DE68923597T2

DE68923597T2 - Eingangsstufen-Vorrichtung eines optischen Empfängers.

Info

Publication number: DE68923597T2
Application number: DE68923597T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro C O Nec Corporat Uda
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2009-10-31
Also published as: US4975566A; EP0367184A3; EP0367184A2; JPH02121421A; EP0367184B1; JP2641923B2; DE68923597D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger und insbesondere einen optischen Empfänger mit einer Rauschunterdrückungsschaltung in seiner Eingangsschaltung.
Eine herkömmliche Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger weist einen Differentialverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor, eine erste und zweite Gleichstromvorspannungsschaltung zum Anlegen einer Vorspannung an die jeweiligen Basen des ersten und zweiten Transistors des Differentialverstärkers, und eine photoelektrische Wandlerschaltung mit einer Photodiode zum Umwandeln eines von einer optischen Faser emittierten Ausgangslichts in ein elektrisches Signal auf. In dem Differentialverstärker sind Kollektoren der zwei Transistoren über Widerstände mit einer Spannungsversorgung und direkt mit Ausgangsanschlüssen verbunden, und deren Emitter sind über einen gemeinsamen Widerstand mit der Masse verbunden. Die photoelektrische Wandlerschaltung ist mit der Basis des ersten Transistors verbunden.
Im Betrieb wird, wenn kein Licht von der optischen Faser emittiert wird, kein elektrisches Signal von der photoelektrischen Wandlerschaltung an die Basis des ersten Transistors des Differentialverstärkers außer der Vorspannung angelegt, so daß kein verstärktes Signal über den Ausgangsanschlüssen erhalten wird. Andererseits wird, wenn ein Ausgangslicht von der optischen Faser emittiert wird, eine Spannung, welche zum Ausgangslicht proportional ist, von der photoelektrischen Wandlerschaltung an die Basis des ersten Transistors des Differentialverstärkers angelegt, so daß die an die Ausgangsanschlüsse zu liefernde Spannung in dem Differentialverstärker verstärkt wird.
Die herkömmliche Eingangsstufenschaltung für den optischen Empfänger weist jedoch einen Nachteil dahingehend auf, daß ein Signal/Rausch-Verhältnis verschlechtert ist. Genauer gesagt, es wird, wenn beispielsweise Rauschen auf einem Spannungsversorgungsanschluß überlagert ist, ein von der photoelektrischen Wandlerschaltung an die Basis des ersten Transistors geliefertes elektrisches Signal von dem Rauschen beeinträchtigt, da die Photodiode über den Anschluß mit der Spannungsversorgung verbunden ist. Demzufolge wird das Rauschen zusammen mit dem Ausgangssignal der Photodiode in dem Differentialverstärker verstärkt, da die photoelektrische Wandlerschaltung nur mit dem ersten Transistor verbunden ist. Andererseits beeinträchtigen über die erste und zweite Vorspannungsschaltung an den Differentialverstärker gelieferte Rauschbeiträge ein Signal/Rausch-Verhältnis nicht, da die erste und zweite Vorspannungsschaltung mit den Basen des ersten und zweiten Transistors symmetrisch verbunden sind, so daß sich die Rauschbeiträge in dem ersten und zweiten Transistor aufheben.
Obwohl diese Art von Rauschen durch ein Rauschfilter, welches gemäß Beschreibung auf den Seiten 209 bis 225 von "NIKKEI ELECTRONICS, 25 Mai 1981" in einer Spannungsversorgungsleitung vorgesehen ist, reduziert wird, vergrößert das Vorsehen eines derartigen Rauschfilters die Eingangsstufe für den optischen Empfänger, und das Signal/Rausch-Verhältnis wird aufgrund des von dem Rauschfilter nicht entfernten Rauschens nicht vollständig verbessert.
Die GB 2 192 510 A betrifft einen optischen Empfänger, der zwei Photodioden aufweist, wovon eine (A) einen modulierten Lichtstrahl empfängt und die Andere (B) abgeschirmt ist, so daß kein Licht auf sie fällt. Diese Dioden sind mit den Eingängen eines Differentialverstärkers (A1) verbunden, dessen Ausgangssignal die Differenz zwischen den Strömen in den Dioden und somit das Signal auf dem einfallenden Lichtstrahl darstellt. Dieses beseitigt lokale Störungen, welche an beiden Dioden dieselben sind und ermöglicht das Vorsehen eines gleichstromgekoppelten Empfängers, welcher eine ziemlich gute Empfindlichkeit aufweist. In einer alternativen Version sind die zwei Dioden in zwei Arme einer Brückenschaltung geschaltet, deren Ausgang das Signal auf dem einfallenden Lichtstrahl darstellt.
Aus den PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Vol. 10 Nr. 263, (E- 435) [2319] 9. September 1986, ist ein optischer Signaldetektor bekannt. Zwei Photodetektoren detektieren Licht von einer Lichtquelle und die detektierten Ausgangssignale sind in Differenzschaltung verschaltet, um ein Gleichtaktrauschen zu beseitigen, und das Ergebnis wird in eine Verstärkungssteuerungsschaltung eingegeben. Die Schaltung unterdrückt die mit der Schwankung des optischen Signalpegels der Lichtquelle verbundene elektrische Signalpegelschwankung, um ein elektrisches Signal auszugeben. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, um die Änderungen in der Vorspannung aufgrund von Temperaturschwankung der Detektoren einzustellen.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger bereitzustellen, in welcher eine Signal/Rausch-Verhältnis auch dann nicht verschlechtert wird, wenn beispielsweise Rauschen auf einer Spannungsversorgungsleitung überlagert ist, um dadurch eine Rauschfestigkeits-Eigenschaft zu verbessern.
Erfindungsgemäß weist eine Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger auf:
einen Differentialverstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß;
eine erste und zweite Gleichstromvorspannungsschaltung zum Anlegen einer gleichen Vorspannung an den ersten und zweiten Eingangsanschluß;
eine erste photoelektrische Wandlerschaltung mit einer ersten optischen Einrichtung, die an eine optische Faser gekoppelt ist, um ein Ausgangslicht der optischen Faser in ein an den ersten Eingangsanschluß des Differentialverstärkers anzulegendes erstes elektrisches Signal umzuwandeln; und
eine zweite photoelektrische Wandlerschaltung mit einer zweiten optischen Einrichtung, die an die optische Faser gekoppelt ist, um das Ausgangslicht der optischen Faser in ein an den zweiten Eingangsanschluß des Differentialverstärkers anzulegendes zweites elektrisches Signal umzuwandeln;
wobei die zweite optische Einrichtung in der zweiten photoelektrischen Wandlerschaltung so angeschlossen ist, daß sie im Bezug zu der ersten optischen Einrichtung in der Polarität umgedreht ist, wodurch das zweite elektrische Signal bezogen auf das erste elektrische Signal in der Polarität umgedreht ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 ein Schaltbild, welches eine herkömmliche Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger zeigt;
Fig. 2 ein Schaltbild, welches eine Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger in einer bevorzugten erfindungsgemaßen Ausführungsform zeigt; und
Fig. 3A bis 3E erläuternde Diagramme, welche Spannungen in der Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger in der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Vor der Erläuterung einer Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger in der bevorzugten erfindungsgemaßen Ausführungsform wird die vorgenannte herkömmliche Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger erläutert.
Fig. 1 stellt die herkömmliche Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger dar, welche aufweist: einen Differentialverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor Q&sub1; und Q&sub2;, die an Kollektoren über Widerstände R&sub1; und R&sub2; mit einem Spannungsversorgungsanschluß 7, an den Emittern über einen Widerstand R&sub0; mit der Masse und an den Basen mit einem Eingangsanschluß 11 und 12 verbunden sind, eine erste Gleichstromvorspannungsschaltung mit den Widerständen R&sub3; und R&sub4;, die an ihrem Verbindungspunkt mit dem Eingangsanschluß 11 des Differentialverstärkers an einem dem Verbindungspunkt des Widerstandes R&sub3; mit dem Spannungsversorgungsanschluß 7 gegenüberliegenden Anschluß und an einem dem Verbindungspunkt des Widerstandes R&sub4; mit der Masse gegenüberliegenden Anschluß verbunden sind; eine zweite Gleichstromvorspannungsschaltung mit den Widerständen R&sub6; und R&sub7;, die an ihrem Verbindungspunkt mit dem Eingangsanschluß 12 des Differentialverstärkers an einem dem Verbindungspunkt des Widerstandes R&sub6; mit dem Spannungsversorgungsanschluß 7 gegenüberliegenden Anschluß und an einem dem Verbindungspunkt des Widerstandes R&sub7; mit der Masse gegenüberliegenden Anschluß verbunden sind; eine photoelektrische Wandlerschaltung mit einer Photodiode 2 und einem Widerstand R&sub5;, die an ihrem Verbindungspunkt über einen Kondensator C&sub1; mit dem Eingangsanschluß 11 des Differentialverstärkers, an einer Kathode der Photodiode 2 mit dem Spannungsversorgungsanschluß 7 und an einem dem Verbindungspunkt des Widerstandes R&sub5; gegenüberliegenden Anschluß mit der Masse verbunden sind; und einen Kondensator C&sub2;, der an seinem einen Anschluß, mit dem Eingangsanschluß 12 und an seinem anderen Anschluß mit der Masse verbunden ist. In der Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger sind die Kollektoren der Transistoren Q&sub1; und Q&sub2; mit den Ausgangsanschlüssen 13 und 14 verbunden, so daß eine Potentialdifferenz zwischen den Eingangsanschlüssen 11 und 12 in dem Differentialverstärker verstärkt wird, um an die Ausgangsanschlüsse 13 und 14 geliefert zu werden.
Wenn beispielsweise Rauschen auf einer mit dem Spannungsversorgungsanschluß 7 verbundenen Spannungsversorgungsleitung überlagert ist, wird das Rauschen über die erste Gleichstromvorpannungsschaltung mit den Widerständen R&sub3; und R&sub4; und die photoelektrische Wandlerschaltung mit der Photodiode 2, welche einen zu einem von der (nicht dargestellten) optischen Faser emittierten Ausgangslicht proportionalen optischen Strom liefert, und den Widerstand R&sub5; an den Eingangsanschluß 11 des Differentialverstärkers, und über die zweite Gleichstromvorspannungsschaltung mit den Widerständen R&sub6; und R&sub7; an den Eingangsanschluß 12 des Differentialverstärkers geliefert. Unter diesen Umständen heben sich die durch die erste und zweite Gleichstromvorspannungsschaltung angelegten Rauschbeiträge gegenseitig auf, da die erste und zweite Vorspannungsschaltung symmetrisch mit dem Differentialverstärker verbunden sind. Folglich wird nur das durch die photoelektrische Wandlerschaltung an den Eingangsanschluß 11 angelegte Rauschen in dem Differentialverstärker gemäß vorstehender Erläuterung verstärkt. Dieses ist ein Nachteil der herkömmlichen Eingangsstufe für einen optischen Empfänger.
Nachstehend wird eine Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger der erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsform in Fig. 2 erläutert. Die Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger weist dieselbe Schaltungsstruktur wie die herkömmliche Struktur auf, mit der Ausnahme, daß eine Photodiode 20 vorgesehen ist, um mit einem von einer optischen Faser emittierten Ausgangslicht zusammen mit der Photodiode 2 für die photoelektrische Wandlerschaltung gekoppelt zu sein, und daß der Kondensator C&sub2; durch einen Kondensator C&sub3; ersetzt ist, welcher mit einem Anschluß mit einer Kathode der Photodiode 20 und mit dem anderen Anschluß mit dem Eingangsanschluß 12 des Differentialverstärkers verbunden ist. Ferner ist eine Anode der Photodiode 20 mit der Masse verbunden, und deren Kathode ist über einen Widerstand R&sub8; mit der mit dem Spannungsversorgungsanschluß 7 verbundenen Spannungsversorgungsleitung verbunden.
Wenn im Betrieb von der (nicht dargestellten) optischen Faser ein Ausgangslicht emittiert wird, liefern die Photodioden 2 und 20 optische Ströme, deren Polarität zueinander entgegengesetzt ist, so daß in der Polarität entgegengesetzte den optischen Strömen entsprechende Spannungen an die Eingangsanschlüsse 11 und 12 des Differentialverstärkers geliefert werden. Folglich wird ein verstärktes Signal an die Ausgangsanschlüsse 13 und 14 des Differentialverstärkers in Übereinstimmung mit der Differenz der zwei Eingangsspannungen geliefert.
Fig. 3A stellt eine Spannungswellenform an der Anode der Photodiode 2, und Fig. 3B eine Spannungswellenform an der Kathode der Photodiode 20 dar, wobei diese Spannungen in der Polarität entgegengesetzt sind. Ferner stellt Fig. 3C eine Spannungswellenform mit einem mit gestrichelter Linie eingekreisten Rauschen an dem Eingangsanschluß 11 dar, und Fig. 3D stellt ebenfalls eine Spannungswellenform mit einem mit gestrichelter Linie eingekreisten Rauschen an dem Eingangsanschluß 12 dar. Die Eingangssignale mit den in den Fig. 3C und 3D dargestellten Spannungswellenformen werden in dem die Transistoren Q&sub1; und Q&sub2; enthaltendem Differentialverstärker differentiell verstärkt, so daß die in den Eingangssignalen enthaltenen Rauschbeiträge kompensiert werden, um ein Ausgangssignal ohne Rauschen gemäß Darstellung in Fig. 3E an den Ausgangsanschlüssen bereitzustellen.
Gemäß vorstehender Beschreibung werden die durch die erste Vorspannungsschaltung mit den Widerständen R&sub3; und R&sub4; und die zweite Vorspannungsschaltung mit den Widerständen R&sub6; und R&sub7; gelieferten Rauschbeiträge ebenfalls darin differentiell kompensiert. Diese Rauschunterdrückungscharakteristik wird auf einem Verhältnis der Entfernung gleichphasiger an die Eingangsanschlüsse des Differentialverstärkers angelegter Eingangssignale bewertet.
Der Erfinder bestätigte, daß der Vorteil der Erfindung in einem optischen Empfänger des 0,8 um Wellenlängenbandes, welcher auf experimenteller Basis aufgebaut wurde, definitiv erzielt wurde. In dem optischen Empfänger wurden Silizium-PIN- Photodioden für die Photodiode 2 und 20 verwendet, und für den Differentialverstärker mit den Transistoren Q&sub1; und Q&sub2; wurde ein im Handel erhältlicher Operationsverstärker verwendet. Als Ergebnis des Experimentes war in dem herkömmlichen optischen Verstärker gemäß Darstellung in Fig. 1 eine Rauschamplitude von 10 mV (Spitze-Spitze) der Spannungsversorgungsleitung überlagert, wenn ein Fehler mit einer Wahrscheinlichkeit von 10&supmin;&sup9; in einem Ausgangssignal des optischen Empfängers auftrat.
Andererseits wurde die Rauschamplitude in dem optischen Empfänger der Erfindung gemäß Darstellung in Fig. 2 auf 100 mV (Spitze-Spitze) erhöht, um dieselbe Fehlerwahrscheinlichkeit wie bei dem herkömmlichen optischen Empfänger zu erzeugen. Das bedeutet, daß ein Signal/Rausch-Verhältnis in der Erfindung um etwa 20 dB im Vergleich zu der herkömmlichen Schaltung erhöht ist.

Claims

1. Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger mit:

einem Differentialverstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß (11, 12) und einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß (13, 14);

einer ersten und zweiten Gleichstromvorspannungsschaltung (R&sub3;, R&sub4;; R&sub6;, R&sub7;) zum Anlegen einer gleichen Vorspannung an den ersten und zweiten Eingangsanschluß;

einer ersten photoelektrischen Wandlerschaltung mit einer ersten optischen Einrichtung (2), die an eine optische Faser gekoppelt ist, um ein Ausgangslicht der optischen Faser in ein an den ersten Eingangsanschluß (11) des Differentialverstärkers anzulegendes erstes elektrisches Signal umzuwandeln; und

einer zweiten photoelektrischen Wandlerschaltung mit einer zweiten optischen Einrichtung (20), die an die optische Faser gekoppelt ist, um das Ausgangslicht der optischen Faser in ein an den zweiten Eingangsanschluß (12) des Differentialverstärkers anzulegendes zweites elektrisches Signal umzuwandeln;

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite optische Einrichtung (20) in der zweiten photoelektrischen Wandlerschaltung so angeschlossen ist, daß sie im Bezug zu der ersten optischen Einrichtung (2) in der Polarität entgegengesetzt ist, wodurch das zweite elektrische Signal bezogen auf das erste elektrische Signal in der Polarität entgegengesetzt ist.

2. Eingangsstufenschaltung für einen optischen Empfänger gemäß Anspruch 1, wobei:

der Differentialverstärker einen ersten und zweiten Transistor (Q&sub1;, Q&sub2;) aufweist, Kollektoren des ersten und zweiten Transistors parallel mit einer Energieversorgungsleitung (7) verbunden sind, Emitter des ersten und zweiten Transistors gemeinsam mit Masse verbunden sind, und Basen des ersten und zweiten Transistors mit dem ersten und zweiten Eingangsanschluß (11, 12) verbunden sind;

die erste optische Einrichtung (2) der ersten photoelektrischen Wandlerschaltung eine erste Elektrode mit der Energieversorgungsleitung (7) verbunden hat und eine zweite Elektrode mit dem ersten Eingangsanschluß (11) des Differentialverstärkers verbunden hat; und

die zweite optische Einrichtung (20) der zweiten photoelektrischen Wandlerschaltung eine erste Elektrode mit der Energieversorgungsleitung (7) und mit dem zweiten Eingangsanschluß (12) des Differentialverstärkers verbunden hat, und eine zweite Elektrode mit der Masse verbunden hat.