NO902480L - Optisk mottaker. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører optiske mottagere som blir benyttet i optiske fibertelekommunikasjonssystemer.

De tre basiskomponenter som inngår i ethvert optisk fiberkommunikasjonsbasert system er følgende: i. en sender som omformer et elektrisk signal som skal utsendes til en optisk form, ii. den optiske fiber som virker som en bølgeleder for det utsendte optiske signal, og iii. den optiske mottager som først detekterer det optiske signal som er utsendt, og omformer dette til elektrisk form.

En typisk optisk mottager omfatter en fotodetektor, f.eks. en reversert forspent "avalanche"-fotodiode (APD) eller PIN diode, som er koblet på tvers av inngangene til en høyim-pedansforsterker, vanligvis en transimpedansforsterker. En tilbakekoblingskrets fra forsterkerutgangen blir vanligvis benyttet for å fremskaffe automatisk forsterkningsstyring av den forspenning som påtrykkes fotodetektoren.

Ved praktiske optiske mottagere har man å gjøre med meget store variasjoner med hensyn til signalstyrker. Når der detekteres sterke optiske signaler, vil disse vanligvis føre til overbelastning av den fremre forsterker. Området mellom maksimal følsomhet og minimal overbelastning hos en optisk mottager blir kalt det dynamiske område for mottagere.

Den foreliggende oppfinnelse har til formål å fremskaffe organer til å øke det dynamiske område for en optisk mottager ved å fjerne overbelastningskriteriene innen operasjonsområdet uten å påvirke mottagerens følsomhet.

Inspeksjon av den tidsgjennomsnittlige fotolikestrøm som genereres fra det mottatte optiske signal, viser at der foreligger et lineært forhold. Imidlertid, når den optiske effekt som blir mottatt, uttrykkkes i dBm i forhold til den genererte fotostrøm, får man en eksponensiell kurve, slik

dette fremgår av figur 1.

Denne kurve utgjør et fundament med hensyn til å forstå overbelastningsproblemet, fordi den klart indikerer den art av strømvariasjon som den fremre forsterker har å gjøre med ved inngangen.

Inspeksjon av karakteristikkene hos en halvlederdiode viser at for den foroverrettede basisstrømvariasjon gjennom dioden relatert til den spenning som utvikler seg over dioden, innebærer også dette ikke-linearitet og følger en eksponensiell form, slik dette er vist på figur 2.

I henhold til oppfinnelsen er der skaffet en optisk mottager med en reversert forspent fotodetektor som innbefatter en spenningsavhengig impedans innrettet til å shunte fotodetek-torens fotostrøm som reaksjon på økende spenningsfall i fotodetektorforspenningen.

Utførelsesformer for oppfinnelsen vil nå bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegningsfigurer. Figur 1 viser forholdet mellom fotostrøm og optisk effekt i en halvlederfotodetektor. Figur 2 viser forholdet mellom foroverrettet forspen-ningsstrøm relatert til spenning over en halvlederdiode.Figurene 3a og 3b viser alternative arrangementer for plassering av en halvlederdiode i serie med en halvlederfotodetektor i en optisk mottager.

Firurene 4a og 4b viser modifikasjoner av arrangementene ifølge figurene 3a og 3b med en motstand i parallell med dioden. Figur 5 viser relasjonen mellom overgangskapasitansen og den reverserte forspenning for en "Schottky" halvlederdiode. Figur 6 er et skjematisk kretsdiagram over en optisk mottager. Figur 7 er et skjematisk kretsdiagram over en alternativ optisk mottager.

Oppfinnelsen skaffer hovedsakelig en løsning på overbelastningsproblemet fordi man ved plassering av en diode DQi serie med fotodioden D3slik dette er vist på figurene 3a og 3b, og ved påtrykning av korrekt forspenning, vil fremskaffe en fotostrøm som kan følge en eksponensiell variasjon.

Plasseringen av en motstand R^. i parallell med dioden D0, slik dette fremgår av figur 4, muliggjør styring av forspenningen av dioden DQ, fordi den fotostrøm som genereres av fotodioden D^krever en forspenningsstrøm gjennom motstanden R^. og dioden DQ.

Ved meget lave lysnivåer vil fotostrømmen som genereres være meget liten, av størrelsesorden jjA. På dette stadium eller nivå vil forspenningsstrømmen bli tilført gjennom motstanden R±, men etterhvert som lysnivået øker vil forspenningsstrøm-men 1^som strømmer gjennom R^føre til et spenningsfall over denne.

Slik det fremgår av figur 2 kan man her se at dette spenningsfall virker som en forspenning V^over dioden DQsom deretter gradvis slår på dioden i henhold til det tidsgjennomsnittlige nivå av det optiske signal.

En annen fordel med denne motstand er at ved tilstand for følsomhet vil hoveddelen av forspenningsstrømmen til fotodioden D^bli tilført gjennom motstanden R^. Dette minimerer støybidraget fra dioden DQog også overgangskapasitansenC^som påvirker AC komponenten hos signalet.

Så langt har man bare tatt i betraktning den tidsgjennomsnittlige DC virkning på det optiske signal. Imidlertid foreligger der også en AC komponent som øker med det økte optiske signalnivå og fører til overbelastning av den fremre forsterker.

Følgelig bør der også foreligge an praktisk løsning som innbefatter organer som begrenser det maksimale AC signalnivå ved inngangen til den fremre forsterker. Imidlertid, denne løsning bør ikke påvirke AC signalet ved meget lave signalnivåer. Fra hva som er nevnt tidligere kan man forstå at den maksimale følsomhet blir oppnådd når der opptrer minimal belastning av fotodioden.

For således å skaffe følsomhet så langt som dette vedrører fotodioden, må dioden DQrepresentere en meget høy impedans. For AC signaler innebærer dette at dioden D0må ha en meget liten "device"-kapasitans. Denne faktor blir mer kritisk hva angår mottagerfølsomhet etterhvert som operasjonsfrekvensen økes.

Inspeksjon av halvlederdioder tilkjennegir at "Schottky" dioder gir lave overgangskapasitanser når de forspennes reversert eller ved null forspenning, hvilket innebærer at en "Schottky" diode kan benyttes. Det er funnet at med foroverforspenning hos dioden vil kapasitansen hos dioden øke eksponensielt, slik dette fremgår av figur 5. Det er nøyaktig hva som kreves, fordi ettersom det fotoelektriske signals amplitude generert ved dioden øker, er det nødvendig å dirigere noe av AC signalet vekk fra den fremre forsterker. Dioden D0kan også fremskaffe en slik bane. En jordet kondensator forbundet med den annen ende av dioden skaffer en AC forbikoblingsbane til jord, slik at den impedans som foreligger like overfor AC signalet for fotodioden bare innebærer det som har med den dynamiske impedans for dioden D0å gjøre ved dette operasjonspunkt.

I diagrammet på figur 6 er en fotodetektor D^forbundet over inngangene til en mottagers fremre endeforsterker Ar. En tilbakekoblingskrets fra forsterkeren innbefatter en signalnivådetektor S^ som skaffer et forsterkningsstyresig-nal til en forspenningskrets Ev. Forspenningen Vspåtrykkes fotodetektoren via motstanden R^ Fotodetektoren D^blir forbikoblet eller shuntet ved hjelp av dioden DQi serie med kondensatoren C og motstanden Rc. Dioden DQer forbundet med forspenningskilden gjennom motstanden Rs og dioden Ds.

Ved lave lysnivåer vil den fotostrøm Ip som genereres av fotodetektoren D^være meget liten, og derfor vil den forspenningsstrøm 1^som er nødvendig for å strømme gjennom R^og D3også være ganske liten. Ved dette trinn vil mesteparten av forspenningsstrømmen bli tilført gjennom Rlfog der foreligger bare meget liten strømvandring gjennom D0, idet impedansen hos DQer meget høy. Ettersom det optiske signalnivå som påtrykkes D^øker, vil også motorstrømmen lp øke. Dette fører til at en større strøm 1^strømmer gjennom Ri, hvilket bevirker at spenningen V^over R^vil øke. Ettersom V^vil få en verdi som går mot Vs(spenningen over Ds og Rs) pluss Vf (spenningen over DQ), så vil dioden DQgradvis bli slått på. Når V^= Vf vil dioden DQbli forover-forspent, og strømmen I<jgjennom Ds og Rs begynner å bli den dominerende forspenningsstrømtilførsel for fotodetektoren D(j. På dette trinn vil impedansen hos DQbli senket, og noe av den fotostrøm som genereres av D^blir forbikoblet via kondensatoren C og motstanden Rctil jord, hvilket således begrenser amplituden hos inngangssignalet som påtrykkes forsterkeren Ar. Reduksjonen i impedansen skyldes den ikke-lineære oppførsel hos dioden D0. Generelt blir der valgt en "Schottky" innretning for den lave overgangskapasitans, lave lekkasje og en passende variasjon av den dynamiske impedans i forhold til strøm. Kretsen har en innebygget tilbakekob-lingsstyring, hvorved man med øket signalnivå vil ha forspenningen D^til å forbli lik Vs+ Vf, hvilket derved styrer forspenningsstrømløpet gjennom DQog også dennes impedans vedrørende signalstrømmen.

Det skal forstås at kretsen på figur 6 ville fremdeles kunne virke dersom ble fjernet. Følsomheten blir noe redusert, men fordi strømmen gjennom DD er meget liten, vil den fremdeles representere en høy impedans relatert til fotodetektorstrømmen.

Der foreligger to hovedgrunner for overbelastning av mottageren. Den første grunn er mangel på tilstrekkelig forspenningsstrøm som påtrykkes fotodetektoren ved lette eller svake optiske signalnivåer. Den annen grunn går ut på at den fremre forsterker Ar blir mettet ved et stort inngangssignalnivå. Dersom den annen grunn ikke utgjør et begrensende kriterium, kan kondensatoren C fjernes.

Prinsippet med hensyn til drift ifølge oppfinnelsen er forklart ved hjelp av et eksempel under bruk av den spesielle krets ifølge figur 6. Imidlertid skal det forstås at der foreligger andre kretsarrangementer som vil være innlysende for fagfolk på dette område, og som vil fremskaffe de samme resultater. F. eks. kan den spenningsavhengige impedans som er eksemplifisert ved hjelp av dioden D0på figur 6, kunne implementeres istedet for en transistor og styres ved hjelp av et signal fra signalnivådetektoren.

Ved den alternative krets vist på figur 7 er fotodetektoren D(3forbundet i én balansert konfigurasjon for forsterkeren Ar, idet den fikserte forspenning blir påtrykket via R^ og R12'Shunting eller forbikobling av fotostrømmen blir nå utført via spenningsavhengige dioder D0iog.DQ2for å fremskaffe begge polariteter hos signalstrøm. Det skal forstås at i praksis brukes der seriekoblinger av diodepar for å redusere kapasitansvirkningene. Dioden D^i den fikserte forspenningstilførsel skaffer dynamisk impedans som øker følsomheten hos fotodetektoren. Dioden Ds]_ er innlemmet for å kompensere for endringer i Di på grunn av temperatur-fluktuasjoner. Diodene Ds^og DS2utgjør svitsjedioder. Den foroverrettede forspenning Vf hos Ds±og Ds2styrer det

punkt ved hvilket overbelastningsdiodene blir slått på.

Claims (6)

1. Optisk mottager med en reversert forspent fotodetektor, karakterisert ved at en spenningsavhengig impedans er innrettet til å forbikoble AC fotodetektor fotostrømmen som reaksjon på økende optisk signalnivå, og for å fremskaffe forspenning for fotodetektoren.

2. Mottager som angitt i krav 1, karakterisert ved at den spenningsavhengige impedans som forbikobler motordetektoren omfatter en diode i serie med en kapasitans, idet mottageren omfatter organer for foroverrettet forspenning av forbikoblingsdioden som reaksjon på økende optisk signalnivå.

3. Mottager som angitt i krav 1, karakterisert ved at den spenningsavhengige impedans som forbikobler fotodetektoren omfatter første og andre dioder som er forbundet i balansert konfigurasjon med hensyn til fotodetektoren, idet de første og andre dioder forbikobler fotodetektorstrømmen via en kapasitans, samtidig som mottageren innbefatter organer for foroverrettet forspenning av henholdsvis de første og andre dioder avhengig av responsen med hensyn til økende optisk signalnivå.

Mottager som angitt i krav 1, karakterisert ved at den spenningsavhengige impedans utgjøres av en transistorimpedans som styres av utsignalet fra en signalnivådetektor.

5. En optisk fotodetektor, karakterisert ved at en integrert spen-ningsavhenig impedans er forbundet elektrisk i serie med denne.

6. Optisk fotodetektor som angitt i krav 5, karakterisert ved at den integrerte