DE3808892C2 - Verstärker für Licht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker für Licht mit gleichen Amplituden der Ausgangsimpulse, wie er z. B. in der optischen Nachrichtenübertragung in Repeatern verwendet wird.

Bei der Übertragung von Daten über Lichtleitfasern werden die Lichtimpulse nicht nur infolge von Dispersion verformt, sondern es sinkt infolge von Dämpfung auch ihr Signalpegel. Bei Übertragung über große Strecken sind daher Zwischenverstärker (Repeater) vorzusehen, die die eintreffenden Impulse auf einen einheitlichen Pegel an heben und die Impulsverformung rückgängig machen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darauf, eintreffende Lichtpulse unterschiedlicher Amplitude (Intensität) in eine Folge von Ausgangsimpulsen gleicher Amplitude (Intensität) umzuwandeln.

Ein optischer Repeater für ein Nachrichtenübertragungssystem ist z. B. aus der DE-OS 22 48 372 bekannt. Der Zwischenverstärker ist ein Laserverstärker (optischer Verstärker) mit einem dotierten Halbleiterkristall als aktives Medium, in dem Lichtsignale verstärkt werden. Zum Zeitpunkt des Eintreffens von Lichtimpulsen am optischen Verstärker wird der optische Verstärker impulsförmig gepumpt. Mit einem solchen optischen Verstärker kann eine höhere Spitzenleistung erreicht werden.

Aus R. J. Mears et al., "Low-Noise Erbium-Doped Fibre Amplifier Operating at 1.54 µm", Eledronics Leffers, 10. Sept. 1987, Vol. 23, No. 19, Seiten 1026 bis 1028, sind drei Konzepte für optische Repeater bekannt, nämlich Halbleiterlaserverstärker, Raman Verstärker und optisch gepumpte faseroptische Verstärker. In einem experimentellen Aufbau (Fig. 1) wird einer Er³⁺-dotierten Faser Signallicht (1,54 µm) und voll einem Farbstofflaser emittiertes Pumplicht zugeführt. In der Fig. 2 ist die Verstärkung des optisch gepumpten faseroptischen Verstärkers als Funktion der Pumplichtwellen­ länge und der Pumplichtleistung gezeigt.

Eine weitere bekannte Lösung zur Erzeugung optischer Ausgangsimpulse gleicher Amplitude ist aus EP-A2-0 226 801 bekannt. In diesem optischen Repeater sind ein optischer Transceiver mit einer Empfangsphotodiode und einer Sendediode und eine Stromversorgungseinrichtung vorhanden. Die Stromversorgungseinrichtung ist zwischen den optischen Transceiver und eine Stromleitung geschaltet, die Teil der Übertragungsstrecke ist.

Ein solcher optischer Repeater arbeitet wie folgt:
Am Eingang eines für diesen Zweck vorgesehenen Repeaters befindet sich ein Wandler, der die über eine Lichtleitfaser eintreffenden optischen Impulse in elektrische Impulse umwandelt. Diesem Wandler ist eine elektronische Verstärkungseinrichtung nachgeschaltet, die die so gewonnenen elektrischen Impulse verstärkt. Der Ausgang des elektronischen Verstärkers ist wiederum mit einem Wandler, z. B. einem Halbleiter-Laser verbunden, der die elektrischen Impulse in Lichtimpulse zurückverwandelt. Die von diesem Wandler abgegebenen Impulse werden dann auf gleiche Amplitude geregelt.

Die bekannten Lösungen haben den Nachteil, daß sie durch die Umwandlung "Lichtimpulse - elektrische Impulse - Lichtimpulse" einen großen Schaltungsaufwand erfordern. Außerdem ist die Verstärkung elektrischer Impulse im Gigabitbereich nicht einfach zu handhaben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen schaltungstechnisch einfachen und bei hohen Übertragungsraten sicher zu handhabenden Verstärker oder Repeater anzugeben, mit dem optische Eingangspulse unterschiedlicher Amplitude in optische Ausgangspulse gleicher Amplitude umgewandelt werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit der Merkmalskombination des Hauptanspruches. Die Unteransprüche enthalten Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß sich wegen der direkten optischen Verstärkung der Schaltungsaufwand verringert. Auch sind hohe Übertragungsraten bei direkter optischer Verstärkung sicherer zu handhaben als über den Umweg der elektronischen Verstärkung. Ein weiterer Vorteil ist in der einfachen Art der Steuerung oder Regelung der Verstärkung des optischen Verstärkers zu sehen, die durch eine elektrische Parallelschaltung von optischem Verstärker und photoelektrischem Wandler erreicht wird.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2a bis 2c Schattungsbeispiele.

In Fig. 1 ist mit 10 ein steuerndes Element gekennzeichnet, bei dem es sich um einen Photoleiter, eine Photodiode, einen Phototransistor oder die Zusammenschaltung aus Photodiode oder einem Transistor handeln kann. Mit 11 ist ein optischer Verstärker bezeichnet, mit 12 ein teilreflektierender Spiegel und mit 13 ein Spiegel. 14 kennzeichnet die Stromzufuhr zum steuernden Element 10 sowie zum optischen Verstärker 11. 15 und 16 kennzeichnen Signalverläufe, auf die im folgenden noch näher eingegangen wird. Ein mit A bezeichneter Lichtstrahl gelangt auf den teilreflektierenden Spiegel 12, von dem er in die beiden Teilstrahlen B und C zerlegt wird. Der optische Weg C mit Spiegel 13 kann z. B. auch als Glasfaser oder als Wellenleiter ausgebildet sein. Der Teil C gelangt über den Spiegel 13 auf das steuernde Element C, der Teil B auf den Eingang des optischen Verstärkers 11. Der Lichtstrahl A besteht aus Lichtimpulsen unterschiedlicher Amplitude. Dasselbe gilt für die beiden Strahlen B und C. Die maximal mögliche Intensität des einfallenden Lichtstrahles A sei P_E. Aufgrund der Faserdämpfung haben nicht alle einfallenden Lichtimpulse dieselbe Intensität. Für die Intensität der einzelnen Lichtpulse bei A gilt allgemein y × P_E, wobei der Zusammenhang 0 kleiner Y kleiner 1 besteht. Wenn der teilreflektierende Spiegel die Reflektivität R hat, gelangt auf den optischen Verstärker 11 die Lichtintensität P₂ = (1-R) · y · P_E. Auf das steuernde Element 10 gelangt die Intensität P₁ = R · y · P_E. Der Zeitverlauf der Intensität des Eingangsstrahles A bzw. der Strahlen B und C ist in Fig. 1 mit 15 bezeichnet. Den Ausgang des optischen Verstärkers 11 verläßt ein mit D bezeichneter Lichtstrahl mit Impulsen gleicher Intensität P_A, in Fig. 1 mit 16 bezeichnet. Im steuernden Element 10 werden proportional zur eintreffenden Lichtintensität P₁ Ladungsträger erzeugt, wodurch sich der Widerstand dieses Elementes ändert. Die Widerstandsänderung hat eine Änderung des Stromes I₁ zur Folge. Da der Gesamtstrom I_E konstant ist, ändert sich also auch der Strom I₂. Ist der optische Verstärker 11 so ausgelegt, daß seine Verstärkung proportional zum Strom I₂ ist, der den Verstärker durchfließt, so läßt sich auf diese Weise eine sehr einfache Verstärkungsregelung in bestimmten Bereichen erreichen. Am Ausgang des optischen Verstärkers 11 steht dann ein Lichtsignal D mit Impulsen gleicher Intensität zur Verfügung. Eine auf den Verstärker folgende Rekonstruktion der Impulsform ist sinnvoll nur möglich, wenn Impulse gleicher Intensität bzw. gleicher Amplitude vorliegen.

Fig. 2 zeigt mehrere Schaltungsbeispiele zur Realisierung der Erfindung. In Fig. 2a ist dem optischen Verstärker 20 ein Photoleiter 21 parallelgeschaltet, in Fig. 2b eine Photodiode 22. In Fig. 2c wird der durch den optischen Verstärker 20 fließende Strom durch einen Transistor 23 gesteuert, dessen Basis mit einer Photodiode 22 verbunden ist. Auch integrierte Anordnungen, bei welchen die Photodiode und der Transistor als Phototransistor ausgebildet sind, sind denkbar. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß nichtlineare Effekte, wie sie bei der einfachen Photoleiter- oder Photodiodenanordnung auftreten, direkt durch den Phototransistor kompensiert werden können. Alle drei gezeigten Ausführungsbeispiele können mit diskreten Bauelementen, aber auch monolithisch integriert auf einem Chip hergestellt werden, beispielsweise mit den Materialien InP, InGaAsP. Durch die integrierte Bauweise läßt sich die Vorrichtung bis hinauf zu sehr großen Datenübertragungsraten verwenden. Zur Regelung der Verstärkung des optischen Verstärkers 20 sind die Arbeitspunkte des Photoleiters 21 oder der Photodiode 22 oder der Kombination aus Photodiode 22 und Transistor 23 entsprechend einzustellen. Eine Ableitung der dazu erforderlichen Linearisierung der Kennlinien der einzelnen Bauelemente wird hier nicht vorgenommen, da sie nicht Gegenstand der Erfindung ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Umwandlung von optischen Eingangspulsen variabler Amplitude in verstärkte optische Ausgangspulse gleicher Amplitude mit einem in seiner Verstärkung steuerbaren Verstärker und einem die Verstärkung steuernden Element, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker und das steuernde Element elektrisch parallel geschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein optischer Verstärker ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Verstärker und dem steuernden Element bestehende Parallelschaltung von einem konstanten Strom I_E durchflossen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom I₁ des Stromes I_E das steuernde Element und ein Teilstrom I₂ des Stromes I_E den Verstärker durchfließt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der das steuernde Element durchfließende Strom I₁ von der Amplitude der optischen Eingangspulse abhängt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des optischen Verstärkers durch den durch ihn fließenden Strom I₂ gesteuert wird.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das steuernde Element ein Photoleiter ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das steuernde Element eine Photodiode ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das steuernde Element eine Kombination aus einem Transistor und einer Photodiode oder ein integrierter Phototransistor ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in Repeatern bei der optischen Nachrichtenübertragung.