DE2814716C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektro-optischen Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Anordnungen sind besonders geeignet für analoge optische Übertragungssysteme mit Lichtfaserverbindungen. Derartige Systeme verwenden modulierte Lichtquellen, in erster Linie Halbleiter-Leuchtdioden (LED), deren optisches Ausgangssignal über eine Lichtleiterverbindung an einen Empfangsort geleitet wird. Die optische Energie, die ausgangsseitig aus der Lichtleiterfaser austritt, fällt dann auf einen Photoempfänger, normalerweise eine in Sperrichtung vorgespannte PIN-Halbleiterdiode od. dgl., worin elektrische Ladungsträger erzeugt und nachfolgend verstärkt werden, um ein nutzbares Ausgangssignal zu erhalten.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 22 18 431 bekannt; bei ihr wird das elektrische Eingangssignal über einen Operationsverstärker an zwei in Reihe zueinander geschaltete Lumineszenzdioden angelegt.

Das von der ersten Lumineszenzdiode ausgesendete Licht dient dabei als Nutzstrahlung für die optische Übertragung, während das von der anschließenden, zweiten Lumineszenzdiode ausgesendete Licht einem Phototransistor zugeführt wird, dessen Kollektor-Emitter-Strecke mit einem Widerstand in Reihe geschaltet ist, so daß ein Spannungsteiler gebildet wird. Der Mittelabgriff des aus Widerstand und Phototransistor bestehenden Spannungsteilers ist an den anderen Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen.

Bei analogem Übertragungsmodus erhält die nichtlineare Verzerrung jedoch dann eine so große Bedeutung, daß gute Übertragungen über lange Strecken nicht mehr möglich werden, wenn Nichtlinearitäten zweiter und dritter Ordnung auftreten.

Obwohl selbstverständlich auch ein Photoempfänger nicht vollständig linear ist, kann gezeigt werden, daß sein Beitrag zur Signalverzerrung im Vergleich zu der durch die Leuchtdiode hervorgerufenen Verzerrung minimal ist.

Für die Messung der Übertragungseigenschaften von Vierpolen ist es aus dem Lehrbuch "Mikrowellen-Meßtechnik", H. Groll, Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1969, Seite 240, bekannt, eine Schaltung mit einem Signalteiler und zwei parallelen Signalwegen zu verwenden, wobei über den ersten Signalweg eine erste Signalkomponente und über den zweiten Signalweg eine zweite Signalkomponente geführt wird. Dabei ist im ersten Signalweg ein Meßobjekt angeordnet, dessen Dämpfung und Phasenwinkel ermittelt werden soll, während im zweiten Signalweg ein variables Dämpfungsglied sowie ein variabler Phasenschieber vorgesehen ist. Die Signale der beiden Signalwege werden über ein "magisches T", das die momentane Differenz zwischen den Signalen bildet, zusammengeführt und an eine Diode angelegt, deren Anzeigestrom zu Null wird, wenn beide Signalwege die gleiche Dämpfung und die gleiche Phasenverschiebung erzeugen.

Aus der DE-Z Frequenz 25 (1971), 12, Seiten 373-381 (Artikel von R. Dick), ist es bekannt, den Übertragungsfaktor eines Vierpols als Potenzreihe darzustellen.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine elektrooptische Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren optisches Ausgangssignal sich im wesentlichen frei von Verzerrungen linear mit dem elektrischen Eingangssignal ändert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des elektrischen Eingangssignals auf einen ersten und einen zweiten Signalweg, wobei im ersten Signalweg eine optische Übertragungsstrecke mit einem elektrooptischen und einem optoelektrischen Wandler vorgesehen ist, während im zweiten Signalweg eine elektrische Verzögerung angeordnet ist, die die durch die optische Übertragungsstrecke bewirkte Verzögerung im ersten Signalweg aufhebt, wird erreicht, daß der ausgangsseitige elektrooptische Wandler des erfindungsgemäßen optischen Wandlers mit dem Differenzsignal aus den über die beiden Signalwege übertragenen Signale angesteuert werden kann, so daß sein Ausgangssignal die gewünschte lineare Beziehung zum elektrischen Eingangssignal aufweist. Werden dabei für den erfindungsgemäßen optischen Wandler im ersten Signalweg und an seinem Ausgang optische Wandler mit verbesserter Linearität, jedoch mit verschlechtertem Signal-Rauschverhältnis verwendet, so wird die Linearität zwischen dem elektrischen Eingangssignal und dem optischen Ausgangssignal so weit verbessert, daß die Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses außer acht gelassen werden kann, wenn das Signal-Rauschverhältnis am Eingang in einem vernünftigen Bereich liegt. Die Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses beträgt dabei nicht viel mehr als 5 dB.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Wandlers,

Fig. 2 eine Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Schemas,

Fig. 3 die Verwendung eines 180°-Hybrid-Transformers zur Erzeugung des Differenzsignals für zwei phasenabgestimmte Signale zur Anwendung in den Wandlern nach Fig. 1 oder 2,

Fig. 4 einen Differenzverstärker zur Ableitung der Differenz zwischen den beiden Signalen, gefolgt von einem Ansteuergerät und einer Leuchtdiode zur Verwendung in den Wandlern der Fig. 1 und 2,

Fig. 5 die Schaltung zur Vorspannung einer PIN-Fotodiode und den Anschluß eines optischen Empfängers zur Verwendung bei den Wandlern der Fig. 1 und 2 und

Fig. 6 eine Veränderung eines Teils des Schemas nach Fig. 1.

Der optische Wandler nach Fig. 1 umfaßt einen Signalteiler 10, der ein anliegendes Eingangssignal S _in in zwei Signalkomponenten S₁ und S₂ aufspaltet. Das Signal S₁ liegt an einem optischen Ansteuergerät 11 an, das wiederum eine als elektro-optischen Wandler dienende Leuchtdiode (LED) 12 treibt, also die Vorspannung und die Modulation erzeugt, deren optisches Ausgangssignal mit einer als opto-elektrischer Wandler dienenden Fotodiode 13, beispielsweise einer PIN-Fotodiode gekoppelt ist, welche wiederum elektrisch mit einem optischen Empfänger 14 verbunden ist. Das Ausgangssignal des optischen Empfängers 14 wird an den Subtraktionseingang eines Addiergerätes 15 eingegeben, während der addierende Eingang des Addiergerätes 15 das Signal S₂ empfängt, das mittels eines Verzögerungsnetzwerks 16 eine Zeitverzögerung τ erhalten hat. Die Verzögerung τ wird so gewählt, daß sie der Verzögerung gleich ist, die das Signal S₁ vom Eingang des optischen Ansteuergerätes 11 bis zum Ausgang des optischen Empfängers 14 erhält, und zwar damit die Signale S₁ und S₂ am Summationsgerät 15 einen Phasendifferenzwinkel aufweisen, der so nahe wie praktisch möglich bei 0° liegt. Normalerweise beträgt die Größenordnung der Verzögerung τ 10^-9 Sekunden. Das Ausgangssignal des Addiergerätes 15 wird einem optischen Ansteuergerät 17 eingegeben, das gleich ausgelegt ist wie das optische Ansteuergerät 11. Das optische Ansteuergerät 17 steuert eine als zweiten elektro-optischen Wandler dienende, der Leuchtdiode 12 gleiche Leuchtdiode 18 an.

Um die Wirksamkeit der Schaltung einfach auszudrücken, werde nur die Aufhebung der Verzerrungen erster Ordnung betrachtet. Das Signal S₁ wird über das optische Ansteuergerät 11 und die Leuchtdiode 12 in ein äquivalentes optisches Signal (a₁S₁+Δ) gewandelt, wobei a₁ ein elektrooptischer Wandlungsfaktor und Δ der Betrag der durch die Leuchtdiode 12 eingebrachten Verzerrung ist. Das optische Signal (a₁S₁+Δ) wird direkt der PIN-Fotodiode 13 weitergegeben und hier in ein elektrisches Signal gewandelt, das dann durch den optischen Empfänger 14 verstärkt wird. In der Ausführung nach Fig. 1 ist der Gewinn des optischen Empfängers 14 so, daß das originale elektrische Eingangssignal S₁ + eine Störung herauskommt. Damit wird selbstverständlich angenommen, daß keine Verzerrung durch die PIN-Fotodiode 13 und den darauffolgenden optischen Empfänger 14 erzeugt wird. So erhält das Signal S₁ eine Gesamtverstärkung 1 vom Eingang des optischen Ansteuergerätes 11 bis zum Ausgang des optischen Empfängers 14. Wenn der Signalteiler 10 so ausgelegt ist, daß S₂ = 2 S₁, dann ist das Ausgangssignal am Summierer 15:

Die optische Ausgangsleistung S _out der Leuchtdiode 18 beträgt dann:

Selbstverständlich ist kleiner als S₁ und die durch diesen Ausdruck erzeugte Verzerrung kann bei einer Annäherung der ersten Ordnung außer Betracht gelassen werden. Mit anderen Worten wurde das elektrische Signal S₁ in ein optisches Signal S _out gewandelt, das keine Leuchtdiodenverzerrung besitzt.

Eine aufwendigere Analyse zeigt, daß nicht die gesamte Verzerrung voll eliminiert wird. Es sei angenommen, daß die Leuchtdioden- Übertragungsfunktion gegeben ist durch:

S _LED = a₁S + a₂S² + a₃S₃ + a₄S⁴ + . . . ,

wobei S _LED die optische Ausgangsleistung der Leuchtdiode ist und S den elektrischen Signalstrom durch die Leuchtdiode bedeutet. a₁ ist der Wandlungsfaktor der Leuchtdiode; a₂, a₃ etc. sind die Verzerrungsfaktoren der zweiten, dritten etc. Ordnung, und es reicht oftmals aus, nur die Ausdrücke bis a₃ zu betrachten. Wenn die Analyse für die Schaltung nach Fig. 1 mit S₂ = 2 S₁ ausgeführt wird, stellt sich heraus, daß theoretisch keine Verzerrungsprodukte der zweiten Ordnung vorhanden sind. Die Verzerrungsprodukte der dritten Ordnung werden vermindert, wenn

ist.

Der Fachmann erkennt, daß die angeführte Bedingung oftmals zutrifft. Verzerrungsprodukte noch höherer Ordnung sind vernachlässigbar und werden nicht betrachtet.

Anhand von Fig. 2 wird ein allgemeinerer Fall als der eben behandelte betrachtet. Im Signalweg des Signals S₂ ist ein Verstärker 19 mit einem Verstärkungs- (oder Verlust-)Faktor

eingefügt. Zusätzlich wird angenommen, daß der Weg des Signals S₁ einen allgemeinen Verstärkungs- (oder Verlust-)Faktor von G aufweist. Wenn man zunächst annimmt, daß G=1 ist, dann ergibt sich für K=1 wiederum der Fall nach Fig. 1, d. h. der Ausgleich der Verzerrungen zweiter Ordnung. Um auch die Verzerrungen dritter Ordnung auszugleichen, sollte K einen von 1 verschiedenen Wert annehmen, nämlich K sollte der kubischen Gleichung

genügen. Eine solche Gleichung hat immer eine reelle Wurzel und diese ist der erforderliche Wert für K. In der Praxis ergibt ein Abgleich der Verstärkung des Verstärkers 19 eine Möglichkeit, eine optimale Einstellung zu erhalten. Man kann einen Punkt wählen, der zwischen der vollen Beseitigung entweder der Verzerrungsprodukte der zweiten oder der dritten Ordnung liegt.

Ein weiterer, noch allgemeinerer Fall ergibt sich, wenn G von 1 verschieden ist; in diesem Fall kann gezeigt werden, daß für Ausgleich der Verzerrungen der zweiten Ordnung K wie folgt sein muß:

K = 2 G - 1 .

Das bedeutet, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 19

sein muß. Wiederum kann durch Verändern von K die Beseitigung der Verzerrungen der dritten statt der der zweiten Ordnung erreicht werden.

Ob man sich nun für Ausgleich der Verzerrungen zweiter oder dritter Ordnung entscheidet; es ist zu erkennen, daß sich bei den meisten Verzerrungsprodukten eine allgemeine Abnahme ergibt. Die Verbesserung wird mit ansteigender Ordnung des Verzerrungsproduktes immer weniger hervortretend.

Vor der Beschreibung anderer untergeordneter Einzelheiten sollte erwähnt werden, daß eine Verminderung der zweiten harmonischen Verzerrungen um etwa 25 dB und der dritten harmonischen Verzerrungen um etwa 15 dB bei einer Messung einer Ausführung nach Fig. 1 erreicht wurde. Diese Verbesserung wurde bei Grundfrequenzen von einigen kHz bis zu einigen MHz erreicht. Die verwendeten Komponenten waren normale handelsübliche Teile. Beispielsweise wurde für das Addiergerät 15 ein 180°- Hybridtransformer nach Fig. 3 verwendet. Da die Eingangssignale E₁ und E₂ (S₁ und S₂ nach Fig. 1) in Phase liegen, erzeugt der 180°- Hybridtransformer die Differenz. Ein solcher Hybridtransformer wird durch die Firma Anzac unter der Bezeichnung HH 108 für den Bereich von 0,2 bis 35 MHz geliefert.

Eine andere Alternative zur Anordnung nach Fig. 3 wird in Fig. 4 gezeigt. Hier wird ein Differenzverstärker 20 verwendet. Derartige Geräte sind auf dem Gebiet der Signalverarbeitung gebräuchlich. Der Differenzverstärker 20 steuert dann direkt ein optisches Ansteuergerät 21 an. Ein ausgezeichnetes optisches Ansteuergerät, das für derartige Anwendungen brauchbar ist, wurde in der Veröffentlichung von James C. Blackburn in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurements, 1975, Seiten 230-232, in Fig. 4 auf Seite 231, unter dem Titel "A 120 MHz Bandwidth Linear Signal Transmission System Using Fiber Optics", beschrieben. Für manche Anwendungen können selbstverständlich auch andere, weniger aufwenige Verstärker genügen. Ein optisches Ansteuergerät 17 ergibt direkt die Vorspannung und die Modulation für die Leuchtdiode 18. Als optischer Empfänger ist eine Anordnung nach Fig. 5 oft sehr nützlich. In Fig. 5 wird ein Vorspannungswiderstand R verwendet, dessen Wert normalerweise so ausgewählt wird, daß das Rauschverhalten des Folgeverstärkers 22 optimiert wird. Ein geeigneter einfacher Verstärker wird von Texas Instruments unter der Bezeichnung XL 152 verkauft. Andererseits wird eine integrale Fotodioden-Verstärkeranordnung von RCA als Teil Nr. C 30818/819 geliefert und ist für Analoganwendungen bis zu einigen MHz besonders geeignet.

Fig. 6 zeigt noch eine weitere Anordnung, mit der das gleiche Ergebnis der Verzerrungsreduzierung erreicht wird. Bei dieser Anordnung wird der Weg des Signals S₂ in zwei Wege mit gleichen Signalleistungen aufgeteilt. Der zusätzliche Weg wird durch das Verzögerungsnetzwerk 27 so verzögert, daß beide Signale, die am End-Additionskreis 26 ankommen, in Phase sind. Der Hauptweg vom Verzögerungsnetzwerk 16 geht durch einen Verstärker/Abschwächer, um sicherzustellen, daß die Signale, die am ersten Summationskreis 24 ankommen, von der gleichen Größe sind. Das Ausgangssignal 24 wird dann durch einen Verstärker 25 einem Addierkreis 26 weitergegeben, dessen Ausgangssignal das letzte optische Ansteuergerät treibt. Für K = 1 werden Verzerrungsprodukte der zweiten Ordnung wie nach der Schaltung in Fig. 1 ausgeglichen, jedoch werden für

die Verzerrungsprodukte der dritten Ordnung ausgeglichen und die Verzerrungsprodukte der zweiten Ordnung verringert, wenn

Die angeführte Bedingung gilt immer generell. Wiederum kann man auswählen, ob man die Verzerrungen zweiter oder dritter Ordnung vollständig verschwinden lassen will, indem man K auf einen Zwischenwert, vorzugsweise durch praktische Erprobung, einstellt.

Claims (5)

1. Elektro-optische Schaltungsanordnung zum Schaffen einer linearen Beziehung zwischen einem elektrischen Eingangssignal und einem optischen Ausgangssignal, gekennzeichnet durch

• - einen Signalteiler (10) zum Aufteilen des elektrischen Eingangssignals S _(in) in eine erste Komponente S₁ für einen ersten Signalweg und in eine zweite Komponente S₂ für einen zweiten Signalweg,
• - einen im ersten Signalweg vorgesehenen elektro-optischen Wandler (12), der mit einem opto-elektrischen Wandler (13) gekuppelt ist,
• - einer im zweiten Signalweg angeordneten, vorgegebenen elektrischen Verzögerung (16), die im wesentlichen gleich der Gesamtverzögerung des ersten Signalwegs ist,
• - Einrichtungen (15) zum Bilden des momentanen Differenzsignals aus den Signalen an den Enden der beiden Signalwege sowie
• - einen zweiten elektro-optischen Wandler (18) zur Umwandlung des momentanen Differenzsignals in ein optisches Ausgangssignal, dessen elektro-optische Übertragungscharakteristiken denen des ersten elektro-optischen Wandlers (12) gleichen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite elektro- optische Wandler Halbleiter-Leuchtdioden sind, und daß der opto-elektrische Wandler eine Halbleiter-Fotodiode ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Signalweg eine Einrichtung zur Einstellung der Signalleistung aufweist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komponente S₁ des Eingangssignals die Hälfte der Leistung aufweist, die in der zweiten Komponente S₂ enthalten ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale am Ende des ersten und des zweiten Signalweges Signalleistungen im Verhältnis von enthalten, wobei G das Verhältnis der Leistung am Ende des ersten Signalweges zu der Leistung am Anfang dieses Weges und K eine vorbestimmte reelle Zahl ist.