DE4121273A1 - Optischer empfaenger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Empfänger hoher Empfindlichkeit in einem relativ schmalen Frequenzbereich mit einem lichtempfindlichen Bauelement (Photodiode) und einem nachgeschalteten Verstärker.

Bei optischen Übertragungssystemen können die Leistungspegel des von einem optischen Empfänger zu verarbeitenden optischen Empfangssignals sehr unterschiedlich sein. Der Empfänger muß deshalb in der Lage sein, sowohl sehr kleine, als auch sehr große Lichtpegel fehlerfrei zu detektieren. Die untere Grenze bezeichnet man als Empfängerempfindlichkeit. Sie ist im wesentlichen abhängig von den Rauscheigenschaften des Detektorelements, das als lichtempfindliches Bauelement ausgebildet ist. Ferner hängt die Empfängerempfindlichkeit von der Schaltung eines im optischen Empfänger verwendeten Verstärkers ab.

In "Geisler, J.A.; Optical fibres; (EPO applied technology series; V. 5); 1986", Part III, Chapter III, Seiten 437-526 wird eine Vielfalt von optischen Empfängern beschrieben. Die dort beschriebenen optischen Empfänger weisen einen großen Schaltungsaufwand für den, dem lichtempfindlichen Bauelement nachgeschalteten, Verstärker auf, wobei der Verstärker als "High-impedance"-Verstärker oder als Transimpedanzverstärker realisiert wird. Strebt man einen großen Dynamikbereich an, dann werden bevorzugt optische Empfänger mit einem Transimpedanzverstärker eingesetzt. Ein solcher optischer Empfänger mit einem Transimpedanzverstärker ist z. B. aus der DE-A1 39 38 097 bekannt. Transimpedanzverstärker sind möglichst hochohmig am Eingang und über einen breiten Frequenzbereich einsetzbar. Sie übernehmen die Funktion eines Strom-Spannungs-Wandlers, der den elektrischen Strom aus dem lichtempfindlichen Bauelement in eine Spannung umwandelt. Der Nachteil eines solchen Verstärkertyps liegt in dem verschlechterten Signal-Rausch-Verhältnis, was eine Beschränkung der Empfängerempfindlichkeit mit sich bringt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen optischen Empfänger mit einer vergrößerten Empfindlichkeit anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das lichtempfindliche Bauelement an einen rauscharmen, niederohmigen Verstärker über einen abgestimmten λ/4-Kreis mit entsprechend gewählten Anzapfungen angepaßt wird.

Dadurch kann auf breitbandige, möglichst hochohmige Transimpedanzverstärker mit niedriger unterer Grenzfrequenz und auf den großen Schaltungsaufwand verzichtet werden, obwohl der große Dynamikbereich erhalten bleibt.

Als lichtempfindliches Bauelement im erfindungsgemäßen optischen Empfänger wird eine Photodiode eingesetzt. Die Photodiode besitzt eine Kapazität von z. B. C≃1pF und eine Ausgangssimpedanz im kΩ-Bereich. Durch die abgestimmten λ/4-Kreise wird das Signal aus der Photodiode an einen Verstärker mit einer Eingangsimpedanz von z. B. Z_e=50Ω angepaßt.

Der erfindungsgemäße optische Empfänger ist besonders für den Einsatz in einem relativ schmalen Frequenzbereich, z. B. beim Mobilfunksystem DECT: 1880-1900 MHz, geeignet. Außerdem ist der erfindungsgemäße optische Empfänger selektiv. Dadurch werden Störsignale, die außerhalb des Empfindlichkeitsfrequenzbereiches auftreten, unterdrückt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Empfängers besteht darin, daß der Frequenzbereich über einen optionalen Abstimmkondensator variiert werden kann.

Benutzt man zur Anpassung einen n·λ/4-Kreis (n=1, 3, 5, . . . d. h. ungerade), so ist der optische Empfänger auf mehrere, harmonisch liegende Frequenzen abgestimmt.

Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzip eines λ/4-Kreis und Variation des Wellenwiderstandes in Abhängigkeit von der Länge,

Fig. 2 λ/4-Kreis mit Ersatzschaltbild der Photodiode,

Fig. 3 Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen optischen Empfängers.

In Teil 1A von Fig. 1 wird die Ausführung des λ/4-Kreises als Paralleldrahtleitung 11 der Länge 10 gezeigt. Eine weitere Ausführungsform des λ/4-Kreises stellt Teil 1B von Fig. 1 dar, der eine "Stripline"-Ausführung des λ/4-Kreises darstellt. Der λ/4-Kreis besteht dabei aus einer einzigen Leitung 12.

Teil 1C der Fig. 1 beschreibt den Verlauf der Impedanz 13 über der Länge 14 der Leitung(en) des λ/4-Kreises. Allen drei Teilen (1A, 1B, 1C) der Fig. 1 sind die Bezugslinien A, B und C gemeinsam.

Die Bezugslinie A stellt den Anfangspunkt des λ/4-Kreises dar. An dieser Stelle ist die Impedanz des λ/4-Kreises hoch. Bezugslinie B beschreibt die Stelle des λ/4-Kreises, an dem der λ/4-Kreis einen Wellenwiderstand von 50Ω aufweist. An dieser Stelle wird ein Verstärker mit einer Eingangsimpedanz von 50Ω angeschlossen. Die Bezugslinie C stellt die Stelle des λ/4-Kreises dar, an dem die der λ/4-Kreis kurzgeschlossen wird. Den Abstand zwischen den Stellen mit den Bezugslinien A und C bezeichnet man als Länge des λ/4-Kreises.

Die Bezugslinien A, B und C, sowie einige andere Bezugszeichen, erscheinen in mehreren Figuren. Gleiche Bezugszeichen oder Bezugslinien bezeichnen nachfolgend die gleichen Elemente oder Stellen des erfindungsgemäßen optischen Empfängers.

In Fig. 2 hat die Photodiode, deren Ersatzschaltbild durch eine Schaltung 21 gezeigt ist, eine hohe Ausgangsimpedanz (bei Bezugslinie A) und im Ersatzschaltbild kann sie als eine Stromquelle 23 mit einem parallel geschalteten Kondensator 24 betrachtet werden. Der λ/4-Kreis wird der Photodiode 21 nachgeschaltet.

Für die Bestimmung der Länge 20 des λ/4-Kreises muß die Tatsasche berücksichtigt werden, daß der Kondensator 24 eine kapazitive Verkürzung des λ/4-Kreises verursacht. Die Länge 20 ist dadurch kleiner als die Länge 10 eines theoretisch bestimmten, unbelasteten λ/4-Kreises.

Die Anzapfung der Leitung mit der Länge 20 erfolgt an der Stelle bei der Bezugslinie B, d. h. an der Stelle, wo der λ/4-Kreis eine Impedanaz gleich der Eingangsimpedanz des Verstärkers, z. B. 50Ω hat. An dieser Stelle wird der Verstärker 22 verlustlos angepaßt.

Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen optischen Empfängers. Der Photodiode 31 werden Lichtsignale über eine nicht dargestellte Lichtwellenleiter eines optischen Übertragungssystems zugeleitet.

Die Anode der Photodiode 31 ist mit dem negativen Pol einer Versorgungsspannungsquelle 32 über eine Drosselspule 33 verbunden. Die Drosselspule 33 dient zur Entkopplung hochfrequenter Signalanteile, indem sie eine Sperre für Wechselströme höherer Frequenzen darstellt, während niedrigere Frequenzen oder Gleichstrom einen guten Durchgang vorfinden.

Die Anode der Photodiode ist ebenfalls mit einem Kondensator 34 verbunden, der seinerseits mit dem Massepotential verbunden ist. Dadurch wird die Anode für hohe Frequenzen auf Masse gelegt, während sie für Gleichstrom auf dem negativen Potential der Versorgungsspannungsquelle 32 liegt. Aufgrund seiner Funktion wird der Kondensator 34 als "Block-Kondensator" definiert.

Die Kathode der Photodiode 31 ist direkt mit dem λ/4-Kreis 35 der Länge 30 verbunden. Die Anzapfung des λ/4-Kreises erfolgt bei der Stelle, an der der Wellenwiderstand des λ/4-Kreises 50 Ω beträgt. Diese Stelle entspricht der Bezugslinie B in Fig. 3. An dieser Stelle wird ein rauscharmer Verstärker 36 mit einer Eingangsimpedanz von 50Ω angeschlossen. Am Ausgang 37 des Verstärkers 36 liegt eine Spannung vor, die proportional zu dem, von der Photodiode 31 erzeugten, Photostrom ist.

Abschließend wird noch eine Schaltungsvariante angegeben, mit der sich der Frequenzbereich des optischen Empfängers variieren läßt. Diese Variante liegt vor, wenn an der Kathode der Photodiode 31 ein Abstimmkondensator 38 angeschlossen wird, der seinerseits mit dem Massepotential verbunden ist. Durch diesen (verlustlosen, nicht rauschenden) Abstimmkondensator 38 ist die elektrisch wirksame Länge und damit die Resonanzfrequenz des λ/4-Kreises einstellbar. Die Kapazität liegt parallel zu der der Photodiode. Wenn der λ/4-Kreis ein n·λ/4-Kreis (n=1, 3, 5 ..) ist, ist der Empfänger auf mehrere, harmonisch liegende Frequenzen abgestimmt. Durch Anschaltung von Abstimmkondensatoren 38 (zusätzlich zur Photodiode 31) können nahezu beliebige Empfangsfrequenzen eingestellt werden (z. B. 900 MHz für CT1 und 1900 MHz für DECT).

Claims (7)

1. Optischer Empfänger mit einem lichtempfindlichen Bauelement (31) und einem Verstärker (36), dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (36) niederohmig und das lichtempfindliche Bauelement (31) an den niederohmigen Verstärker (36) über einen abgestimmten λ/4-Kreis (35) angepaßt ist.

2. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Bauelement (31) am Anfang des λ/4-Kreises (35) angeschlossen ist.

3. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der λ/4-Kreis (35) an seinem Ende kurzgeschlossen ist.

4. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (36) an der Stelle des λ/4-Kreises (35) angeschlossen ist, an der der Wellenwiderstand des λ/4-Kreises 50Ω beträgt.

5. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (36) eine Eingangsimpedanz von 50Ω hat.

6. Optischer Empfänger nach Anspruch 1 mit einem Empfindlichkeitsfrequenzbereich, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfindlichkeitsfrequenzbereich über einen Abstimmkondensator (38), der am Anfang des λ/4-Kreises (35) angeschlossen ist, variiert werden kann.

7. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker über einen n·λ/4-Kreis (n ungerade) angepaßt ist.