DE69018516T2

DE69018516T2 - Optische Empfänger.

Info

Publication number: DE69018516T2
Application number: DE69018516T
Authority: DE
Inventors: Fazlollah Roohizadegan Jahromi
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1989-06-09
Filing date: 1990-05-31
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2010-06-01
Also published as: GB8913306D0; DE69018516D1; EP0402044B1; PT94217A; JPH03101428A; EP0402044A3; US5111324A; NO902480D0; ZA904247B; IE901937A1; IE901937L; EP0402044A2; JP3062543B2; FI902702A0; GB2233525B; ATE121246T1; NO902480L; AU5626490A; GB2233525A; FI902702A7

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf optische Empfänger, wie sie bei faseroptischen Telekommunikationssystemen verwendet werden.
Die drei grundlegenden Bauteile für jedes System auf der Grundlage einer faseroptischen Telekommunikation sind:
i. ein Sender, der ein zu übertragendes elektrisches Signal in ein optisches Format umwandelt,
ii. die Lichtleitfaser, die als Lichtwellenleiter für das übertragene optische Signal wirkt, und
iii. ein optischer Empfänger, der zunächst das übertragene optische Signal detektiert und es dann in ein elektrisches Format umwandelt.
Ein typischer optischer Empfänger umfaßt einen Photodetektor, beispielsweise eine in Sperrichtung vorgespannte Lawinenphotodiode (APD) oder eine PIN-Diode, die längs der Eingänge eines eine hohe Impedanz aufweisenden Verstärkers, möglicherweise eines Transimpedanzverstärkers angeschaltet ist. Ein Gegenkopplungkreis vom Ausgang des Verstärkers wird üblicherweise dazu verwendet, eine automatische Verstärkungsregelung der dem Photodetektor zugeführten Vorspannung zu erzielen.
In der Praxis müssen optische Verstärker große Änderungen der Signalstärken verarbeiten können. Wenn sehr starke optische Signale detektiert werden, führen sie üblicherweise zu einer Übersteuerung des Vorverstärkers. Der Bereich zwischen der maximalen Empfindlichkeit und einer minimalen Übersteuerungsgrenze eines optischen Verstärkers wird als der dynamische Bereich des Empfängers bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Schaffung einer Einrichtung zur Vergrößerung des dynamischen Bereiches eines optischen Verstärkers durch Beseitigen der Übersteuerungskriterien in dem Betriebsbereich ohne Beeinflussung der Empfindlichkeit des Empfängers gerichtet. Es ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 102 174 bereits bekannt, eine Wechselstrom-Nebenschlußeinrichtung am Eingang des Empfängerverstärkers vorzusehen, um einen überschüssigen Wechselstrom nach Erde hin abzuleiten.
Eine Überprüfung des zeitlich gemittelten Photo-Gleichstromes, der aus dem empfangenen optischen Signal erzeugt wird, zeigt, daß eine lineare Beziehung vorliegt. Wenn die empfangene optische Leistung jedoch in dBm bezüglich des erzeugten Photostromes ausgedrückt wird, so wird eine exponentielle Kurve gewonnen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.
Diese Kurve ist grundlegend für das Verständnis des Übersteuerungsproblems, weil sie klar die Art der Stromänderung zeigt, die der Vorverstärker an seinem Eingang vertragen muß.
Eine Überprüfung der Charakteristik einer Halbleiterdiode zeigt, daß die Durchlaßstrom-Änderung durch die Diode bezüglich der längs dieser Diode abfallenden Spannung ebenfalls nichtlinear ist und einer exponentiellen Form folgt, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
Gemäß der Erfindung wird ein optischer Empfänger mit einem in Sperrichtung vorgespannten Photodetektor und mit spannungsabhängigen Impedanzeinrichtungen geschaffen, die eine erste in Serie mit einem Kondensator geschaltete Diode und einen ersten Widerstand einschließen, um einen Nebenschluß für einen Wechselstrom zu bilden, der von dem Photodetektor erzeugt wird, wobei der Empfänger dadurch gekennzeichnet ist, daß er weiterhin eine zweite Diode, die in Serie mit einem zweiten Widerstand und der ersten Diode geschaltet ist, eine Vorstromquelle, die mit der zweiten Diode und über einen dritten Widerstand mit dem Photodetektor verbunden ist, und Einrichtungen zur Vergrößerung der Durchlaßvorspannung der ersten und zweiten Dioden jeweils in Abhängigkeit von einer Vergrößerung des optischen Signalpegels an dem Photodetektor einschließt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden um folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 die Beziehung zwischen dem Photostrom und der optischen Leistung in einem Halbleiter-Photodetektor zeigt,
Fig. 2 die Beziehung zwischen dem Durchlaßstrom bezüglich der Spannung längs einer Halbleiterdiode zeigt,
Fig. 3a und 3b alternative Anordnungen zum Anordnen einer Halbleiterdiode in Serie mit einem Halbleiter-Photodetektor in einem optischen Empfänger zeigen,
Fig. 4a und 4b Modifikationen der Anordnungen nach den Fig. 3a und 3b mit einem Widerstand parallel zur Diode zeigen,
Fig. 5 die Beziehung zwischen der Grenzschichtkapazität und der Sperrspannung einer Schottky-Halbleiterdiode zeigt,
Fig. 6 ein Schaltbild eines optischen Empfängers ist, und
Fit. 7 ein Schaltbild einer abgeänderten Ausführungsform eines optischen Empfängers ist.
Die Erfindung ergibt im wesentlichen eine Lösung für das Übersteuerungsproblem, weil durch die Anordnung einer Diode D&sub0; in Serie mit der Photodiode Dd gemäß den Fig. 3a und 3b und durch Zuführen einer geeigneten Vorspannung die exponentielle Änderung des Photostromes nachgeführt werden kann.
Die Anordnung eines Widerstandes R&sub1; parallel zur Diode D&sub0; gemäß Fig. 4 ermöglicht die Erzielung einer Steuerung der Vorspannung der Diode D&sub0;, weil der durch die Photodiode Dd erzeugte Photostrom einen Vorstrom durch den Widerstand R&sub1; und die Diode D&sub0; erfordert.
Bei sehr niedrigen Lichtpegeln ist der erzeugte Photostrom sehr klein, in der Größenordnung von Mikroampere. In diesem Zustand wird der Vorstrom über den Widerstand R&sub1; geliefert, doch führt bei ansteigendem Lichtpegel der Vorstrom I&sub1;, der durch R&sub1; fließt, zu einem Spannungsabfall längs dieses Widerstandes.
Bei Betrachtung der Fig. 2 ist zu erkennen, daß dieser Spannungsabfall als eine Vorspannung Vb längs der Diode D&sub0; wirkt, die dann graduell die Diode entsprechend dem zeitlich gemittelten Pegel des optischen Signals einschaltet.
Ein weiterer Vorteil dieses Widerstandes besteht darin, daß im empfindlichen Zustand der größte Teil des Vorstromes an die Photodiode Dd über den Widerstand R&sub1; geliefert wird. Hierdurch wird der Rauschbeitrag der Diode D&sub0; verringert, und ebenso wird auch ihre Grenzschichtkapazität Ct verringert, die die Wechselstromkomponente des Signals beeinflußt.
Bisher wurde lediglich der zeitlich gemittelte Gleichstromeffekt des optischen Signals betrachtet. Es ergibt sich jedoch auch eine Wechselspannungskomponente, die mit zunehmendem optischen Signalpegel ansteigt, und die zur Übersteuerung des Vorverstärkers führt.
Daher sollte eine praktische Lösung auch Einrichtungen zur Begrenzung des maximalen Wechselstromsignalpegels am Eingang des Vorverstärekrs einschließen. Die Lösung sollte jedoch das Wechselstromsignal bei sehr niedrigen Signalpegeln nicht beeinflussen. Aus den vorstehenden Ausführungen ist zu erkennen, daß eine maximale Empfindlichkeit erzielt wird, wenn eine minimale Belastung der Photodiode erfolgt.
Um eine Empfindlichkeit hinsichtlich der Photodiode zu erzielen, muß die Diode D&sub0; eine sehr hohe Impedanz darstellen. Dies bedeutet für Wechselspannungssignale, daß die Diode D&sub0; eine sehr kleine Bauteilkapazität aufweisen muß. Dieser Faktor wird um so kritischer für die Empfindlichkeit des Empfängers, wenn die Betriebsfrequenz vergrößert wird.
Eine Überprüfung von Halbleiterdioden zeigt, daß Schottky-Dioden sehr niedrige Grenzschichtkapazitäten aufweisen, wenn sie in Sperrichtung vorgespannt sind oder eine Vorspannung von Null aufweisen, so daß eine Schottky-Diode verwendet werden kann. Es wurde festgestellt, daß bei einer Vorspannung der Diode in Durchlaßrichtung die Kapazität der Diode exponentiell ansteigt, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Dies ist genau das, was benötigt wird, weil, wenn die Amplitude des photoelektrischen Signals, das von der Diode erzeugt wird, ansteigt, es erforderlich ist, einen Teil des Wechselstromsignals von dem Vorverstärker fort zu leiten. Die Diode D&sub0; ergibt ebenfalls einen derartigen Pfad. Ein geerdeter Kondensator, der mit dem anderen Ende der Diode verbunden ist, ergibt einen Wechselstrom-Nebenschlußpfad nach Erde derart, daß die dem Wechselstromsignal der Photodiode dargebotene Impedanz lediglich die dynamische Impedanz der Diode D&sub0; an ihrem Arbeitspunkt ist.
In dem Schaltbild nach Fig. 6 ist ein Photodetektor Dd längs der Eingänge eines Empfänger-Vorverstärkers Ar angeschaltet. Eine Gegenkopplungsschaltung von dem Verstärker schließt einen Signalpegeldetektor Sld ein, der ein Verstärkungssteuersignal an eine Vorspannungsschaltung Bv liefert. Eine Vorspannung Vs wird dem Photodetektor über einen Widerstand R&sub1; zugeführt. Der Photodetektor Dd weist einen Nebenschluß in Form einer Diode D&sub0; in Serie mit einer Kapazität C und einem Widerstand Rc auf. Die Diode D&sub0; ist mit der Vorspannungsquelle über einen Widerstand Rs und eine Diode Ds verbunden.
Bei niedrigen Lichtpegeln ist der von dem Photodetektor Dd erzeugte Photostrom Ip sehr klein, so daß der Vorstrom Ii, der durch R&sub1; und Dd fließen muß, ebenfalls sehr klein ist. In diesem Zustand wird der größte Teil des Vorstromes über R&sub1; geliefert und es ergibt sich lediglich ein sehr geringer Stromfluß durch D&sub0;, wobei die Impedanz von D&sub0; sehr hoch ist. Wenn der der Photodiode Dd zugeführte optische Signalpegel ansteigt, so steigt auch der Photostrom Ip an. Dies führt dazu, daß ein größerer Strom I&sub1; durch R&sub1; fließt, so daß die Spannung VL längs R&sub1; ansteigt. Wenn daher VL in Richtung auf Vs (der Spannung längs Ds und Rs) plus Vf (die Spannung längs D&sub0;) ansteigt, so wird daher die Diode D&sub0; graduell eingeschaltet. Wenn VL = Vs + Vf ist, so ist die Diode D&sub0; in Durchlaßrichtung vorgespannt, und der Strom Id durch Ds und Rs bildet nach und nach die überwiegende Vorstromversorgung für den Photodetektor Dd. In diesem Zustand wird die Impedanz von D&sub0; verringert, und ein Teil des von Dd erzeugten Photostromes wird über die Kapazität C und den Widerstand Rc nach Erde abgeleitet, so daß die Amplitude des dem Verstärker Ar zugeführten Eingangssignals begrenzt wird. Die Verringerung der Impedanz ergibt sich aufgrund des nichtlinearen Verhaltens der Diode D&sub0;. Im allgemeinen wird ein Schottky- Bauteil im Hinblick auf die geringe Grenzschichtkapazität, den niedrigen Leckstrom und eine geeignete Änderung der dynamischen Impedanz mit dem Strom gewählt. Die Schaltung weist eine eingebaute Gegenkopplungsregelung ein, so daß mit zunehmendem Signalpegel die Vorspannung VL gleich Vs + Vt bleibt, wodurch der Vorstromfluß durch D&sub0; und damit auch ihre Impedanz für den Signalstrom gesteuert wird.
Es sei bemerkt, daß die Schaltung nach Fig. 6 immer noch arbeiten würde, wenn R&sub1; entfernt würde. Die Empfindlichkeit wird geringfügig verringert, doch stellt, weil der Strom durch D&sub0; sehr klein ist, diese Diode immer noch eine hohe Impedanz für den Photodetektorstrom dar.
Es gibt zwei Hauptgründe für eine Empfänger-Übersteuerung. Ein Grund besteht in dem Fehlen eines ausreichenden Vorstromes, der dem Photodetektor bei hohen optischen Signalpegeln zugeführt wird. Der andere Grund besteht darin, daß der Vorverstärker Ar bei einem großen Eingangssignalpegel gesättigt wird. Wenn der zweite Grund kein Begrenzungskriterium darstellt, kann der Kondensator C entfernt werden.
Das Betriebsprinzip der Erfindung wurde anhand eines Beispiels unter Verwendung der speziellen Schaltung nach Fig. 6 erläutert. Es sind jedoch viele andere Anordnungen von Schaltungen für den Fachmann denkbar, die das gleiche Ergebnis erzielen würden. Beispielsweise könnte die spannungsabhängige Impedanz, für die die Diode D&sub0; in Fig. 6 ein Beispiel darstellt, durch einen Transistor ersetzt und durch ein Signal von dem Signalpegeldetektor gesteuert werden.
In der abgeänderten, in Fig. 7 gezeigten Schaltung ist der Photodetektor Dd in einer symmetrischen Konfiguration für den Verstärker Ar angeschaltet, wobei die feste Vorspannung über R&sub1;&sub1; und R&sub1;&sub2; zugeführt wird. Ein Nebenschluß für den Photostrom wird nunmehr über spannungsabhängige Dioden D&sub0;&sub1; und D&sub0;&sub2; bewirkt, um beide Polaritäten des Signalstromes zu berücksichtigen (es sei bemerkt, daß in der Praxis Diodenpaare verwendet werden, um Kapazitätswirkungen zu verringern). Die Diode D&sub1; in der festen Vorspannungsversorgung ergibt eine dynamische Impedanz, die die Empfindlichkeit des Photodetektors verbessert. Die Diode Ds1 ist eingefügt, um Änderungen von D&sub1; aufgrund von Temperaturschwankungen zu kompensieren. Die Dioden Ds1 und Ds2 sind Schaltdioden. Die Durchlaßspannung Vf von Ds1 und Ds2 steuert den Punkt, bei dem die Übersteuerungsdioden einschalten.

Claims

1. Optischer Empfänger mit einem in Sperrichtung vorgespannten Photodetektor (Dd) und mit spannungsabhängigen Impedanzeinrichtungen zur Bildung eines Nebenschlusses für den von dem Photodetektor erzeugten Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängigen Impedanzeinrichtungen eine erste Diode (D&sub0;) einschließen, die in Serie mit einem Kondensator (C) und einem ersten Widerstand (Rc) geschaltet ist, und daß der Empfänger weiterhin eine zweite Diode (Ds), die in Serie mit einem zweiten Widerstand (Rs) und der ersten Didode (D&sub0;) geschaltet ist, eine Vorstromquelle (Bv), die mit der zweiten Diode (Ds) und über eine dritten Widerstand (RL) mit dem Photodetektor verbunden ist, und Einrichtungen (SLD) zur Vergrößerung der Durchlaßvorspannung der ersten und zweiten Dioden jeweils in Abhängigkeit von einem ansteigenden optischen Signalpegel an dem Photodetektor einschließt.

2. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, bei dem der Photodetektor (Dd) längs der Eingänge eines symmetrischen Verstärkers (Ar) angeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Impedanz- Nebenschluß des Photodetektors spannungsabhängige Dioden (D&sub0;&sub1;, D&sub0;&sub2;, Fig. 7) umfaßt, die zur Berücksichtigung beider Polaritäten des Photodetektor-Signalstromes angeschaltet sind, und daß eine weitere Diode (D&sub1;, Fig. 7) zur Bildung einer dynamischen Impedanz in der festen Vorspannungsversorgung für den Photodetektor vorgesehen ist.