DE60131928T2

DE60131928T2 - Vorrichtung zur bidirektionalen Signalübertragung mittels Licht

Info

Publication number: DE60131928T2
Application number: DE60131928T
Authority: DE
Inventors: Jin-hwan Paldal-gu suwon-city Kim; Jong-kuk Paldal-gu Suwon-city Mun; Woong-lin Kunpo-city Hwang
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2021-02-24
Also published as: DE60131928D1; KR100782799B1; EP1168687B1; TW511339B; US6470116B2; US20020006251A1; EP1168687A3; EP1168687A2; KR20020003006A; JP2002040305A

Description

Die Erfindung betrifft eine Licht verwendende bidirektionale Signalübertragungseinrichtung, die vorgesehen ist, um ein elektrisches Signal in ein optisches Signal umzuwandeln, das optische Signal zu übertragen und das übertragene optische Signal zurück in ein elektrisches Signal umzuwandeln, sodass eine Signalübertragung und ein Signalempfang bidirektional zwischen zwei Vorrichtungen erreicht werden. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Licht verwendende bidirektionale Signalübertragungseinrichtung, die einen fotodiodeneingebauten VCSEL (vertical cavity surface emitting laser; Laser mit Vertikalhohlraumoberfächenemission) als Lichteinrichtung verwendet, damit ein optisches Signal über denselben Kanal übertragen und empfangen werden kann.
Elektrische Signale werden üblicherweise entlang eines elektrischen Drahtes in einer Richtung übertragen. In vielen Fällen ist jedoch eine bidirektionale Übertragung von elektrischen Signalen über einen oder zwei elektrische Drähte von Nöten. So ist beispielsweise bei einer Leitung eines seriellen I²C-Busses oder eines universellen seriellen Busses (USB), der zur Vereinfachung des Datenaustausches zwischen einem Desktopmonitor und einer Videografikkarte verwendet wird, eine bidirektionale Übertragung eines elektrischen Signals erforderlich.
Eine bidirektionale Signalübertragung unter Verwendung eines elektrischen Drahtes lässt aufgrund einer Grenze bei der Übertragungsgeschwindigkeit keine Übertragung über einen großen Abstand zu und kann elektromagnetische Interferenz oder dergleichen hervorrufen. Es wurde daher bislang ein optisches Signalübertragungsverfahren verwendet, das eine mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Übertragung ohne elektromagnetische Interferenz ermöglicht, um eine bidirektionale Signalübertragung zu erreichen.
Im Allgemeinen werden für eine bidirektionale optische Signalübertragung eine optische Faser, die als Übertragungskanal dient, und eine optische Faser, die als Empfangskanal dient, getrennt benötigt, wobei das Empfangen und Übertragen eines optischen Signals einzeln durchgeführt werden. Die getrennte Installation eines Übertragungskanals und eines Empfangskanals verkompliziert jedoch die Hardwarestruktur einer Signalüber tragungseinrichtung und vergrößert deren Herstellungskosten, sodass dieses optische Signalübertragungsverfahren trotz seiner zahlreichen Vorteile schwierig umzusetzen ist.
Eingedenk des vorbeschriebenen Punktes ist im Stand der Technik eine bidirektionale Signalübertragungseinrichtung vorgeschlagen worden, die dafür ausgelegt ist, ein optisches Signal bidirektional über denselben Kanal zu übertragen, wie in 1 gezeigt ist.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält die herkömmliche bidirektionale Signalübertragungseinrichtung erste und zweite Lichteinrichtungen 1 und 5 zum Emittieren von Licht und zum Empfangen von einfallendem Licht und eine optische Faser 4, die derart installiert ist, dass ihre Eingangs- und Ausgangsports den optischen Einrichtungen gegenüberliegen. Die ersten und zweiten Lichteinrichtungen 1 und 5 enthalten erste und zweite Lichtempfangselemente 2 und 6 zum jeweiligen Empfangen von einfallendem Licht und erste und zweite VCSELs 3 und 7, die mittels Chipmontage an den Mitten der jeweiligen ersten und zweiten Lichtempfangseinrichtungen 2 und 6 angebracht sind.
Wird ein elektrisches Signal aus einer Vorrichtung (nicht gezeigt) von der ersten optischen Einrichtung 1 empfangen, so emittiert der erste VCSEL 3 ein optisches Signal in Reaktion auf das empfangene elektrische Signal, woraufhin das optische Signal über die optische Faser 4 an das zweite Lichtempfangselement 6 übertragen wird. Anschließend gibt das zweite Lichtempfangselement 6 ein elektrisches Signal aus, das proportional zur Menge des empfangenen Lichtes ist, woraufhin das elektrische Signal an eine weitere Vorrichtung (nicht gezeigt) übertragen wird. Die Signalübertragung in einer zur vorbeschriebenen Signalübertragung entgegengesetzten Richtung wird über die optische Faser 4 unter Verwendung des zweiten VCSEL 7 und des ersten Lichtempfangselementes 2 mittels desselben Verfahrens erreicht, das vorstehend beschrieben worden ist.
Die herkömmliche bidirektionale Signalübertragungseinrichtung von 1 bedient sich der einzelnen optischen Faser 4 als Übertragungskanal und Empfangskanal.
Bei einer herkömmlichen bidirektionalen Signalübertragungseinrichtung ist, wie in 1 gezeigt ist, Licht, das von dem Ausgangsport der optischen Faser 4 emittiert werden soll, üblicherweise in der Mitte der optischen Faser konzentriert, sodass die Lichtempfangsbereiche 2a und 6a der Lichtempfangselemente, die an der Außenseite jedes VCSEL befindlich sind, kleine Mengen von Licht empfangen. Daher weist das empfangene Signal ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio, S/N ratio) auf.
Wird die Signalübertragung in zwei Richtungen gleichzeitig ausgeführt, so empfangen die Lichtempfangselemente nicht nur Licht, das von der optischen Faser 4 übertragen worden ist, sondern auch Licht, das von den VCSELs an den Lichtempfangselementen emittiert und von dem Eingangsport der optischen Faser 4 teilweise reflektiert worden ist. Daher tritt ein Übersprechen (crosstalk) an einem Erfassungssignal auf, sodass sich das Signal-Rausch-Verhältnis eines empfangenen Signals stark verschlechtert.
Zudem empfängt ein VCSEL einen Teil des Lichtes, der von einem VCSEL an der gegenüberliegenden Seite emittiert und über die optische Faser 4 übertragen worden ist, sodass sich das Relativintensitätsrauschen des VCSEL verschlechtert. Werden daher das Übertragen und Empfangen eines Signals in doppelter Zeit bei hoher Geschwindigkeit gleichzeitig ausgeführt, so verschlechtert sich die Charakteristik der Bitfehlerrate.
Darüber hinaus weist die herkömmliche bidirektionale Signalübertragungseinrichtung einen Aufbau auf, bei dem die VCSELs 3 und 7 mittels Chipmontage an den jeweiligen Lichtempfangselementen 2 und 6 angebracht werden, sodass eine Ausbeuteverringerung infolge eines Zusammenbaufehlers und eines Montagefehlers während der Chipmontage auftreten kann.
Die Druckschrift US 5,555,334 offenbart ein bidirektionales optisches Übertragungs- und Empfangsmodul mit einer Lichtemissionseinrichtung und einer Lichtempfangseinrichtung in einer Anordnung im Inneren eines Gehäuses, das wiederum eine Öffnung aufweist, die mit einer Glasplatte bedeckt ist, und einem holografischen Beugungsgitter, das mit einer oberen oder einer unteren Glasplattenoberfläche versehen ist. Die Lichtemissionseinrichtung und die Lichtempfangsdiode sind sicher an einer Teilhalterung mit säulenartiger Form befestigt, die wiederum zusammen mit einer Überwachungsdiode an einer Basis oder einem Schaft gesichert ist. Aus dieser Druckschrift stammt der Oberbegriff der beigefügten Ansprüche.
Die Druckschrift EP-A-0,323,602 offenbart ein integriertes Sender-/Empfängersystem, das sich einer Hybridkomponente für die Lichtquelle einerseits und den Lichtdetektor andererseits mit holografischen optischen Elementen zum Teilen des Lichtstrahles in zwei oder mehr Strahlen bedient. Die Hybridkomponente enthält eine Laserdiode und einen Detektor mit einer Anbringung an demselben mechanischen Aufbau.
Die Druckschrift EP-A-0,378,368 offenbart einen bidirektionalen optischen Koppler mit einer einzelnen optischen Faserverbindung zwischen zwei Sender/Empfängern. Jeder Sender/Empfänger enthält ein holografisches optisches Element, eine Quelle monochromatischer Strahlung und einen Fotodetektor, der auf die Strahlung anspricht.
Die Druckschrift US 4,730,330 offenbart einen integrierten Aufbau für eine bidirektionale optische Faserübertragung mit einer Laserdiode, einem Fotodetektor und einem bidirektionalen optischen Wellenleiter.
Die Druckschrift US 5,359,686 offenbart eine optische Schnittstelle, die eine Basis mit geformten optischen Wellenleitern und überformten elektrischen Leitern mit einer darin ausgebildeten Rinne aufweist.
Die Druckschrift DE-A-44 44 470 offenbart eine Laser-Sender-Empfänger-Anordnung, bei der ein Laserüberträgen auf einer Fotodiode angebracht ist.
Mit dem Ziel einer Lösung oder Verringerung der vorbeschriebenen Probleme besteht eine Aufgabe der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darin, eine Licht verwendende bidirektionale Signalübertragungseinrichtung bereitzustellen, die als Lichteinrichtung einen VCSEL, der in einem Halbleiterherstellungsprozess in eine Fotodiode eingebaut wird, verwendet und der ausgelegt ist, die Lichtempfangseffizienz durch Installieren eines Beugungselementes zum Beugen von Licht, das von einer optischen Faser emittiert wird, und Leiten des gebeugten Lichtes zu dem Lichtempfangsbereich eines Lichtempfangselementes zwischen einer Lichteinrichtung und dem Eingangs-/Ausgangsport der optischen Faser zu vergrößern.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß Definition in den beigefügten Ansprüchen bereitgestellt. Bevorzugte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Licht verwendendes bidirektionales Signalübertragungssystem bereitgestellt, das dafür ausgelegt ist, dass eine Signalübertragung und ein Signalempfang zwischen gegenüberliegenden Lichteinrichtungen über denselben Kanal erreicht werden, wobei das System umfasst: eine optische Einheit, enthaltend eine erste und eine zweite Lichteinrichtung zum Emit tieren von Licht und eine Fotodiode zum Empfangen von einfallendem Licht, wenigstens eine optische Faser, installiert zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Lichteinrichtungen, zum Senden eines optischen Signals und Beugungselemente, installiert jeweils zwischen der ersten Lichteinrichtung und einem Eingangsport der optischen Faser und zwischen der zweiten Lichteinrichtung und einem Ausgangsport der optischen Faser, zum selektiven Beugen des einfallenden Lichtes derart, dass die Lichtausgabe der optischen Faser von der Fotodiode empfangen wird; eine erste Schaltungseinheit zum Steuern der ersten Lichteinrichtung derart, dass ein elektrisches Signal von einer ersten Vorrichtung in ein optisches Signal umgewandelt wird und ein über die optische Faser übertragenes optisches Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und anschließend zu der ersten Vorrichtung übertragen wird; und eine zweite Schaltungseinheit zum Steuern der zweiten Lichteinrichtung derart, dass ein elektrisches Signal von einer zweiten Vorrichtung in ein optisches Signal umgewandelt wird und dass ein über die optische Faser übertragenes optisches Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und anschließend zu der zweiten Vorrichtung übertragen wird, wobei die Signalübertragung und der Signalempfang zwischen den gegenüberliegenden ersten und zweiten Lichteinrichtungen über denselben Kanal durchgeführt werden. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass die erste und die zweite Lichteinrichtung eine VCSEL-Einheit (vertical cavity surface emitting laser; Laser mit Vertikalhohlraumoberfächenemission) zum Emittieren von Licht in einer Richtung, in der Halbleitermaterialschichten gestapelt sind, aufweisen; und dass die Fotodiode ein Fotodiodenteil zum Empfangen von einfallendem Licht ist, der in einem Halbleiterherstellungsprozess mit dem VCSEL-Teil eingearbeitet ist; wobei der Fotodiodenteil um den VCSEL-Teil herum angeordnet ist und zwischen dem VCSEL-Teil und dem Fotodiodenteil ein Zwischenraum 5 zur elektrischen Isolierung ausgebildet ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur Darlegung, wie Ausführungsbeispiele derselben in der Praxis aussehen, wird nachstehend beispielhalber auf die begleitende diagrammartige Zeichnung Bezug genommen, die sich wie folgt zusammensetzt.
1 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels einer herkömmlichen bidirektionalen Signalübertragungseinrichtung.
2 ist eine schematische Ansicht, die den gesamten Aufbau einer Licht verwendenden bidirektionalen Signalübertragungseinrichtung darstellt, bei der eine optische Einheit entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.
3 und 4 sind schematische Ansichten von Querschnittsformen des Beugungsmusters eines Beugungselementes entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optischen Einheit entsprechend der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Ansicht, die das Beugungselement für polarisiertes Licht von 5 darstellt.
7 und 8 sind schematische Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele der optischen Einheit von 2 und 5.
9 und 10 sind Blockdiagramme von Ausführungsbeispielen eines Kontrollers entsprechend der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispieles erster und zweiter Schaltungseinheiten entsprechend der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Ansicht einer Licht verwendenden bidirektionalen Signalübertragungseinrichtung, bei der eine optische Einheit entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die Licht verwendende bidirektionale Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung eine optische Einheit 30 sowie erste und zweite Schaltungseinheiten 20 und 40. Die optische Einheit 30 enthält erste und zweite Lichteinrichtungen 31 und 37 zum Umwandeln eines elektrischen Signals in ein optisches Signal, zum Übertragen des optischen Signals und zum Rückumwandeln des übertragenen optischen Signals in ein elektrisches Signal, sodass ein Signal in zwei Richtungen übertragen werden kann. Die erste Schaltungseinheit 20 treibt die erste Lichteinrichtung 31 in Reaktion auf ein elektrisches Signal, das von einer ersten Vorrichtung 10 ausgegeben wird, und wandelt ein von der ersten Lichteinrichtung 31 ausgegebenes elektrisches Signal in ein Signal um, das für die erste Vorrichtung 10 geeignet ist. Die zweite Schaltungseinheit 40 treibt die zweite Lichteinrichtung 37 in Reaktion auf ein elektrisches Sig nal, das von einer zweiten Vorrichtung 50 ausgegeben wird, und wandelt ein von der zweiten Lichteinrichtung 37 ausgegebenes elektrisches Signal in ein Signal um, das für die zweite Vorrichtung 50 geeignet ist.
Die optische Einheit 30 enthält die ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37, eine optische Faser 35 sowie erste und zweite Beugungselemente 34 und 36. Die ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37 wandeln ein elektrisches Signal in ein optisches Signal um und das optische Signal in ein elektrisches Signal zurück. Die optische Faser 35 ist zwischen den ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37 installiert und überträgt einfallendes Licht. Die ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 sind zwischen dem Eingangsport 35a der optischen Faser 35 und der ersten Lichteinrichtung 31 beziehungsweise zwischen dem Ausgangsport 35b der optischen Faser 35 und der zweiten Lichteinrichtung 37 installiert.
Vorzugsweise werden fotodiodeneingebaute VCSELs als erste und zweite Lichteinrichtungen 31 und 37 verwendet, sodass ein Signal über einen einzigen Kanal übertragen und empfangen werden kann. Der fotodiodeneingebaute VCSEL besteht aus einem VCSEL-Teil 32 zum Emittieren von Licht in derjenigen Richtung, in der die Halbleitermaterialschichten gestapelt sind, und einem Fotodiodenteil 33, der mit dem VCSEL-Teil 32 eingebaut ist, um Licht, das auf die peripheren Abschnitte des VCSEL-Teiles 32 einfällt, zu empfangen.
Der fotodiodeneingebaute VCSEL wird mittels eines Halbleiterherstellungsprozesses einstückig hergestellt. Hergestellt wird der fotodiodeneingebaute VCSEL beispielsweise durch Ausbilden des grundlegenden Halbleiterstapelaufbaus eines VCSEL-Teiles auf einem Halbleitersubstrat, Ätzen der Außenbereiche des VCSEL-Teiles 32 zum Zwecke des elektrischen Isolierens des VCSEL-Teiles 32 von dem Fotodiodenteil 33, Ausbilden des Halbleiteraufbaus des Fotodiodenteiles 33 durch Ätzen und/oder Stapeln einiger Schichten des Fotodiodenteiles 33 und Ausbilden von Elektrodenmustern auf dem VCSEL-Teil 32 und dem Fotodiodenteil 33. 2 zeigt ein Beispiel, bei dem der Fotodiodenteil 33 mehr als der VCSEL-Teil 32 vorsteht und ein Zwischenraum S für die elektrische Isolierung zwischen dem VCSEL-Teil 32 und dem Fotodiodenteil 33 ausgebildet ist. Hierbei kann der Zwischenraum S mit einem isolierenden Material beschichtet sein. Der stapelartige Halbleiteraufbau des VCSEL-Teiles 32 und des Fotodiodenteiles 33 ist bekannt und wird daher nicht im Detail gezeigt oder beschrieben.
Wird der beschriebene fotodiodeneingebaute VCSEL als erste und zweite Lichteinrichtungen 31 und 37 verwendet, so ist ein spezieller Prozess für das Zusammensetzen, so beispielsweise eine Chipmontage, nicht erforderlich. Damit verhindert die Verwendung des beschriebenen fotodiodeneingebauten VCSEL eine Ausbeuteverringerung aufgrund von Zusammenbaufehlern und Montagefehlern während der Chipmontage, was ein Problem darstellt, das bei einer herkömmlichen bidirektionalen Signalübertragungseinrichtung auftritt.
Die optische Faser 35 überträgt Licht, das von den ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37 empfangen worden ist. Vorzugsweise ist die optische Faser 35 eine optische Kunststofffaser, die kostengünstiger als eine Glasfaser ist und bei der aufgrund des großen Durchmessers der optischen Glasfaser die optische Kopplung einfacher als bei einer optischen Glasfaser ist. Die Verwendung der optischen Kunststofffaser als optische Faser 35 kann einen infolge äußerer Stöße auftretenden Schaden an der optischen Faser 35 verringern.
Die ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 sind zwischen dem Eingangsport 35a der optischen Faser 35 und der ersten Lichteinrichtung 31 beziehungsweise zwischen dem Ausgangsport 35b der optischen Faser 35 und der zweiten Lichteinrichtung 37 installiert. Hierbei sind die ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 Beugungsgitter oder optische Hologrammelemente zum Beugen von einfallendem Licht in +1-ter und/oder –1-ter Ordnung. Die ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 koppeln möglichst viel des von der optischen Faser 35 ausgegebenen Lichtes mit dem Empfangsbereich 33a des Fotodiodenteiles 33 an der Außenseite des VCSEL-Teiles 32, wodurch die Empfangseffizienz des über die optische Faser 35 übertragenen Lichtes erhöht wird. Damit kann ein empfangenes optisches Signal mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis erfasst werden.
Die Intensität des von der optischen Faser 35 ausgegebenen Lichtes ist entlang der optischen Achse der optischen Faser 35 derart konzentriert, dass das Licht annähernd eine Gauß'sche Intensitätsverteilung aufweist. Entsprechend wird, wenn von der optischen Faser 35 ausgegebenes Licht in +1-ter und/oder –1-ter Ordnung, wie vorstehend beschrieben worden ist, gebeugt wird, der Großteil des Lichtes von dem Lichtempfangsbereich 33a des Fotodiodenteiles 33 an der Außenseite des VCSEL-Teiles 32 empfangen. Damit treten bei der Licht verwendenden bidirektionalen Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung nicht die Probleme einer herkömmlichen bidi rektionalen Signalübertragungseinrichtung auf, so beispielsweise eine Verschlechterung der Lichtempfangseffizienz aufgrund dessen, dass ein Großteil des Lichtes zu einem VCSEL geleitet wird, der in der Mitte einer Lichteinrichtung befindlich ist, oder eine Verschlechterung des Relativintensitätsrauschens des VCSEL.
Die ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 beugen nicht nur Licht, das von den Eingangs- und Ausgangsports 35a und 35b der optischen Faser 35 ausgegeben worden ist, sondern auch Licht, das von dem VCSEL-Teil 32 emittiert und zu den Eingangs- und Ausgangsport 35a und 35b der optischen Faser 35 geleitet worden ist, in +1-ter und/oder –1-ter Ordnung. Es wird daher vorgezogen, wenn die ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 näher an den Eingangs- und Ausgangsports 35a und 35b der optischen Faser 35 als an der jeweiligen ersten und zweiten Lichteinrichtung 31 und 37 befindlich sind. In diesem Fall wird Licht, das von dem VCSEL-Teil 32 emittiert wird, in +1-ter und/oder –1-ter Ordnung von den ersten und zweiten Beugungselementen 34 und 36 gebeugt. Aufgrund dessen, dass die ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 jedoch nahe an den Eingangs- und Ausgangsports 35a und 35b der optischen Faser 35 befindlich sind, kann eine ausreichende Lichtmenge in die optische Faser 35 eingeführt werden. Da die ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 von den ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37 durch vergleichsweise ausreichende Intervalle getrennt sind, kann ein Großteil des Lichtes, das in +1-ter und/oder –1-ter Ordnung gebeugt ist, von dem Lichtempfangsbereich 33a des Fotodiodenteiles 33 empfangen werden.
Hierbei wird die durch die ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 erfolgende Beugung des einfallenden Lichtes nur in +1-ter und/oder –1-ter Ordnung und nicht in 0-ter Ordnung durch Entfernen des Lichtes 0-ter Ordnung mittels Steuern der Mustertiefe des Beugungsmusters, so beispielsweise der Gittertiefe eines Beugungsmusters, zur Erlangung einer Phasendifferenz von einer halben Wellenlänge erreicht.
Ist beispielsweise das Nutzverhältnis (duty ratio), wie in 3 gezeigt ist, gleich 0,5, so wird der Beugungswinkel (θ) eines Beugungsgitters, dessen Beugungsmuster (Gittermuster) einen eckigen Querschnitt aufweist, durch Formel 1 ausgedrückt. θ = arcsin (kλ/T) (1)
Hierbei bezeichnen λ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes, T die Gitterperiode und k die Beugungsordnung, so beispielsweise 0, ±1, ±2, ±3, ... Die Lichteffizienz (η₀) des gebeugten Lichtes 0-ter Ordnung und die Lichteffizienz (η_±1) des gebeugten Lichtes ±1-ter Ordnung werden durch Gleichung 2 ausgedrückt. η0 = coS2φ η±1 = 4 sin2 φ/π2 (2)
Hierbei ist φ gleich π/(λ(n – 1)d), wobei d die Gittertiefe und n das Brechungsvermögen bzw. die Refraktivität bezeichnen.
Entsprechend liegt, wenn die ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 entsprechend der vorliegenden Erfindung eckige Beugungsgitter mit einem Nutzverhältnis von 0,5, wie in 3 gezeigt ist, sind, und bei einer Gittertiefe (d) und einem Brechungsvermögen (n), bei denen die Beugungseffizienz 0-ter Ordnung bezüglich der Wellenlänge (λ) von Licht, das von den ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37 emittiert wird, gleich 0 ist, die maximale optische Effizienz, die Summe des von den ersten und zweiten Beugungselementen 34 und 36 gebeugten Lichtes +1-ter und –1-ter Ordnung, bei ungefähr 82%, und Licht wird kaum in 0-ter Ordnung gebeugt.
Zudem können die ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 entsprechend der vorliegenden Erfindung Blazebeugungsgitter sein, deren Beugungsmuster einen Blazequerschnitt, wie in 4 gezeigt ist, aufweisen, um die Beugungseffizienz zu erhöhen. Beugt das Blazebeugungsgitter einfallendes Licht in +1-ter Ordnung und erfolgt das Blazen in acht Schritten, so liegt die Effizienz des gebeugten Lichtes +1-ter Ordnung bei etwa 95%.
Werden die Blazebeugungsgitter als erste und zweite Beugungselemente 34 und 36 verwendet, so bieten diese eine hohe Effizienz beim Beugen von einfallendem Licht in +1-ter Ordnung im Vergleich zu eckigen Beugungsgittern, sodass ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden kann. Dieser Vorteil ist ebenfalls gegeben, wenn eckige oder Blazehologrammelemente, deren Beugungsmuster einen eckigen oder Blazequerschnitt aufweisen, als erste und zweite Beugungselemente 34 und 36 verwendet werden. 2 zeigt ein Beispiel, bei dem Beugungsgitter oder Hologrammelemente, deren Beugungsmuster einen eckigen Querschnitt aufweisen, als erste und zweite Beugungselemente 34 und 36 verwendet werden.
Die optische Einheit 30 entsprechend der vorliegenden Erfindung kann erste und zweite Polarisationsbeugungselemente 134 und 136 anstelle der ersten und zweiten Beugungselemente 34 und 36 enthalten, wie in 5 gezeigt ist. Hierbei sind die ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37 derart angeordnet, dass sie polarisierte Lichtstrahlen in annähernd senkrechten Richtungen linear emittieren. Ein VCSEL emittiert üblicherweise annähernd linear polarisiertes Licht. Entsprechend können diese, wenn die ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37 derart angeordnet sind, dass die Richtungen der linearen Polarisation des von dem VCSEL-Teil 32 emittierten Lichtes einander unter rechten Winkeln schneiden, polarisiertes Licht in senkrechten Richtungen emittieren.
Die ersten und zweiten Polarisationsbeugungselemente 134 und 136 können Brechungsänderungsbeugungselemente, wie in 6 gezeigt ist, sein. Hergestellt wird ein Brechungsänderungsbeugungselement durch Ausbilden einer Protonenaustauschschicht 137 auf einer doppelbrechenden Platte 135, die aus einem doppelbrechenden Material, so beispielsweise LiNBO₃, gefertigt ist, in einem Beugungsgitter oder Hologrammbeugungsmuster und durch Ausbilden eines dielektrischen Filmes 139 auf der Protonenaustauschschicht 137.
So ändert beispielsweise das Brechungsänderungsbeugungselement den Brechungsindex von ordentlichem Licht nicht, den Brechungsindex von außerordentlichem Licht jedoch sehr wohl, um gebeugtes Licht +1-ter und –1-ter Ordnung zu erzeugen.
Dies bedeutet, dass sich ordentliches Licht aufgrund eines Brechungsindex in Entsprechung zur Brechungsindexdifferenz zwischen der Protonenaustauschschicht 137 und dem dielektrischen Film 139 geradlinig ausbreitet. Dies rührt daher, dass eine kleine Brechungsindexdifferenz von ordentlichem Licht zwischen der doppelbrechenden Platte 135 und der Protonenaustauschschicht 137 und dem dielektrischen Film 139 erfahren wird. Demgegenüber erfährt außerordentliches Licht einen Brechungsindex in Entsprechung zur Summe der Brechungsindizes der Protonenaustauschschicht 137 und des dielektrischen Filmes 139, sodass eine Beugung in +1-ter und –1-ter Ordnung erfolgen kann. Dies rührt daher, dass eine große Brechungsindexdifferenz von dem außerordentlichen Licht zwischen der doppelbrechenden Platte 135 und der Protonenaustauschschicht 137 und dem dielektrischen Film 139 erfahren wird.
Hierbei entspricht ordentliches Licht demjenigen Fall, in dem die Richtung der linearen Polarisation von einfallendem Licht senkrecht zur optischen Achse der doppelbrechenden Platte 135 ist, während außerordentliches Licht demjenigen Fall entspricht, in dem die Richtung der linearen Polarisation von einfallendem Licht parallel zu optischen Achse der doppelbrechenden Platte 135 ist.
Entsprechend sind die ersten und zweiten Polarisationsbeugungselemente 134 und 136 derart angeordnet, dass die optische Achse der doppelbrechenden Platte 135 des ersten Polarisationsbeugungselementes 134 senkrecht zu derjenigen des Pendants des zweiten Polarisationslichtbeugungselementes 136 ist, und gleichzeitig derart, dass die Richtung der optischen Achse der doppelbrechenden Platte 135 senkrecht zur Richtung der linearen Polarisation des Lichtes ist, das von den ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37, die einander gegenüberliegen, emittiert wird.
Damit beugt das erste Polarisationsbeugungselement 134 Licht, das in einer ersten Richtung linear polarisiert und von dem VCSEL-Teil 32 der ersten Lichteinrichtung 31 emittiert worden ist, in 0-ter Ordnung und leitet das gebeugte Licht hin zu den Eingabe-/Ausgabeports 35a/35b der optischen Faser 35. Zudem beugt das erste Polarisationsbeugungselement 134 Licht, das linear in einer zweiten Richtung polarisiert ist, die senkrecht zur ersten Richtung ist und von der zweiten Lichteinrichtung 37 über die optische Faser 35 emittiert worden ist, in +1-ter und/oder –1-ter Ordnung und leitet das gebeugte Licht hin zu dem Fotodiodenteil 33 der ersten Lichteinrichtung 31.
Auf ähnliche Weise beugt das zweite Polarisationsbeugungselement 136 Licht, das in der zweiten Richtung linear polarisiert und von dem VCSEL-Teil 32 der zweiten Lichteinrichtung 37 emittiert worden ist, in 0-ter Ordnung und leitet das gebeugte Licht hin zu den Eingabe-/Ausgabeports 35a/35b der optischen Faser 35. Zudem beugt das zweite Polarisationsbeugungselement 136 Licht, das in der ersten Richtung linear polarisiert und von der ersten Lichteinrichtung 31 über die optische Faser 35 emittiert worden ist, in +1-ter und/oder –1-ter Ordnung und leitet das gebeugte Licht hin zu dem Fotodiodenteil 33 der zweiten Lichteinrichtung 37.
Entsprechend wird Licht, das von dem Eingabe-/Ausgabeport 35a/35b der optischen Faser 35 ausgegeben worden ist, zumeist in +1-ter und/oder –1-ter Ordnung durch das erste/zweite Polarisationsbeugungselement 134/136 gebeugt und von dem Fotodiodenteil 33 der ersten/zweiten Lichteinrichtung 31/37 empfangen.
Wird daher die optische Einheit 30 mit den vorbeschriebenen ersten und zweiten Polarisationsbeugungselementen 134 und 136 verwendet, so kann, wenn ein digitaler Datenaustausch in doppelter Zeit bei hoher Geschwindigkeit stattfindet, verhindert werden, dass Licht, das von einem VCSEL-Teil ausgegeben wird, mit dem entgegengesetzten VCSEL-Teil gekoppelt wird. Die Verwendung der optischen Einheit 30 mit einem derartigen Aufbau verhindert eine Verschlechterung des Relativintensitätsrauschens eines VCSEL-Teiles infolge der Kopplung des Lichtes von dem entgegengesetzten VCSEL-Teil mit dem VCSEL-Teil bei herkömmlichem Aufbau und verhindert zudem eine infolgedessen auftretende Verschlechterung der Bitfehlerrate eines Signals. Darüber hinaus wird verhindert, dass von dem VCSEL-Teil einer Lichteinrichtung emittiertes Licht teilweise von dem Eingabe-/Ausgabeport der optischen Faser 35 reflektiert und zu dem Fotodiodenteil geleitet wird. Damit tritt ein Übersprechen (crosstalk) eines Erfassungssignals, das durch eine teilweise erfolgende Ablenkung des Lichtes durch den Eingabe-/Ausgabeport einer optischen Faser erzeugt wird, nicht auf.
Die optische Einheit 30 entsprechend der vorliegenden Erfindung kann, wie in 2 und 5 gezeigt ist, des Weiteren Linsen 238 und 239 zum Bündeln bzw. Fokussieren von einfallendem Licht zwischen dem ersten Beugungselement 34 oder 134 und dem Eingangsport 35a der optischen Faser 35 beziehungsweise zwischen dem zweiten Beugungselement 36 oder 136 und dem Ausgangsport 35b der optischen Faser 35, wie in 7 gezeigt ist, enthalten, um die Effizienz beim Koppeln von Licht, das von dem VCSEL-Teil 32 ausgegeben wird, mit der optischen Faser 35 zu erhöhen. Die Linsen 238 und 239 können zwischen der ersten Lichteinrichtung 31 und dem ersten Beugungselement 34 beziehungsweise zwischen der zweiten Lichteinrichtung 37 und dem zweiten Beugungselement 36, wie 8 gezeigt ist, installiert sein.
Wie wiederum in 2 gezeigt ist, enthalten die ersten und zweiten Schaltungseinheiten 20 und 40 erste und zweite Treiber 25 und 45 zum Treiben des VCSEL-Teiles 32 der ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37 sowie erste und zweite Verstärker 27 und 47 zum Verstärken eines Stromsignals, das von dem Fotodiodenteil 33 der jeweiligen ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37 ausgegeben wird.
Vorzugsweise enthalten die ersten und zweiten Schaltungseinheiten 20 und 40 des Weiteren einen ersten Kontroller 21, der zwischen dem ersten Verstärker 27 und dem ersten Treiber 25 und der ersten Vorrichtung 10 installiert ist, und einen zweiten Kontroller 41, der zwischen dem zweiten Verstärker 47 und dem zweiten Treiber 45 und der zweiten Vorrichtung 50 installiert ist. Darüber hinaus enthalten die ersten und zweiten Schaltungseinheiten 20 und 40 vorzugsweise des Weiteren einen ersten Schalter 23, der zwischen dem ersten Treiber 25 und dem ersten Verstärker 27 und dem ersten Kontroller 21 installiert ist, und einen zweiten Schalter 43, der zwischen dem zweiten Treiber 45 und dem zweiten Verstärker 47 und dem zweiten Kontroller 41 installiert ist.
Die ersten und zweiten Kontroller 21 und 41 wandeln elektrische Signale, die von den ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 empfangen werden, in Signale mit Formaten um, die für eine Steuerung der jeweiligen ersten und zweiten Treiber 25 und 45 geeignet sind, und wandeln zudem Signale, die von den ersten und zweiten Verstärkern 27 und 47 ausgegeben werden, in Signale mit Formaten um, die für die jeweiligen ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 geeignet sind.
Jeder der ersten und zweiten Kontroller 21 und 41 enthält einen Codierer 123, einen Treibersteuerkern 125 und einen Decodierer 127, wie in 9 gezeigt ist. Der Codierer 123 codiert ein elektrisches Signal von jeder der ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 zu einem Signal mit einem geeigneten Format. Der Treibersteuerkern 125 wandelt ein Signal, das von dem Codierer 123 codiert worden ist, in ein Signal mit einem Format um, das zum Steuern von jedem der ersten und zweiten Treiber 25 und 45 geeignet ist, und legt das umgewandelte Signal an jedem der ersten und zweiten Treiber 25 und 45 an. Der Decodierer 127 decodiert ein von jedem der ersten und zweiten Verstärker 27 und 47 empfangenes Signal in ein Signal mit einem Format, das für jede der ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 geeignet ist. Vorzugsweise enthält jeder der ersten und zweiten Kontroller 21 und 41 des Weiteren einen Multiplexer (MUX) 129 zwischen dem Codierer 123 und dem Treibersteuerkern 125, wie in 10 gezeigt ist. Der MUX 129 leitet ein Signal, das von dem Fotodiodenteil 37 erfasst worden ist, zu dem Treibersteuerkern 125 oder dem Treiber 25 (45) zurück und steuert den VCSEL-Teil 32 entsprechend dem erfassten Signal.
Wie in 2 gezeigt ist, arbeiten die ersten und zweiten Schalter 23 und 43 in wechselseitiger Entsprechung unter Steuerung der ersten und zweiten Kontroller 21 und 41 und schalten die jeweiligen Treiber 25 und 45 und die jeweiligen Verstärker 27 und 47 selektiv ein oder aus.
Die Licht verwendende Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung mit den ersten und zweiten Schaltern 23 und 43 wird zwischen den ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 verwendet, sodass die ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 geeignete Signale untereinander austauschen können.
Wenn daher ein System, das derart ausgelegt ist, dass die ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 je nach Bedarf abwechselnd Signale austauschen oder gleichzeitig in zwei Richtungen Signale übertragen und empfangen können, die Licht verwendende Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet, arbeiten sogar dann, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis eines empfangenen Signals stark verschlechtert ist, oder sogar in einem Betriebszustand, wo eine Vorrichtung ein Signal sendet, woraufhin die andere Vorrichtung ein Antwortsignal sendet, die ersten und zweiten Schalter 23 und 43 in wechselseitiger Entsprechung unter der Steuerung der jeweiligen ersten und zweiten Kontroller 21 und 41. Damit können die ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 abwechselnd Signale austauschen.
Wenn zudem ein System, das derart ausgelegt ist, dass die ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 Signale bidirektional übertragen und empfangen, die Licht verwendende Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet, arbeiten die ersten und zweiten Schalter 23 und 43 auch dann in wechselseitiger Entsprechung unter der Steuerung der jeweiligen Kontroller 21 und 41, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis eines Signals verschlechtert ist. Infolgedessen nimmt das Signal-Rausch-Verhältnis eines Signals zu, was zu einer Verringerung in der Datenübertragungsfehlerrate führt.
Verschlechtert sich beispielsweise ein Signal, das von einer der ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37 über den optischen Kanal 35 übertragen und von dem Fotodiodenteil 33 empfangen wird, dadurch, dass Licht aus dem VCSEL-Teil 32 der anderen Lichteinrichtung durch eine Lichteinrichtung, so beispielsweise die Beugungselemente 34, 36, 134 und 136 und/oder die Linsen 138, 139, oder durch den Eingangs-/Ausgangsport 35a/35b der optischen Faser 35 reflektiert und von dem Fotodiodenteil 33 der anderen Lichteinrichtung empfangen wird, so arbeiten die ersten und zweiten Schalter 23 und 43 derart, dass sie abwechselnd die jeweiligen ersten und zweiten Treiber 25 und 45 und die jeweiligen zweiten und ersten Verstärker 47 und 27 unter der Steuerung der jeweiligen ersten und zweiten Kontroller 21 und 41 ein- und ausschalten. Damit wird ein Signal abwechselnd zwischen den ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 übertragen. Wird die Signalübertragung abwechselnd vorgenommen, wie vorstehend beschrieben worden ist, so nimmt die Geschwindigkeit bei der Signalübertragung zwischen den ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 ab, wobei ein Signal auch bei einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis empfangen werden kann. Dies führt zu einer Verringerung der Fehlerrate bei der Datenübertragung.
Wird bei einem System, das derart ausgelegt ist, dass die ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 Signale in einer Richtung übertragen, die Licht verwendende Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet, so überträgt ein Schalter ein Treibersignal an einen Treiber und hält einen Verstärker gleichzeitig in einem AUS-Zustand, während der andere Schalter einen Treiber ausschaltet und gleichzeitig einen Verstärker in einem EIN-Zustand hält. Dies ermöglicht eine Übertragung eines Signals in einer Richtung.
Wird bei einem System, das derart ausgelegt ist, dass die ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 ein Signal abwechselnd untereinander austauschen, die Licht verwendende Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet, so schalten die ersten und zweiten Schalter 23 und 43 abwechselnd die ersten und zweiten Treiber 25 und 45 und die zweiten und ersten Verstärker 47 und 27 ein und aus. Damit erfolgt der Signalaustausch zwischen den Vorrichtungen abwechselnd.
Wird bei einem System, das derart ausgelegt ist, dass die ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 Signale untereinander in zwei Richtungen notwendigerweise gleichzeitig austauschen, die Licht verwendende Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet, so schalten die ersten und zweiten Schalter 23 und 43 die jeweiligen ersten und zweiten Treiber 25 und 45 ein und die jeweiligen ersten und zweiten Verstärker 27 und 47 aus und werden in EIN-Zuständen gehalten. Damit können Signale in zwei Richtungen gleichzeitig übertragen und empfangen werden.
Für den Fall eines Systems, das derart ausgelegt ist, dass die ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 notwendigerweise gleichzeitig Signale untereinander austauschen, kann natürlich die Licht verwendende Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung erste und zweite Schaltungseinheiten 20 und 40 verwenden, die jeweils keine Schalter aufweisen, wie in 11 gezeigt ist.
Bei der Licht verwendenden Signalübertragungseinrchtung entsprechend der vorliegenden Erfindung mit einem derartigen Aufbau wird vorgezogen, wenn eine optische Einheit 30 einzeln modularisiert ist. Ist die optische Einheit 30 einzeln modularisiert, so können die ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 von der optischen Einheit 30 elektrisch getrennt oder mit dieser verbunden sein.
Eine herkömmliche Signalübertragungseinrichtung weist einen Aufbau auf, bei dem Vorrichtungen miteinander durch Anbringen eines Verbinders, an dem eine Lichteinrichtung installiert ist, an einem Stecker, an dem eine optische Faser installiert ist, verbunden werden, weshalb ein optischer Ausrichtungsfehler zwischen der Lichteinrichtung und der optischen Faser durch das wiederholte Anbringen und Lösen der Anbringung zwischen den beiden Verbindern entsteht. Dies verursacht einen Datenfehler und eine Änderung der Amplitude des optischen Signals. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Signalübertragungseinrichtung gemäß vorstehender Beschreibung treten bei der Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung derartige Probleme nicht auf, sodass deren Verlässlichkeit sichergestellt ist.
Wird die Signalübergangseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung mit der einzeln modularisierten optischen Einheit 30 gemäß vorstehender Beschreibung bei typischen Vorrichtungen verwendet, die derart ausgelegt sind, dass eine Signalübertragung durch eine elektrische Verbindung erfolgt, so ist auch dann, wenn die ersten und zweiten Schaltungseinheiten 20 und 40 verschiedenartig zwischen der optischen Einheit 30 und der ersten Vorrichtung 10 und zwischen der optischen Einheit 30 und der zweiten Vorrichtung 50, wie später noch beschrieben wird, kombiniert sind, keine Notwendigkeit vorhanden, den Portaufbau der Vorrichtung zu ändern. Damit ist die Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung, bei der eine einzeln modularisierte optische Einheit 30 zum Einsatz kommt, zu gängigen Vorrichtungen kompatibel.
Die ersten und zweiten Schaltungseinheiten 20 und 40 können mit der optischen Einheit 30 einzeln modularisiert sein. Dies bedeutet, dass die erste Schaltungseinheit 20 und die erste Lichteinrichtung 31, das Beugungselement und das eine Ende der optischen Faser 35 in der optischen Einheit 30 an einem ersten Verbinder (nicht gezeigt) installiert sein können, um eine elektrische Verbindung mit der ersten Vorrichtung 10 zu ermöglichen, während die zweite Schaltungseinheit 40 und die zweite Lichteinrichtung 37, das Beugungselement und das andere Ende der optischen Faser 35 in der optischen Einheit 30 an einem zweiten Verbinder (nicht gezeigt) installiert sein können, um eine elektrische Verbindung mit der zweiten Vorrichtung bereitzustellen. In diesem Fall ist dann, wenn die ersten und zweiten Verbinder in den jeweiligen ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 installiert sind, die Licht verwendende Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung elektrisch mit den jeweiligen ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 gekoppelt und wandelt elektrische Signale aus den ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 in optische Signale um, überträgt die optischen Signale über die optische Faser 35, wandelt die optischen Signale zurück in elektrische Signale und überträgt die elektrischen Signale an die jeweiligen zweiten und ersten Vorrichtungen 50 und 10.
In jeder der ersten und zweiten Schaltungseinheiten 20 und 40 ist wenigstens ein Element unter den Komponentenelementen, so beispielsweise ein Treiber und ein Verstärker, mit der optischen Einheit 30 modularisiert, während der Rest in den ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 installiert sein kann.
Sämtliche Komponentenelemente der ersten und zweiten Schaltungseinheiten 20 und 40 können in den jeweiligen ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 installiert sein. In diesem Fall sind die ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 elektrisch mit der optischen Einheit 30 verbunden, sodass ein Treibersignal, das von dem Treiber einer Schaltungseinheit ausgegeben wird, die in der jeweiligen ersten und/oder zweiten Vorrichtung 10 und/oder 50 installiert ist, an die optische Einheit 30 übertragen wird und ein elektrisches Signal, das von der optischen Einheit 30 ausgegeben wird, an den Verstärker der Schaltungseinheit mit einer Installation in der ersten und/oder zweiten Vorrichtung 10 und/oder 50 angelegt wird.
Hierbei sind nur einige Komponenten der optischen Einheit 30 modularisiert, während der Rest in den ersten und/oder zweiten Vorrichtungen 10 und/oder 50 installiert sein kann. Die ersten und zweiten Lichteinrichtungen 31 und 37 sind in den ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 installiert, und zwar zusammen mit den ersten und zweiten Schaltungseinheiten 20 und 40, während nur die Beugungselemente 34 und 36 (oder 134 und 136) und die optische Faser 35 modularisiert sein können. In diesem Fall weist die optische Einheit 30, die getrennt von den ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 modularisiert ist, einen Portaufbau zur optischen Verbindung auf. Alternativ sind die erste Lichteinrichtung 31 und das erste Beugungselement 34 oder 134 nur in der ersten Vorrichtung 10 installiert, während die übrigen Komponenten modularisiert sein können. In diesem Fall weisen die modularisierte optische Einheit 30 und die erste Vorrichtung 10 Portaufbauten zur optischen Verbindung auf und sind elektrisch mit der zweiten Vorrichtung 50 verbunden.
Hierbei sind die erste Schaltungseinheit 20, die erste Lichteinrichtung 31 und ein Beugungselement in der ersten Vorrichtung 10 installiert, während die zweite Schaltungseinheit 40, die zweite Lichteinrichtung 37 und ein Beugungselement in der zweiten Vorrichtung 50 installiert sind. In diesem Fall weisen die ersten und zweiten Vorrichtungen 10 und 50 ein Portaufbauten auf, durch die sie optisch mit dem Eingangs-/Ausgangsport 35a/35b der optischen Faser 35 verbunden werden können.
Beschrieben wurde vorstehend als Beispiel derjenige Fall, in dem eine Licht verwendende Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ein Paar von ersten und zweiten Lichteinrichtungen und eine einzelne optische Faser enthält, die derart installiert ist, dass sie diesen gegenüberliegt, sodass eine Signalübertragung und ein Signalempfang über einen einzelnen Kanal erreicht werden können. Die Licht verwendende Signalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung kann einfach in eine Mehrkanalsignalübertragungseinrichtung umgewandelt werden, indem die ersten und zweiten Lichteinrichtungen in einem Feld angeordnet werden und eine optische Faser zwischen den gegenüberliegenden ersten und zweiten Lichteinrichtungen installiert wird. Daher ist eine Licht verwendende Mehrkanalsignalübertragungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung nicht im Detail gezeigt und beschrieben, da sie hinreichend aus dem Aufbau einer Einkanalsignalübertragungseinrichtung abgeleitet werden kann.
Die Licht verwendende Signalübertragungseinrchtung entsprechend der vorliegenden Erfindung enthält, wie vorstehend beschrieben worden ist, ein Beugungselement zwischen dem Eingangs-/Ausgangsport einer optischen Faser und eine Lichteinrichtung derart, dass Licht, das von der optischen Faser emittiert wird, in +1-ter und/oder –1-ter Ordnung gebeugt und zu dem Fotodiodenteil der Lichteinrichtung geleitet wird. Damit kann ein empfangenes optisches Signal mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis erfasst werden.
Da zudem Licht, das von der optischen Faser emittiert wird, in +1-ter und/oder –1-ter Ordnung gebeugt und zu dem Fotodiodenteil der Lichteinrichtung geleitet wird, ergibt sich keine Verschlechterung des Relativintensitätsrauschens eines VCSEL, die bei einem herkömmlichen Aufbau auftritt, bei dem ein Teil des Lichtes, das von dem gegenüberliegenden VCSEL emittiert und über eine optische Faser übertragen wird, auf den VCSEL einfällt.
Entsprechend kann sogar dann, wenn eine Signalübertragung und ein Signalempfang gleichzeitig in doppelter Zeit erfolgen, eine hervorragende Signalbitfehlerrate erreicht werden.
Da zudem ein VCSEL, der in einem Halbleiterherstellungsprozess in eine Fotodiode eingebaut worden ist, als Lichteinrichtung verwendet wird, kann ein Prozess der Chipmontage entfallen. Damit entstehen weder Zusammenbaufehler infolge der Chipmontage, noch tritt eine Ausbeuteverringerung aufgrund eines Montagefehlers bei einem herkömmlichen Aufbau auf.
Wird darüber hinaus ein Polarisationsbeugungselement als Beugungselement verwendet, so kann verhindert werden, dass von dem VCSEL-Teil der Lichteinrichtung emittiertes Licht teilweise von dem Eingangs-/Ausgangsport der optischen Faser reflektiert und zu dem Fotodiodenteil geleitet wird. Damit tritt kein Übersprechen (crosstalk) eines Erfassungssignals infolge einer teilweise erfolgenden Reflexion des Lichtes durch den Eingangs-/Ausgangsport einer optischen Faser auf.
Sämtliche in dieser Druckschrift offenbarten Merkmale (einschließlich der begleitenden Ansprüche, Zusammenfassung und Zeichnung) und/oder sämtliche Schritte eines beliebigen Verfahrens oder eines offenbarten Prozesses können in beliebiger Kombinationen kombiniert werden. Ausgenommen sind lediglich Kombinationen, bei denen wenigstens eines der Merkmale und/oder einer der Schritte ein anderes Merkmal oder einen anderen Schritt ausschließt.

Claims

Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, so ausgelegt, dass Signalübertragung und Signalempfang zwischen gegenüberliegenden Lichteinrichtungen über denselben Kanal erreicht werden, wobei das System umfasst: eine optische Einheit (30), enthaltend eine erste und eine zweite Lichteinrichtung (31, 37) zum Emittieren von Licht und eine Fotodiode (33) zum Empfangen von einfallendem Licht, wenigstens eine optische Faser (35), installiert zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Lichteinrichtungen (31, 37), zum Senden eines optischen Signals und Beugungselemente (34, 36), installiert jeweils zwischen der ersten Lichteinrichtung (31) und einem Eingangsport (35a) der optischen Faser (35) und zwischen der zweiten Lichteinrichtung (37) und einem Ausgangsport (35b) der optischen Faser, zum selektiven Beugen des einfallenden Lichts so, dass die Lichtausgabe der optischen Faser (35) von der Fotodiode empfangen wird, eine erste Schaltungseinheit (20) zum Steuern der ersten Lichteinrichtung (31) so, dass ein elektrisches Signal von einer ersten Vorrichtung (10) in ein optisches Signal umgewandelt wird und dass ein über die optische Faser (35) übertragenes optisches Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und anschließend zu der ersten Vorrichtung (10) übertragen wird, und eine zweite Schaltungseinheit (40) zum Steuern der zweiten Lichteinrichtung (37) so, dass ein elektrisches Signal von einer zweiten Vorrichtung (50) in ein optisches Signal umgewandelt wird und dass ein über die optische Faser (35) übertragenes optisches Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und anschließend zu der zweiten Vorrichtung (50) übertragen wird, wobei Signalübertragung und Signalempfang zwischen den gegenüberliegenden ersten und zweiten Lichteinrichtungen (31, 37) über denselben Kanal durchgeführt werden, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste und die zweite Lichteinrichtung (31, 37) eine VCSEL-Einheit (Vertical Cavity Surface Emitting Laser unit) zum Emittieren von Licht in eine Richtung, in die Halbleitermaterialschichten gestapelt sind, aufweisen und dass die Fotodiode (33) ein Fotodiodenteil (33) zum Empfangen von einfallendem Licht ist, der durch einen Halbleiterherstellungsprozess mit dem VCSEL-Teil (32) eingearbeitet ist, wobei der Fotodiodenteil (33) um den VCSEL-Teil herum angeordnet ist und zwischen dem VCSEL-Teil (32) und dem Fotodiodenteil (33) ein Zwischenraum (S) für elektrische Isolierung ausgebildet ist.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach Anspruch 1, wobei das Beugungselement (34, 36) ein Beugungsgitter oder ein optisches Hologrammelement zum Beugen von einfallendem Licht in einer +1-ten und/oder –1-ten Ordnung ist.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Beugungsmuster des Beugungselements (34, 36) einen eckigen Querschnitt oder einen blazed Querschnitt hat.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Abstand zwischen dem Beugungselement (34, 36) und dem Eingangs-/Ausgangsport (36a, 35b) der optischen Faser (35) kleiner ist als ein Abstand zwischen dem Beugungselement (34, 36) und der ersten/zweiten Lichteinrichtung (31, 37).
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach Anspruch 1, wobei die entsprechenden ersten und zweiten Lichteinrichtungen (31, 37) senkrecht polarisierte Lichtstrahlen emittieren und das Beugungselement (34, 36) ein Polarisations-Beugungselement ist, das so ausgelegt ist, dass das von dem VCSEL-Teil einfallende polarisierte Licht gerade übertragen und durch die optische Faser empfangen wird und dass das von der optischen Faser (35) einfallende polarisierte Licht in einer +1-ten und/oder –1-ten Ordnung gebeugt und in Richtung auf den Fotodiodenteil (33) geleitet wird.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach Anspruch 5, wobei das Polarisations-Beugungselement (34, 134, 36, 136) ein Brechungsänderungs-Beugungselement ist, das durch Ausbilden eines Protonenaustauschbereichs und eines dielektrischen Films auf der Position des Beugungsmusters von einer Platte, die aus einem doppelt brechenden Material gefertigt ist, erhalten wird.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine optische Achse des Polarisations-Beugungselements (34, 134, 36, 136) annähernd senkrecht zu der Richtung der linearen Polarisation von Licht ist, das von einem VCSEL-Teil emittiert wird, der dem Polarisations-Beugungselement gegenüberliegt.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Einheit des Weiteren eine Linse (238, 239) umfasst, installiert zwischen einem VCSEL-Teil (31, 37) und einem Beugungselement (34, 134, 36, 136) oder zwischen dem Beugungselement (34, 134, 36, 136) und dem Eingangs-/Ausgangsport (35a, 35b) einer optischen Faser (35), zur Kopplung von Licht von einem VCSEL-Teil zu der optischen Faser (35).
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Einheit so einzeln modularisiert ist, dass sie elektrisch von der ersten und der zweiten Vorrichtung getrennt ist.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die optische Einheit so einzeln modularisiert ist, dass sie elektrisch mit der ersten und der zweiten Vorrichtung verbunden ist.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach Anspruch 9 oder 10, wobei die optische Einheit und wenigstens einige der Komponenten der ersten und der zweiten Schaltungseinheit einzeln modularisiert sind.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der ersten und der zweiten Schaltungseinheit umfasst: einen Treiber (25, 45) zum Treiben eines VCSEL-Teils und einen Verstärker (27, 47) zum Verstärken eines Stromsignalausgangs von dem Fotodiodenteil.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach Anspruch 12, wobei jede der ersten und der zweiten Schaltungseinheit des Weiteren einen Kontroller (21, 41) umfasst, installiert zwischen einer Vorrichtung und dem Verstärker (27, 47) und dem Treiber (25, 45), zum Umwandeln eines elektrischen Signals von der Vorrichtung in ein Signal, das zum Steuern des Treibers geeignet ist, und zum Umwandeln eines Signals von dem Verstärker in ein Signal, das für die Vorrichtung geeignet ist.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach Anspruch 13, wobei der Kontroller umfasst: einen Codierer (123) zum Codieren eines elektrischen Signals von einer Vorrichtung in ein angemessenes Signal, einen Treiber-Steuerkern (125) zum Umwandeln des codierten Signals in ein Signal, das zum Steuern des Treibers geeignet ist, und zum Anwenden des umgewandelten Signals auf den Treiber und einen Decoder (127) zum Decodieren eines Signals von dem Verstärker in ein Signal, das für die Vorrichtung geeignet ist.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Kontroller des Weiteren einen Multiplexer (129) zwischen dem Codierer und dem Treiber-Steuerkern umfasst.
Bidirektionales Signalübertragungssystem, das Licht verwendet, nach Anspruch 13, 14 oder 15, wobei die erste und/oder die zweite Schaltungseinheit des Weiteren einen Schalter umfasst/umfassen, installiert zwischen dem Kontroller und dem Treiber und dem Verstärker, zum selektiven Ein- und Ausschalten des Treibers und/oder des Verstärkers.