können entfallen, wenn Mikrofone geschaffen werden. Drucksensor zum Messen dynamischer oder stati- die ohne zusätzliche elektrische Efcsrgie auskommen scher Druckkräfte ist. 40 und in Verbindung mit Lichtwellenleitern betriebsfähig

8. Modulationsvorrichtung nach einem der vor- sind. Hierdurch wären erhebliche Kostenreduzierungen hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, möglich.

daß zum Anpassen der Scheinwiderstände des Licht- Bekannte Lösungsvorschläge sehen vor, eine Einrich-

ablenkers (1) und des Signalgebers (2) ein an sich tung zu verwenden, in der ein Lichtstrahl an einer durch

bekannter Spannungswandler (1020) vorgesehen ist 45 Schalldruck oder Druck allgemein auszulenkenden

9. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 8, da- Membran je nach der Auslenkung der Membran reflekdurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler tiert wird, wodurch eine Modulation der eingespeisten (1020) ein Transformator ist. Lichtleistung erreicht wird, vergl. beispielsweise Fre-

10. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, da- quenz 32 (1978), S. 356—363, Fromm, L: »Optofon — durch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer ge- 50 ein optisches Übertragungssystem für Sprache«. Bei ringen Durchgangsdämpfung ein Ausgangslichtwel- derartigen Einrichtungen ist jedoch mit wesentlichen lenleiter (4) verwendet wird, der als sog. Dickkernfa- Toleranzproblemen insbesondere der beweglichen Teiser realisiert ist. Ie (Membran) zu rechnen.

11. Modulationsvorrichtung nach einem der vor- Aus der Druckschrift »Journal of Applied Physics«, hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 55 Bd. 46 (1975) Nr. 11, S. 5046 — 5048 ist ein akusto-optidaß der druckempfindliche elektrische Signalgeber sches abstimmbares Filter mit einstellbarer Bandbreite, Bestandteil eines über Lichtwellenleiter (30, 40) be- das im weitesten Sinne als elektro-optischer Modulator triebenen Fernsprechapparates (6) ist. mit einem nach dem Bragg-Effekt arbeitenden elektrooptischen Lichtablenker betrachtet werden kann, be-

60 kannt.

Aus der Druckschrift »Siemens-Zeitschrift« 46 (1972), S. 207-209 ist ein druckempfindlicher Signalgeber mit

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mo- elektrischem Ausgang bekannt.

dulationsvorrichtung zur optischen Signalübertragung Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zubestehend aus einem druckempfindlichen elektrischen 65 gründe, eine elektro-optische arbeitende Modulations-Signalgeber mit nachfolgendem elektrooptischen Mo- vorrichtung zu schaffen, die einen robusten und komdulator. pakten mechanischen Aufbau hat und bei der die ange-

Die Übertragung von Nachrichten über Lichtwellen- sprochenen Toleranzprobleme praktisch entfallen. Die