DE3127406C2 - Modulationsvorrichtung zur optischen Signalübertragung - Google Patents

Modulationsvorrichtung zur optischen Signalübertragung

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Abstract

Es wird ein elektrooptischer Modulator mit einem Monomodelichtwellenleitermodulator vorgeschlagen, für den als Signalquelle für ein dem Monomodelichtwellenleitermodulator (1) zum Zwecke einer Modulation einer dem Monomodelichtwellenleitermodulator (1) über einen Eingangslichtwellenleiter (3) zuführbaren Lichtleistung (L) ein druckempfindlicher Signalgeber (2) vorgesehen ist, dessen elektrischer Ausgang (21, 22) mittelbar oder unmittelbar mit einem elektrischen Eingang (11, 12) des Monomodelichtwellenleitermodulators (1) verbunden ist. Die Anordnung dient zur Übertragung von Druckwerten, z.B. Schalldruckwerte, repräsentierenden Signalen über ein optisches Übertragungssystem, wobei keinerlei externe Versorgungseinrichtungen für elektrische Energie benötigt wird.

Description

— daß der elektrooptische Modulator ein Monomodelichtwellenleitermodulator (1) ist, dem über einen Eingangslichtwellenleiter (3) eine Eingangslichtleistung (L) zugeführt wird, wobei elektrische Ausgänge (21, 22) des druckempfindlichen Signalgebers (2) unmittelbar mit elektrischen Eingängen (11,12) des Monomodelichtwellenleitermodulators verbunden sind, und
— daß zur Anpassung der Kapazitäten des elektrooptipcäen Modulators und des druckempfindiichen Signalgebers die Gesamtkapazität (Cges) in Einzelkapazitäten (CJ unterteilt ist und die Einzelkapazitäten in Reihe geschaltet sind.
Z Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der .MonomodelichtWellenleitermodulator (1) ein Mach-Zehnder-Modulator ist.
3. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mach-Zehnder-Modulator als ein«. »Y-Verzweigung« realisiert ist
4. Modulationsvorrictiung n< .'h Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mach-Zehnder-Modulator mit »3-dB-Kopplern« reaFvert ist
5. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS der Monomodeiichtweilenleitermodulator (1) ein Richtkopplermodulator ist
6. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtkopplermodulator mit über seine Koppellänge durchgehenden Elektroden ausgestattet ist.
7. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtkopplermodulator mit über seine Koppellänge geteilten Elektroden ausgestattet ist.
8. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangslichtwellenleiter (3) und ein Ausgangslichtwellenieiter (4) Monomodelichtwellenleitersind.
9. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der druckempfindliche Signalgeber (2) ein akustoelektrischer Wandler ist.
10. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der akustoelektrische Wandler ein nach dem Piezo-Effekt arbeitender Wandler ist.
II. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem Piezo-Effekt arbeitende Wandler ein Piezo-Mikrofon (20) ist.
12. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der akustoelektrische Wandler ein nach dem magnetoelektrischen Wandlungsprinzip arbeitender Wandler ist. t5
13. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der akustoelektrische Wandler ein Elektret-Mikrofon ist.
14. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Signalgeber (2) ein Drucksensor zum Messen dynamischer oder statischer Druckkräfte ist
15. Modulationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anpassen der Scheinwiderstände des Monomodelichtwellenleitermodulators (1) und %'es Signalgebers (2) in an sich bekannter Weise ein Spannungswandler (1020) vorgesehen ist
16. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet daß der Spannungswandler (1020) ein Transformator ist
17. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer geringen Durchgangsdämpfung ein Ausgangslichtwellenieiter (4) verwendet wird, der als sog. Dickkernfaser realisiert ist
18. Modulationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
— daß der druckempfindliche elektrische Signalgeber Bestandteil eines über Lichtwellenleiter (30,40) betriebenen Fernsprechapparates (6) ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Modulationsvorrichtung zur optischen Signalübertragung bestehend aus einem druckempfindlichen elektrischen Signalgeber mit nachfolgendem elektrooptischen! Modulator.
Die Übertragung von Nachrichten über Lichtwellenleiter hat eine Reihe von Vorteilen. Dazu gehören im wesentlichen: Kleine Signaldämpfung, große Bandbreite und Störsicherheit, insbesondere gegenüber elektrischen oder magnetischen Feldern. Hinzu kommen die hohe Flexibilität, das geringe Gewicht und die kleinen Abmessungen der Lichtwellenleiter selbst, sowie die durch sie gegebene Möglichkeit, auf einfache Weise Potentialtrennungen realisieren zu können.
Lichtwellenleiter werden vor allem in den höheren Ebenen von Kommunikationsnetzen, insbesondere in Fernsprechnetzen eingesetzt. Hier haben sie sich bereits bewährt.
Die Übertragung von Nachrichten, insbesondere Sprache, über Lichtwellenleiter bis zum Teilnehmer befindet sich derzeit in der Erprobung. Mit einer entsprechenden Übertragungstechnik können auf einfachste Weise Breitbanddienste, z. B. »Kabelfernsehen« und »Fernkopieren«, angeboten werden. Die Geräte für diese Dienste werden beim Teilnehmer an das Stromversorgungsnetz angeschlossen. Dies ist für den Betrieb des Telefons selbst nicht zulässig. Hier spielen Sicherheitsüberlegungen technischer und anderer Art eine entscheidende Rolle. Die Sicherheitsaspekte technischer Art sind dem Fachmann bekannt. Andere Sicherheitsüberlegungen führen dazu, zu verlangen, daß in gefährlichen Situationen auch bei Ausfall des Stromnetzes eine Fernsprecheinrichtung funktionsfähig bleibt.
Die zum Telefonieren erforderlichen Teilnehmereinrichtungen müssen deshalb mit elektrischer Energie gespeist werden, die unabhängig vom Stromversorgungsnetz zur Verfügung steht. Die Teilnehmereinrichtungen werden deshalb nach einem bestehenden Vorschlag über zusätzlich zum Lichtwellenleiter verlegte Kupferleitungen mit Energie aus der Amtsbatterie versorgt, oder sie werden aus Batterien gespeist, die beim Teil-
nehmer selbst aufgestellt sind.
Diese zusätzlichen Kupferleitungcn oder Batterien können entfallen, wenn Mikrofone geschaffen werden, die ohne zusätzliche elektrische Energie auskommen und in Verbindung mit Lichtwellenleitern betriebsfähig sind. Hierdurch wären erhebüche Kostenreduzierungen möglich.
Bekannte Lösungsvorschläge sehen vor, eine. Einrichtung zu verwenden, in der ein Lichtstrahl an einer durch Schalldruck oder allgemein auszulenkenden Membran je nach der Auslenkung der Membran reflektiert wird, wordurch eine Modulation der eingespeisten Lichtleistung erreicht wird, vgl. beispielsweise Frequenz 32 (1978),_S. 356—363, Fromm, L: »Optofon — ein optisches Übertragungssystem für Sprache«. Bei derartigen Einrichtungen ist jedoch mit wesentlichen Toleranzproblemen insbesondere der beweglichen Teile (Membran) zu rechnen.
Aus dem Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichten, Bd. 9 (1980) nr. 1, S. 26-31 ist ein Monomodelichtwellenleitermodulator, der unter Einfluß emes elektrischen Feldes Lichtwellen modulieren kann, bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Modulationsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen robusten und kompakten mechanischen Aufbau hat und bei der die angesprochenen Toleranzprobleme praktisch entfallen. Die erfindungsgemäße Modulationsvorrichtung soli 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 nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, die durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist
Eine derartige Modulationsvorrichtung bietet den Vorteil, daß sie kompakt aufgebaut werden kann, praktisch keine Toleranzprobleme aufwirft und zuverlässig auch unier extremen Umweltbedingungen arbeitet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Modulationsvorrichtung, im folgenden auch elektrooptischer Modulator genannt, sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichent.
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.
F i g. 2 zeigt schematisch eine Prinzipschallungsanordnung für ein Aysführungsbeispiei einer besonders vorteilhaften Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators, 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.
F i g. 4 zeigt ein Oszillogramm von Eingangs- und Ausgangssignalen einer Laboranordnung zum Nachweis der Funktionsfähigen des erfindungsgemäßen Prinzips.
F i g. 5 zeigt schematisch einen vorteilhaften Aufbau eines Piezo- oder Elektr?t-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 M enthält gemäß F i g. 1 einen Monomodelichiwellenleitermodulator 1 und einen druckempfindlichen Signalgeber 2. Dem Monomodelichtwellenleitermodulator 1 wird über einen Eingangslichtwellenleiter 3 eine
ίο Lichtleisiung L zugeführt Über einen Ausgangslichtwellenleiter 4 wird aus dem Monomodelichtweilenleitermodulator 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 Monomodelichtwellenmoduhtors 1 geliefert.
Der elektrooptische Modulator ist — elektrisch gesehen — ein Kondensator mit einer Kapazität von ca. 5OpF, mit dem durch Anlegen einer Spannung die Lichttransmission gesteuert, also moduliert wird. Der Eingang des elektrooptischen Modulators ist kapazitiv hochohirig und damit in idealer Weise zum Anschluß eines druckempfindlichen Signalgebers mit einem hohen Ausgangsscheinwiderstand geeignet
Der Monomodelichtwellenleitermodulator kann vorteilhaft als Richtkopplermodulator, als steuerbare Y-Verzweigung oder als Mach-Zehnder-Modulator ausgeführt sein. Derartige Bauelemente sind an sich bekannt, vgl. beispielsweise Baues, P.: »Integrierte optische Richtkoppler«, Elektronik-Anzeiger 9 (1977), Nr. 3, S. 19-22; Somekh, S, Garmire, E, Yarif, A. Garvin, H. L, Hunsperger, R. G.: »Channel optical waveguide directional couplers«, Appl. Phys. Lett. 22 (1973), S. 46—47; Papuchon, M, Combemale, Y, Mathieu, X, Ostrowsky, D. B, Reiber, L, Roy, A. M, Scjourt e, B, Werner, W.: »Electrically switched optical directional coupler«. Cobra. Appl. Phys. Lett 27 (1975). S. 289-291:
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Der druckempfindliche Signalgeber 2 kann beispielsweise ein elektrischer Spannungsmodulator oder ein elektrischer Stronimodulator 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 arbeitende 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-
PiezomikrofonTs 71«, vgl. F i g. 2.
Ein derartiges nach dem Piezo-Effekt arbeitendes Eiauelement kann bekanntlich aus verschiedenen Materialien aufgebaut sein, wie beispielsweise bestimmte Keramikarten, Folien und dergL
Das erfinderische Prinzip erlaubt jedoch ebenfalls, daß der akustoelektrische Wandler ein 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, vgl. F i g. 2.
Vorteilhafterweise kann der Eingangslichtwellenleiter 3 als Monomodelichtwellenleiter ausgeführt sein. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zur Erzielung einer geringen Durchgangsdämpfung ein Ausgangslichtwellenleiter 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 Anwendungsmöglichkeit 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 £in eine Lichtleistung L einen elektrooptischen Wandler 530 und dementsprechend zur Umsetzung einer abführbaren Lichtleistung L' in eine elektrische Ausgangsleistung £' 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 5 einem elektrischen Eingang (01, 102 eines Monomodelichtwellenleitermodulators JO zugeführt. Dieser Monomodelichtwellenleitermoduldtor 10 moduliert mittels des elektrischen Signals S die ihm zugeführte Lichtleistung L in die abführbare Lichtleistung L'.
Die in F i g. 1 und F i g. 2 gezeigten Monomodelicht-Wellenleitermodulatoren 1 bis 10 sind als Einzelkomponenten an sich bekannte Bauelemente, wie bereits zuvor angegeben wurde.
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 Fremdstromversorgung aufweist
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Monomodelichtwellenleitermodulator 10 zusammen mit einem schalldruckemD-findlichen Signalgeber, z. B. dem Mikrofon 20, räumlich in einem Handapparat 7 für den Fernsprechapparat 6 untergebracht ist und daß ein Eingangslichiwellenleiter und ein Ausgangslichtwcllenleiter innerhalb einer Handapparateschnur 3040, die zwischen dem Fernsprechapparat 6 und dem Handapparat 7 angeordnet ist, verlaufen. Der Monomodelichtwellenleitermodulator 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 sind, mit dem elektrischen Eingang 101,102 des Monomodelichtwellenleitermodulators 10 verbunden. Eine derartige Anordnung ist, wns 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 Monomodelichtwellenleitermodulators ein Spannungswandler 1020, wie bereits erläutert, zum Zwecke der Anpassung der Scheinwiderstände der beiden Modulatorkomponenten eingefügt. Die Lichterzeugung am Eingang der gesamten Einrichtung kann bekanntlich auf unterschiedliciie Art erfolgen, beispielsweise durch Lumineszenzdioden. Laserdioden oder andere Laser beliebiger Art.
F i g. 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 Anwendungsinögiichkeiten 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 elektrooptischen Modulator und Piezo-Mikrofon bzw. Elektret-Mikrofon kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die Gesamtkapazität Q1-, dieser Anordnungen in mehrere Einzelkapazitäten Cunterteilt werden, die dann in Serie zusammenzuschalten sind. Die durch den Schall an jeder Einzelkapazität entstehende Spannung wird entsprechend der Anzahl der Einr .!kapazitäten vervielfacht.
Das Piezo-Mikrofon kann aus Keramik, z. B. VIBRIT, oder aus einer Piezo-Kunststoffolie, z. B. PVF2, bestehen. Die verwendeten Elektrete können gleichfalls Kunststoffolien sein.
Eine Möglichkeit für die Realisierung der Elektrodenunterteiiung ist ausschnittweise in F i g. 5 zu sehen. Eine runde Scheibe aus Piezo- oder Elektretmaterial MAT wird 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 (1)

  1. Patentansprüche:
    I. Mocfulationsvorrichtung zur optischen Signalübertragung bestehend aus einem druckempfindlichen elektrischen Signalgeber mit nachfolgenden elektrooptischen! Modulator, dadurch gekennzeichnet,
DE3127406A 1981-07-10 1981-07-10 Modulationsvorrichtung zur optischen Signalübertragung Expired DE3127406C2 (de)

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