DE3706463A1 - Optischer gegentaktempfaenger mit automatischer symmetrierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Gegentaktempfänger ent­ sprechend dem Oberbegriff des Anspruhes 1.

Optische Gegentaktempfänger sind aus G.L. Abbas et al.: "A Dual- Detector Optical Heterodyne Receiver for Local Oscillator Noise Suppression", Journal of Lightwave Technology LT-3, S.1110-1122 (1985) bekannt.

In Fig. 1 ist das Eingangsteil eines optischen Gegentaktempfän­ gers für Heterodyn- bzw. Homodynempfang dargestellt. Mit den optischen Eingängen ES, LO für das Empfangslicht und das Licht des lokalen Oszillators sind die beiden Anschlüsse eines 3 dB-Faserkopplers K verbunden, der in der Praxis als 2 × 2-Kopp­ ler symmetrisch aufgebaut ist. Im Koppler erfolgt eine Kombina­ tion des Empfangslichtes und des Lichtes des lokalen Lasers, so daß an den beiden Ausgangsanschlüssen des 3 dB-Koppler K zwei Kombinationssignale KS 1, KS 2 abgegeben werden, wobei sich die Phasendifferenzen zwischen den Komponenten der beiden Kombina­ tionssignale um 180° unterscheiden. Jedes der Kombinationssi­ gnale wird auf eine erste bzw. zweite Photodiode PD 1, PD 2 ge­ leitet, beide Photodioden sind in Reihe geschaltet, die Reihen­ schaltung ist mit einer ersten bzw. zweiten Spannungsquelle U 1, U 2 verbunden. Am Verbindungspunkt beider Photodioden tritt die Differenz der beiden Photoströme auf, die einem ersten Verstär­ der V 1 zur Signalverstärkung und zur Spromspannungswandlung zugeführt wird. Am Ausgang A dieses Verstärkers steht ein ent­ sprechendes Spannungssignal auf. Der Vorteil des Gegentaktemp­ fängers gegenüber einer einzelnen Photodiode beruht darauf, daß im verstärkten Differenzsignal die Anteile des Kombinations­ signals im Photostrom sich wegen der 180° Phasenverschiebung additiv überlagern, während die Gleichanteile der Photoströme und durch das Intensitätsrauschen des lokalen Lasers verursach­ te unerwünschte Wechselanteile sich kompensieren. Voraussetzung ist dabei eine gleichmäßige Aufteilung des Lichtes auf beide Photodioden, deren Quantenwirkungsgrad möglichst gleich sein sollte. Asymmetrien oder zeitliche Veränderungen in den Photo­ dioden oder im 3 dB-Koppler haben unerwünschte Gleich- und Rauschkomponenten im Differenzstromsignal zur Folge. Derartige Asymmetrien wurden bisher hauptsächlich durch Variation der Faserankopplung zwischen 3 dB-Koppler und der jeweiligen Photodiode kompensiert, auch eine einstellbare Verstärkung der Photoströme der beiden Photodioden vor der Differenzbildung gestattet die Kompensation von Unsymmetrien. Die Variation der Faserankopplung führt zu einer Verschlechterung der Empfängerempfindlichkeit, da auf optimale Ankopplung verzichtet werden muß. Dies ist auch hinsichtlich der Justierung vergleichsweise aufwendig. Die getrennte, einstellbare Verstärkung der Photoströme der beiden Dioden bedingt zwei vergleichsweise aufwendige Photostromverstärker, außerdem er­ geben sich zusätzliche Schwierigkeiten durch in den Photoströ­ men enthaltene Gleichanteile.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, einen optischen Gegentaktempfänger der eingangs erwähnten Art so weiterzuent­ wickeln, daß sich eine automatische Symmetrierung hinsichtlich des aus den Photoströmen der beiden Photodioden erzeugtenDif­ ferenzsignals ergibt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen optischen Gegentakt­ empfänger der eingangs erwähnten Art gelöst, der durch die Merk­ male des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.

Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen des erfindungsge­ mäßen optischen Gegentaktempfängers sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 näher beschrieben.

Der erfindungsgemäße optische Gegentaktempfänger bietet den Vor­ teil, daß nicht nur Unterschiede im Lichtweg zwischen 3 dB-Kopp­ ler K und Photodioden ausgleichbar sind, sondern daß auch ein unterschiedlicher Quantenwirkungsgrad und ein unterschiedlicher Multiplikationsfaktor von Lawinen-Photodioden ausgleichbar ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 den Eingangsteil eines optischen Gegentaktempfängers nach dem Stande der Technik,

Fig. 2 den elektrischen Signalverarbeitungsteil eines erfin­ dungsgemäßen optischen Gegentaktempfängers und

Fig. 3 eine detaillierte Darstellung des Stromfühlers und des Signalverstärkers des optischen Gegentaktempfängers nach Fig. 2.

Fig. 1 ist bei der Darstellung des Standes der Technik bereits ausreichend erläutert worden, so daß an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen wird.

In Fig. 2 sind eingangsseitig die erste und zweite Lawinen­ photodiode APD 1, APD 2 in Reihenschaltung dargestellt, an den Verbindungspunkt der beiden Lawinen-Photodioden ist über einen Stromfühler SF der erste Verstärker V 1 angeschlossen, der dem Verstärker V 1 nach dem Stand der Technik entspricht. Der Strom­ fühler SF erzeugt eine dem Differenzstrom beider Lawinen-Photo­ dioden und damit dem Eingangsstrom des ersten Verstärkers V 1 entsprechende Spannung, die über ein Tiefpaßfilter TPF einem Regelverstärker V 2 zugeführt wird. Mit dem Ausgang des Regel­ verstärkers V 2 sind die negativen Eingangsanschlüsse des ersten und eines zweiten Subtrahierers SUB 1, SUB 2 verbunden. Der posi­ tive Eingangsanschluß des ersten Subtrahierers SUB 1 ist mit dem Ausgangsanschluß eines Stellgliedes direkt verbunden. Durch das Stellglied, beispielsweise in Form eines an Betriebsspannung UB angeschlossenen Potentiometers wird die Vorspannung für die Lawinen-Photodioden voreingestellt. Der positive Eingangsan­ schluß des zweiten Subtrahierers SUB 2 ist über einen Inverter IN an den Ausgangsanschluß des Stellgliedes ST angeschlossen, so daß beide Subtrahierer zwar betragsmäßig gleiche aber unter­ schiedlich gepolte Vorspannungen erhalten. Der Ausgang des ersten Subtrahierers SUB 1 ist mit der Kathode der ersten Lawi­ nen-Photodiode und der Ausgang des zweiten Subtrahierers SUB 2 ist mit der Anode der zweiten Lawinen-Photodiode verbunden.

Da als Photodioden Lawinen-Photodioden verwendet werden, kann deren interne Verstärkung durch die angelegte Vorspannung ein­ gestellt werden. Dies erfolgt zunächst über das Stellglied ST, anschließend wird dem eingestellten Wert für die beiden Dioden durch die Subtrahierer SUB 1, SUB 2 eine vergleichsweise kleine Korrekturspannung überlagert, die eventuelle Asymmetrien im 3 dB-Koppler, in der Lichtankopplung an die Lawinen-Photodioden, im Quantenwirkungsgrad und im Multiplikationsfaktor der Lawi­ nen-Photodioden ausgleicht. Die Korrekturspannung ist dabei die verstärkte und tiefpaßgefilterte Spannung, die aus demGleich­ anteil des Differenzstromsignals beider Lawinen-Photodioden ab­ geleitet wurde, da bei vollkommener Symmetrie in den Lichtwegen und in dem Verhalten der Lawinen-Photodioden bei gleichem Lichtanteil der Gleichanteil des Differenzstromsignals entfällt.

An Stelle von Lawinen-Photodioden können auh herkömmliche pn- Photodioden oder pin-Photodioden verwendet werden, deren Ar­ beitspunkt bei etwa Null Volt liegt, so daß auch bei diesen Dioden der Photostrom gesteuert werden kann.

Bei sehr starkem Amplitudenrauschen des lokalen Lasers wird an Stelle des Gleichanteils im Differenzstrom des Wechselsignals in einem Frequenzband, das starke Anteile des Laseramplituden­ rauschens und vernachlässigbare Anteile des Signalspektrums enthält, der Regelung zugrunde gelegt. Dazu ist das Tiefpaßfil­ ter ergänzt durch einen vorgeschalteten Bandpaß für das ge­ wünschte Frequenzband und einen zwischengeschalteten Gleich­ richter.

Als Stromfühler SF kann im einfachsten Falle ein Widerstand ver­ wendet werden, der in die Verbindung zwischen Lawinen-Photodi­ oden und Eingang des ersten Verstärkers V 1 eingeschaltet ist.

Der Widerstand kann auch Teil des ersten Verstärkers sein, falls dieser schaltungsmäßig so aufgebaut ist, daß an einem Widerstand eine dem Eingangsstrom proportionale Spannung ansteht. In Fig. 3 ist eine derartige Möglichkeit dargestellt, bei der der Verstärker V 1 als Hochimpedanzverstärker mit einem Feldeffekttransistor FET in der Eingangsstufe aufgebaut ist. Der Verstärkereingang ist über die Reihenschaltung eines ersten Widerstandes R 1 und eines Kondensators C mit Bezugspotential verbunden, so daß der erste Widerstand R 1 als hochohmiger Lastwiderstand für den Differenzstrom der Lawinen-Photodioden dient. Die Gateelektrode des Feldeffekttransistors FET ist mit dem Verstärkereingang verbunden, die Source-Elektrode ist mit Bezugspotential verbunden, während an die Drain-Elektrode der Signalausgang SA sowie über einen Lastwiderstand RL die Betriebsspannung UB angeschlossen sind. Am Verbindungspunkt des ersten Widerstandes R 1 und den Kondensators C ist der inver­ tierende Eingang eines Operationsverstärkers angeschlossen, der als dritter Verstärker V 3 dient. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers ist mit Bezugspotential verbunden, während der Ausgang des Operationsverstärkers mit einem Eingang des Tiefpaßfilters TPF sowie über einen zweiten Widerstand R 2 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ver­ bunden ist. Der Operationsverstärker bildet bei dieser Schal­ tung des zweiten Widerstandes R 2 einen Transimpedanzverstärker, der bei vernachlässigbarem Eingangswiderstand für den durch den Widerstand R 1 fließenden Strom eine diesem Strom entsprechende Spannung erzeugt. Da der Transimpedanzverstärker gleichzeitig Inverter ist, muß im nachfolgenden Signalweg, beispielsweise in Verbindung mit Regelverstärker V 2 eine weitere Invertierung bei Einsatz in der Anordnung nah Fig. 2 vorgesehen werden.

Die in der Fig. 2 dargestellte Anordnung mit zwei Subtrahierern SUB 1, SUB 2 hat den Vorteil, daß die mittlere Amplitude des Dif­ ferenzsignals etwa konstant bleibt, da der wirksame Multiplika­ tionsfaktor der einen Lawinen-Photodiode erhöht wird, während es für die andere Lawinen-Photodiode erniedrigt wird. Es kann auch auf einen der beiden Subtrahierer verzichtet werden, so daß also dann nur der wirksame Multiplikationsfaktor einer Diode verändert wird, ohne daß die Wirksamkeit der Symmetrie­ rung verschlechtert wird, es ändert sich dann allerdings bei Regelung das Ausgangssignal des ersten Verstärkers V 1.

Claims (6)

1. Optischer Gegentaktempfänger mit einer Reihenschaltung zweier Photodioden und einem, an den Verbindungspunkt beider Photodioden angeschlossenen Signalverstärker Photodioden, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Stromfühler (SF) vorgesehen ist, der an den Verbin­ dungspunkt der beiden Photodioden (APD 1, APD 2) angeschlossen ist und dessen Ausgang über einen Tiefpaßfilter (TPF) mit dem Eingang eines Regelverstärkers (V 2) verbunden ist.
daß der Ausgang des Regelverstärkers mit dem negativen Ein­ gangsanschlüssen eines ersten und eines zweiten Subtrahierers (SUB 1, SUB 2) verbunden ist, deren Ausgänge jeweils getrennt mit einem der beiden Anschlüsse der Reihenschaltung der Photodioden verbunden ist,
daß an den positiven Eingangsanschlüssen des ersten und zweiten Subtrahierers (SUB 1, SUB 2) die für die jeweilige Photodiode (APD 1, APD 2) vorgewählte Vorspannung anliegt und
daß der Ausgangsanschluß des ersten Subtrahierers (SUB 1) mit der ersten Photodiode (APD 1) und der Ausgangsanschluß des zweiten Subtrahierers (SUB 2) mit der zweiten Photodiode (APD 2) verbunden ist.

2. Optischer Gegentaktempfänger nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise übliche pn-Photodioden, pin-Photodioden oder Lawinen-Photodioden verwendet werden.

3. Optischer Gegentaktempfänger nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Subtrahierer (SUB 1, SUB 2) durch eine ohmsche Verbindung zwischen dem positiven Eingangsanschluß des Subtrahierers und dessen Ausgangsanschluß ersetzt ist und dabei die Verbindung zum Ausgangsanschluß des Regelverstärkers (V 2) entfällt.

4. Optischer Gegentaktempfänger nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Stromfühler (SF) eine Verstärkeranordnung vorgesehen ist, die eingangsseitig die Reihenschaltung eines ersten Wider­ standes (R 1) und eines Kondensators (C) enthält,
daß diese Reihenschaltung zwischen Eingangsanschluß und Bezugs­ potential eingeschaltet ist und am Verbindungspunkt des ersten Widerstandes (R 1) und des Kondensators (C) ein negativer Eingangs­ anschluß eines dritten Verstärkers in Form eines Operationsver­ stärkers angeschlossen ist,
daß der positive Eingangsanschluß des dritten Verstärkers mit Bezugspotential verbunden ist,
daß der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers (V 3) über einen zweiten Widerstand (R 2) mit dem negativen Eingangsan­ schluß des dritten Verstärkers verbunden ist und den Ausgangs­ anschluß des Stromfühlers (SF) darstellt und daß zwischen Aus­ gangsanschluß des Operationsverstärkers (V 3) und negativen Eingangsanschlüssen der Subtrahierer (SUB 1, SUB 2) eine Inver­ tierung des Signals erfolgt oder an Stelle der Subtrahierer Summierer verwendet werden.

5. Optischer Gegentaktverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverstärker (V 1) als Stromfühler dient und der Ausgang des Signalverstärkers mit dem Eingang des Tiefpaßfil­ ters (TPF) verbunden ist.

6. Optischer Gegentaktempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Tiefpaßfilter die Reihenschaltung aus einem Bandpaßfil­ ter und einem Gleichrichter unmittelbar vorgeschaltet ist.