DE69028207T2 - Optischer detektor - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf optische Detektoren. Optische Detektoren werden verwendet bei digitaler Lichtwellenleiterkommunikation, um ankommende optische Signale zu empfangen und dann in entsprechende elektrische Signale zu konvertieren, welche dann verstärkt werden und mit elektronischen Mitteln verarbeitet werden.
• Vorverstärker mit hoher Eingangsimpedanz werden gewöhnlich wegen ihres niedrigeren thermischen Rauschens bevorzugt vor Niedrigimpedanz- oder Transimpedanzaufbauten verwendet, wenn die Empfindlichkeit des Empfängers überaus wichtig ist. Bei Hochimpedanzvorverstärkern ist der Wert des Eingangsvorwiderstandes für die Vorspannung des Eingangstransistors beliebig hoch, um sein thermisches Rauschen zu reduzieren.
• Das hat jedoch drei Nachteile zur Folge, die mit den Hochimpedanzverstärkern zusammenhängen. Zunächst schränkt der hohe Eingangswiderstand in Verbindung mit der Eingangskapazität des Transistors wesentlich die Bandbreite ein, die verfügbar ist für die Verarbeitung der ankommenden digitalen Signale. Der Empfänger wirkt als ein lekkender Integrator und erfordert nachfolgenden Ausgleich für die Wiederherstellung der Bandbreite. Die Pulsformen sind daher bei steigenden Datenraten immer schwieriger einzuhalten, wenn der Ausgleich den Ausgangssignalüberschwinger reduziert. Dieses kann zu einer Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses am Ausgang führen.
• Zweitens führt der Rampeneffekt aufgrund der Integration von Pulsen zu einer Begrenzung des Wechselspannungsdynamikbereichs, wenn binäre Sequenzen verwendet werden, was von der Kodierungsart abhängt, die verwendet wird, um die übertragene Datensequenz herzustellen. Der Dynamikbereich wird am stärksten eingeschränkt, wenn lange aufeinanderfolgende Folgen eines digitalen Zustandes zugelassen werden. Drittens fließt der mittlere Photostrom durch einen Eingangsvorwiderstand, was zu einem großen Spannungsabfall über den Widerstand führt, was den Gleichstromdynamikbereich des Empfängers einschränkt. Dieses wird gewöhnlich gemildert durch Einführung einer Regelschleife, welche die Spannung am Ende des Widerstandes einstellt, um den Spannungsabfall darüber zu kompensieren. Jedoch ist der Gleichstromdynamikbereich immer noch beschränkt durch die Spannungsversorgung des Steuerschaltkreises. Reduzierung des Wertes dieses Widerstandes zur Erhöhung des Dynamikbereiches des Gleichstroms vermindert die Empfindlichkeit des Empfängers.
• Eine Lösung für dieses Problem der Ausdehnung des Gleichstromdynamikbereiches für optische Detektoren wurde vorgeschlagen in einem Artikel von V.A. Druchevskii et al., "Extension of dynamic range of a photoreceiver based on a photodiode" in "INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES", Band 23, Nr. 3, Teil 2, Mai - Juni 1980, 5. 758-760. Durch den in diesem Artikel beschriebenen Schaltkreis wird der Dynamikbereich eines Photodiodendetektors durch Anlegen einer Vorspannung von dem Ausgang eines Operationsverstärkers unterhalb der Photodiode an die Photodiode verbessert, wobei die Vorspannung variiert wird, sobald die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
• Eine bekannte Lösung des Problems der Begrenzung des Wechselstromdynamikbereichs besteht darin, eine Differenzkodierungsart (dicode) zu verwenden, um die optisch übertragene Information zu kodieren und so das Ansteigen am Verstärkerausgang zu vermeiden. Eine Vorrichtung zum optischen Di-Kodieren (dicoding) ist beschrieben im UK- Patent GB-2 135 551. Dabei handelt es sich um das Kodieren von elektrischen Zweiniveaueingangssignalen an einem Sender, die digitale Daten darstellen, in optische Dreiniveausignale, so daß ein Übergang im Eingangssignal von niedrig zu hoch dargestellt wird durch einen ersten Lichtintensitätspegel, ein Übergang von hoch zu niedrig durch einen zweiten Intensitätspegel und das Fehlen eines Übergangs durch einen dritten Intensitätspegel zwischen dem ersten und zweiten Lichtintensitätspegel.
• Ein Verfahren zum Erzeugen des elektrischen Dicodes binärer Daten zum Modulieren einer optischen Quelle beim Sender besteht darin, eine kleine zeitverzögerung einzuführen und die verzögerte elektrische Signalform von der unverzögerten elektrischen Signalform abzuziehen. Da dieser Dreiniveaucode ein differenzierender Code ist, kann er direkt dekodiert werden durch das Integrationsverhalten des Empfängers mit der hohen Eingangsimpedanz. Der Dreiniveaucode jedoch führt zu einer Einschränkung der Linearität sowohl bei der optischen Quelle als auch bei ihrem Treiberschaltkreis, da der Dreiniveaucode Pulse erzeugen muß, welche symmetrisch um den Mittenpegel herum liegen, welcher seinerseits unabhängig von dem binären Eingangszustand sein soll.
• Aus DE-A-3 706 463 ist ein Gegentaktempfänger mit automatischem Abgleich bekannt, der zwei Photodetektoren gleichsinnig in Reihe geschaltet zur Erzeugung eines Ausgangssignals und einen optischen Teiler für das Teilen eines ankommenden optischen Signals in zwei Teile umfaßt, so daß jedes Signalteil auf den einen zugehörigen der Photodetektoren trifft.
• Die vorliegende Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Verzögerungsvorrichtung zwischen dem optischen Teiler und den Photodetektoren, welche dafür sorgt, daß ein Signalteil gegenüber dem anderen an den Photodetektoren verzögert ankommt.
• Wenn ein solcher optischer Detektor gemäß der Erfindung verwendet wird, um binärkodierte optische Signale mit einer Datenrate zu erfassen, bei der die Differenz in der optischen Weglänge zwischen dem optischen Teiler und jedem Photodetektor einer Bitperiode entspricht, so ist der kombinierte Photostrom auf der Ausgangsleitung, verbunden mit einem Punkt zwischen den Photodetektoren, der Dicode, der den empfangenen binären digitalen Daten entspricht. Dieser Photostrom kann zu einem Hochimpedanzvorverstärker geleitet werden, um die Integration zur Dekodierung des Dicodes durchzuführen. Der Detektor zeigt daher die Vorteile des verbesserten Wechselstromdynamikbereichs in Verbindung mit dem bekannten Übertragungsverfahren für ein optisches Dicodesignal, aber da das Di-Kodieren am Detektor erfolgt, sind die Probleme aufgrund der Einschränkungen der Linearität bei der optischen Übertragungsquelle und ihres Treiberschaltkreises gegenstandslos. Außerdem wird durch die Verwendung von nicht gegenläufigen Photodetektoren für das optische Di-Kodieren gleichzeitig ein großer Gleichstromdynamikbereich ohne Rückgriff auf Rückkopplungssteuerung zur Anpassung der Vorspannung für den Photodetektor sichergestellt.
• Idealerweise ist die Ansprechempfindlichkeit der Detektoren genau aufeinander abgestimmt und jeder ist optisch gut an einen 50:50-Teiler gekoppelt, aber eine Fehlanpassung bei einer der ersten zwei Bedingungen kann kompensiert werden durch Verwendung eines Nicht-50:50-Kopplers. Eine Fehlanpassung sollte jedoch vermieden werden wegen der folgenden Reduzierung des Gleichstromdynamikbereichs und der Einführung von niederfrequenten Pulsstörungen.
• Der optische Teiler ist vorzugsweise ein optischer Faserkoppler, da er relativ billig und einfach herzustellen ist, und die Verzögerung eines Signalteils gegenüber dem anderen wird problemlos ermöglicht durch einfache Verlängerung der einen Ausgangsfaser vom Teiler gegenüber der anderen. Es versteht sich, daß andere Arten von Teilern, z.B. 1/2-Spiegel oder Y-Teiler und andere Vorrichtungen zur Erzielung einer unterschiedlichen optischen Weglänge, z.B. weiter entferntes Anordnen des einen Detektors als des anderen vom Teiler, eingesetzt werden kann, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen, welche in keiner Weise von den tatsächlichen Vorrichtungen abhängen, die verwendet werden, um ein solches optisches Teilen und die relativen Verzögerungen der Signalteile zu erzielen.
• Die Wahl des Photodetektors wird von den Anforderungen des Nutzers abhängen. Zum Beispiel kann eine Avalanche- Photodiode (APD) bevorzugt gegenüber einer PIN-Diode verwendet werden, wenn größere Empfindlichkeit gefordert wird, aber dieses führt zu größeren Einschränkungen bei der Stabilisierung der Spannungsversorgung, um sicherzustellen, daß die Verstärkungen genau gesteuert und angepaßt werden.
• Die Verwendung von zwei Photodetektoren führt zu einer leichten Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber anderen vorher bekannten direkten Detektoren, aber nicht um so viel wie sich ergeben würde bei der Verwendung eines Verstärkers mit niedriger Eingangsimpedanz oder eines Transimpedanzverstärkers, um Wechselstromdynamikbereichbeschränkungen zu vermeiden.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Erfassen eines optischen Signals das optische Aufspalten des optischen Signals in zwei Signalteile, so daß jedes Teil auf den zugehörigen einen der zwei Photodetektoren trifft, die nicht-gegenläufig in Reihe geschaltet sind, wobei ein Signalteil gegenüber dem anderen verzögert ist.
• Ausführungsformen der Erfindung und ihres Betriebsverfahrens werden im folgenden in Form von Beispielen genauer erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird, bei denen:
• Figur 1 eine Darstellung eines optischen Detektors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
• die Figuren 2(a) bis 2(d) ein typisches optisches binäres non-return to zero (NRZ) Empfangssignal, wobei die beiden optischen Signalteile auf die Photodetektoren treffen, und das entsprechende elektrische Dicode-Ausgangssignal von der Ausführungsform in Figur 1 darstellen;
• die Figuren 3(a) und 3(b) die Integration des elektrischen Dicode-Ausgangssignals in Figur 2(b) und das elektrische Ausgangssignal von dem Schwellendetektor darstellen, der den Ausgang 3(a) einliest;
• die Figuren 4 und 5 weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen, bei denen ein Halbspiegel als optischer Teiler verwendet wird; und
• Figur 6 ein Diagramm eines abstimmbaren optischen Detektors gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
• In Figur 1 umfaßt der optische Detektor 2 einen konventionellen optischen 50:50 Faserkoppler 4, z.B. hergestellt durch gemeinsames Schmelzziehen eines Paars optischer Fasern, mit einem Eingangsfaserabschnitt 6 und erstem und zweitem Faserausgangsabschnitt 8 und 10. Der optische Faserabschnitt 10 ist länger als der Abschnitt 8. Zwei aufeinander abgestimmte Photodetektoren 12 und 14 sind nicht-gegensinnig zwischen den elektrischen Verbindungen 16 und 18 in Serie geschaltet, über die eine Versorgungsspannung (nicht dargestellt) angelegt werden kann. Ein elektrischer Ausgang 20 ist zwischen den Photodetektoren 12 und 14 angeklemmt.
• Die Enden der Faserabschnitte 8 und 10 sind äquidistant von den Photodetektoren 12 und 14 angeordnet, an die sie jeweils gekoppelt sind.
• Ein digitales optisches Signal kann in den Faserabschnitt 6 durch eine beliebige geeignete Technik eingekoppelt werden, z.B. durch Spleißen des Abschnitts 6 mit einer Kommunikationsfaser, in welcher sich das optische Signal fortpflanzt. Das ankommende optische Signal wird in zwei gleiche Intensitätsteile aufgespalten, welche sich entlang der jeweiligen Faserabschnitte 8 und 10 fortpflanzen, bis sie auf die Photodetektoren 12 und 14 auftreffen. Die Photodetektoren 12 und 14 erzeugen ein elektrisches Signal am Ausgang 20, das proportional zur Differenz der Intensitäten der zwei optischen Signale bei den Photodetektoren ist.
• Es wird jetzt ein optisches digitales Signal betrachtet, dessen Bitrate so groß ist, daß die Verzögerung des Signalteils aufgrund der größeren Länge des Faserabschnitts 10 gegenüber dem Signalteil, das sich entlang der Faser 8 ausbreitet, dazu führt, daß der Detektor 14 das Signal mit einer Verzögerung von 1 Bit gegenüber dem Signal, das vom Photodetektor 12 empfangen wird, empfängt. Wenn man zum Beispiel annimmt, daß das empfangene optische Signal das digitale Signal in Figur 2(a) ist, so werden die Signalteile, die durch die Photodetektoren 13 und 14 erfaßt werden, die sein, wie sie in Figur 2(b) und 2(c) jeweils dargestellt sind. Der elektrische Ausgangsstrom vom Ausgang 20 wird dann wie in Figur 2(d) beschrieben sein, d.h. der Ausgang wird der Dicode des optischen Eingangssignals 2(a) sein.
• In den Figuren 3(a) und 3(b) ist die Wiederherstellung der elektrischen Äquivalenz zum originalen Datensignal dargestellt. Insbesondere stellt Figur 3(a) den Ausgang des integrierenden Verstärkers mit hoher Eingangsimpedanz (nicht dargestellt) für ein Eingangssignal 2(d) mit einem Mittenpegel von 0 Volt dar. Das Signal gleichförmiger Amplitude kann nachfolgend als Binärsignal mittels Schwellendetektor (nicht dargestellt) wiederhergestellt werden
• In den Figuren 4 und 5 sind weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei jede einen Halbspiegel 22 verwendet, um zwei Signalteile 24 und 26 gleicher Intensität aus einem optischen Eingangssignal 28 zu erzeugen, wobei der Teil 24 gegenüber dem Teil 26 weiter über den Vollspiegel 28 läuft, bis er den entsprechenden Photodetektor 12 erreicht, und somit seine Erfassung gegenüber diesem verzögert wird. Das optische Eingangssignal ist bei dieser Ausführungsform der Ausgang einer Kommunikationsfaser 30, aufgesammelt durch eine Linse 32. Die Linsen 31 fokussieren die beiden Teile des Lichts vom Strahlteiler 22 auf die Photodetektoren 12 und 14. Die Ausführungsform in Figur 5 ist dieselbe wie in Figur 4, außer daß auf den Spiegel 28 verzichtet wurde, wobei der Photodetektor so angeordnet ist, daß er den Teil 24 direkt vom Halbspiegel 22 auffängt und zwar weiter von diesem entfernt als der Photodetektor 14, um die erforderliche relative Verzögerung bei der Detektion der Signalteile 24 und 26 zu bekommen.
• Es versteht sich, daß jede Vorrichtung für das Teilen des ankommenden optischen Signals in zwei Teile und die relative Verzögerung gegenüber einander bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
• Wenn die Datenrate des zu erfassenden optischen Signals bekannt ist und fest ist, so kann ein optischer Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung feste optische Teiler und Photodetektoren haben, um die entsprechende Verzögerung bei den Signalteilen zu erzielen. Wenn die Datenrate nicht bekannt ist oder variabel ist, kann der Photodetektor abstimmbar auf die Datenrate gemacht werden durch Vorrichtungen für die Änderung der unterschiedlichen optischen Weglänge zwischen dem optischen Teiler und jeder Photodiode. Ein Beispiel eines solchen abstimmbaren optischen Detektors gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Figur 6 dargestellt. Dieser ähnelt dem Aufbau in Figur 1, wobei dieselben Elemente gleich bezeichnet sind, wobei aber die Faser 10 in bezug auf die Sammellinse 32 mittels beweglichem Träger 34 fixiert ist. Das gesammelte Licht von der Faser 10 wird auf den Photodetektor 14 mit einer Linse 36 fokussiert. Die Faser 10 und die Linse 32 regeln bei Bewegung gegenüber dem Photodetektor 14 und der Linse 36 die optische Weglänge vom Koppler 4 zu dem Photodetektor 14, wodurch sich eine gewisse Abstimmbarkeit ergibt. Selbstverständlich können alternative Vorrichtungen für eine variable Verzögerung angewendet werden, durch die die Intensität des Lichts nicht wesentlich geändert wird, das auf den dazugehörigen Photodetektor trifft, z.B. geschaltete optische Verzögerungen aus Lithiumniobat- Substrat.
• Es kann von Vorteil sein, die relative Verzögerung zwischen Ankunft der Signalteile an ihren dazugehörigen Photodetektoren so einzurichten, daß sie größer als 1 Bit sind, so daß trapezförmige Pulse bei Erfassen von rechteckigen optischen Eingangspulsen ausgegeben werden, wenn dies bei der Diskriminierung von Nutzen ist.

Claims (9)

1. Optischer Detektor der umfaßt: zwei Photodetektoren (12, 14), die in gleicher Richtung in Reihe geschaltet sind, so daß ein elektrisches Ausgangssignal (20) an der Verbindung der zwei Photodetektoren erzeugt wird, einen optischen Verteiler (4, 22) für das Aufteilen eines empfangenen optischen Signals in zwei Teile, so daß jedes Teilsignal auf einen assoziierten Photodetektor trifft, gekennzeichnet durch eine Verzögerungsstrecke zwischen dem optischen Verteiler und den Photodetektoren, welche dafür sorgt, daß ein Teilsignal gegenüber dem anderen an dem Photodetektor verzögert ankommt.

2. Optischer Detektor nach Anspruch 1, bei welchem der optische Verteiler einen optischen Faserkoppler mit zwei Ausgangsfasern (8, 10) umfaßt, wobei eine länger als die andere ist.

3. Optischer Detektor nach Anspruch 1, bei welchem der optische Verteiler einen optischen Strahlteiler (22) umfaßt.

4. Optischer Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Verzögerung eines Teilsignals gegenüber dem anderen eingestellt werden kann.

5. Optischer Detektor nach Anspruch 1, bei welchem der Abstand einer Ausgangsfaser zu dem assoziierten Photodetektor eingestellt werden kann und Collimatorvorrichtungen (32) für das Collimieren eines Teilsignals, das aus dem Faserabschnitt heraustritt, und Fokussiervorrichtungen (36) für das Fokussieren eines Teilsignals auf den assoziierten Photodetektor (14) vorhanden sind, das durch die Collimatorvorrichtungen gesammelt wurde.

6. Optischer Empfänger, der einen optischen Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfaßt, der elektrisch mit einem Hochimpedanzverstärker verbunden ist.

7. Optischer Empfänger nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Eingangsvorrichtung (6) umfaßt, so daß das besagte optische Signal als digitales optisches Eingangssignal vorliegt, wobei die relative Verzögerung der Teilsignale an den Photodetektoren (12, 14) gleich der Bitdauer des digitalen Signais ist, wodurch ein Dicode-Signal am Ausgang (20) erzeugt wird.

8. Verfahren zum Erfassen eines optischen digitalen Signals, das das optische Aufspalten des optischen Signals in zwei Teilsignale umfaßt und jeden Teil auf den assoziierten unter den beiden Photodetektoren (12, 14) auftreffen läßt, die in gleicher Richtung in Reihe geschaltet sind, so daß ein elektrisches Ausgangssignal (20) an der Verbindung der beiden Photodetektoren erzeugt wird, gekennzeichnet durch Verzögerung eines Teilsignais gegenüber dem anderen nach dem besagten Aufspalten, wodurch ein Teilsignal relativ zum anderen verzögert am Photodetektor ankommt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Verzögerung gleich der Bitrate des optischen Signals ist.