-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtempfangsmodul
zur Verwendung auf dem Gebiet der optischen
Nachrichtenübertragung oder optischen Informationsverarbeitung zum
Lichtsignalempfang von einer Lichtleitfaser, und insbesondere ein
Lichteinpfangsmodul zum Empfang eines durch einen
Faserlichtverstärker verstärkten Signallichts.
-
Früher vorgeschlagene Anordnungen werden nun unter
Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 der begleitenden Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
-
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt, der den Aufbau eines
Lichtempfangsmoduls zeigt,
-
Fig. 2 ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Beispiels eines
Lichtleitfas ernachrichtenübertragungs systems, das das
in Fig. 1 gezeigte Lichtempfangsmodul zeigt, und
-
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt, der den Aufbau eines
Bandpaßfilters zeigt.
-
Lichtempfangsmodule werden am Ende von Lichtleitfasern zum
Empfangen und Umsetzen von Signallicht aus den Lichtleitfasern
in elektrische Signale vorgesehen. Ein Lichtempfangsmodul der
herkömmlichen Art ist aus einer Linse 53 und einer Lichtdetek
torvorrichtung 51 zusammengesetzt und ist in einer Basis 50
untergebracht, wie in Fig. 1 gezeigt. Eine Lawinenlaufzeitdiode
(APD) oder eine PIN-Photodiode wird für die
Lichtdetektorvorrichtung 51 verwendet, die ein Lichtsignal in ein elektrisches
Signal umsetzt. Die Lichtdetektorvorrichtung 51 ist optisch mit
der Lichtleitfaser 52 durch die Linse 53 in einer solchen Art
gekoppelt, daß Licht, das in das Lichtempfangsmodul aus der
Lichtleitfaser 52 hineinkommt, die Lichtdetektorvorrichtung 51
erreichen wird.
-
Wenn Lichtsignale durch die Lichtleitfaser übertragen
werden, schwächt sich die Intensität der Lichtsignale im
Verhältnis zur Übertragungsentfernung infolge Übertragungsverlusten
der Lichtleitfaser ab. Um dieses Problem bei momentan
verwendeten Lichtleitfasernachrichtenübertragungssystemen zu
überwinden, werden Leitungsverstärker in festen Abständen zur
Verstärkung abgeschwächter Lichtsignale vorgesehen. Da jedoch
Leitungsverstärker konstruiert sind, um Lichtsignale in
elektrische Signale umzusetzen, die elektrischen Signale zu verstärken
und sie dann zur Übertragung zurück in Lichtsignale umzusetzen,
haben herkömmliche Leitungsverstärker unvermeidlich große
Abmessungen und sind kostspielig.
-
Um diese Probleme zu lösen, hat neuere Forschung durch
Techniker, die sich mit optischer Verstärkung beschäftigen, zu der
Entwicklung von Systemen geführt, die mit seltenen Erden
dotierte Fasern nutzen. Optische Verstärkung ist ein Verfahren,
in dem einfallendes Signallicht in einem Lichtzustand zum
Erhalt von ausgehenden Signallicht ohne Umsetzen von
Lichtsignalen in elektrische Signale verstärkt wird. Bei optischer
Verstärkung unter der Verwendung mit seltenen Erden dotierter
Fasern, werden Kationen seltener Erden in der Faser im Vorraus
durch Laserlicht von einer Wellenlänge in einem anderen Bereich
als jenem des Signallichts angeregt. Auf diese Art tritt eine
induzierte Emission durch das Signallicht auf, wodurch eine
Lichtverstärkung erzielt wird. Zum Beispiel wird ein optischer
Verstärker, der eine mit Neodym (Nd) oder Erbium (Er) dotierte
Lichtleitfaser verwendet, in der Beschreibung des Britischen
Patents GB 2.175.766A offenbart. Ein optischer Verstärker
dieser Art wird nachstehend als ein Faserlichtverstärker
bezeichnet
werden.
-
Wenn ein Faserlichtverstärker verwendet wird, insbesondere
als ein Vorverstärker in einer Empfangsstation, ist es
notwendig, Rauschen durch Entfernen von Licht spontaner Emission zu
verringern, das durch die mit seltenen Erden dotierten Fasern
ausgesendet wird. Zu diesem Zweck ist es notwendig, einen
Bandpaßfilter einer schmalen Bandbreite einzufügen, der nur
Signallicht zu der Emissionsseite des Faserlichtverstärkers
durchläßt. In Fig. 2 wird der Aufbau einer Beispielempfangsstation
gezeigt, die ein Lichtleitfasernachrichtenübertragungssystem
verwendet, das einen Faserlichtverstärker aufweist.
-
Der Faserlichtverstärker 60 setzt sich aus einer mit
seltenen Erden dotierten Faser 54, einem Halbleiterlasermodul 55,
das als eine Lichtquelle zur Anregung seltener Erdionen in der
mit seltenen Erden dotierten Faser 54 dient, einem in der
Einfallsseite der mit seltenen Erden dotierten Faser 54
bereitgestellten Koppler 56, und einem an der Emissionsseite der mit
seltenen Erden dotierten Faser 54 bereitgestellten
Faser-Bandpaßfilter 58. Der Koppler 56 wird sowohl zur Übertragung des
Signallichts aus der Lichtleitfaser 59, die an die
Übertragungsstation gekoppelt ist, als auch des Anregungslichts aus
dem Halbleiterlasermodul 55 in die mit seltenen Erden dotierte
Faser 54 verwendet. Die Emissionsseite der mit seltenen Erden
dotierten Faser 54 ist an die Lichtleitfaser 52 über das Band
paßfilter 58 gekoppelt, und das Lichtempfangsmodul 57 ist mit
dem anderen Ende der Lichtleitfaser 52 gekoppelt. Da das
Bandpaßfilter 58 nur die Wellenlänge eines bestimmten Signallichts durch
lassen und anderes Licht spontaner Emission auf ein Minimum reduzieren
muß, muß es eine Einstellung seiner Bandbreite auf die
Durchlaßwellenlänge bis zu einem so schmal wie möglichen Bereich
(nicht mehr als einige Nanometer) mit einer hochgenauen
Durchlaßmittenwellenlänge
(nicht mehr als einige Zehn Nanometer)
zulassen.
-
Der Aufbau eines Beispiels eines Faser-Bandpaßfilters 58,
der in eine optische Übertragungsleitung eingefügt werden soll,
wird in Fig. 3 gezeigt. Eine ähnlicher Aufbau wurde in der
Beschreibung des U.S.-Patents Nr.4.813.756 vorgeschlagen, das am
21. März 1989 veröffentlicht wurde. Dieser Bandpaßfilter 58
weist zwei Linsen 61, 62, die optisch eine mit seltenen Erden
dotierte Faser 54 und eine Lichtleitfaser 52 koppeln, die mit
der Empfangsseite verbunden ist, und eine im Lichtweg beider
Linsen 61, 62 bereitgestellte Bandpaßfilterscheibe 63 auf, die
nur eine bestimmte Wellenlänge durchläßt. Die verwendete
Bandpaßfilterscheibe 63 wird durch Bildung einer mehrlagigen
Schicht auf der Oberfläche einer Glasscheibe hergestellt. Die
Durchlaßmittenwellenlänge wird üblicherweise durch Justieren
des Einfallswinkels des Lichts eingestellt, das in die
Bandpaßfilterscheibe 63 eintritt.
-
Für diesen Bandpaßfilter 58 ist es notwendig, daß die beiden
Lichtleitfasern 52 und 54, die typischerweise Kerne von 10 µm
Durchmesser aufweisen, in einer optisch wirksamen Art und Weise
gekoppelt sind, während der Einfallswinkel des Lichts
eingestellt wird, das in die Bandpaßfilterscheibe 63 eintritt, und
es ist daher schwierig, die optischen Achsen der beiden
Lichtleitfasern in Übereinstimmung zu bringen. Kopplungsverluste in
folge der beiden Linsen 61, 62 im Bandpaßfilter 58 können nicht
außer acht gelassen werden, wenn ein
Gesamtlichtverstärkungsgewinn des Faserlichtverstärkers 60 erzielt werden soll.
-
Der Bandpaßfilter 58 gestattet es, daß die
Mittenwellenlänge des Durchlasses nach Belieben durch Änderung des
Einfallswinkel des hereinkommenden Lichts durch Drehung der
Bandpaßfilterscheibe 63 geändert wird. Da jedoch Licht in die
Bandpaßfilterscheibe
63 unter einem schiefen Winkel eintritt,
verschiebt sich der durchgelassene Lichtstrahl in paralleler
Richtung infolge des Unterschieds des Brechungsindex zwischen der
Bandpaßfilterscheibe 63 und Luft. In einem System, in dem die
Lichtleitfasern 52, 54 gegenseitig gekoppelt sind, ist die
Maßtoleranz für eine parallele Bewegung des durch die
Bandpaßfilterscheibe 63 durchgelassenen Strahls genau festgelegt, und
wenn die Durchlaßmittenwellenlänge durch Drehung der
Bandpaßfilterscheibe 63 nach dem Befestigen jeweils der Linsen 61, 62
und Lichtleitfasern 52, 54 geändert wird, werden
Kopplungsverluste zwischen den Lichtleitfasern 52, 54 zunehmen. Es ist
folglich unmöglich, einen abstimmbaren Bandpaßfilter unter
Verwendung eines Faser-Bandpaßf ilters dieser Art aufzubauen.
-
Infolge der oben beschriebenen Faktoren ist herausgefunden
worden, daß ein Aufbau, in dem der Bandpaßfilter auf der
Emissionsseite eines Faserlichtverstärkers bereitgestellt wird, und
in dem der Bandpaßfilter und das Lichtempfangsmodul ferner
mittels einer weiteren Lichtleitfaser gekoppelt sind, der
Verstärkungsgewinn des Faserlichtverstärker wesentlich verringert wird
und es schwierig ist, einen abstimmbaren Bandpaßfilter
herzustellen.
-
In einem Artikel, der mit "Use of LD-Pumped Erbium-Doped
Fiber Preamplifiers with Optimal Noise Filtering in a FDMA-FSK
1Gb/s Star Network" von A.E.Willner, et al, betitelt ist, der
in IEEE Photonics Technology Letters, Ausg. 2, Nr. 9, September
1990, New York, U.S.A. veröffentlicht wurde, werden
verschiedene Teileanordnungen beschrieben, die in einem Grund-FDMA-FSK-
Experimentalaufbau getestet wurden, in dem ein Empfänger einen
optischen Verstärker, eine Interferenzfilter, einen
Faser-Fabry-Perot-Filter, und einen optischen Detektor aufwies. Die
Autoren folgerten, daß die optimale Filterung des Pump- und des
ASE-Rauschens, als auch eine Minimalisierung der Wirkung des
FFP-Einfügungsverlustes auf den Rauschabstand durch Anordnen
des Faserverstärkers vor dem FFP erhalten wurde.
Merkmale eines Lichtempfangsmoduls, das unten als ein
Beispiel bei der Erläuterung der Erfindung beschrieben werden
soll, sind, daß es die Eigenschaften eines Bandpaßfilters
aufweist, bei dem es möglich ist, die Mittenwellenlänge eines
Durchlasses mit einem Minimum der Verringerung der
Lichtempfangsempfindlichkeit einzustellen, und das den Verlust des
Gesamtlichtverstärkungsgewinnes zwischen dem Eingangsteil eines
Faserlichtverstärkers und einer Lichtdetektorvorrichtung
minimieren kann, wenn das Lichtempfangsmodul mit einem
Faserlichtverstärker gekoppelt ist.
-
In einer besonderen Anordnung, das veranschaulichend für
die Erfindung ist, die unten anhand eines Beispiels beschrieben
werden soll, ist ein Lichtempfangsmodul an einer Lichtleitfaser
gekoppelt und weist eine Lichtdetektorvorrichtung zum Umsetzen
eines Lichtsignals in ein elektrisches Signal und eine Linse
auf, die die Lichtleitfaser und die Lichtdetektorvorrichtung
optisch koppelt, und weist eine Bandpaßfilterscheibe auf, die
zwischen der Lichtdetektorvorrichtung und der Linse vorgesehen
ist, die zur Drehung um eine Achse gehalten wird, die parallel
zu ihrer Stirnseite ist.
-
Die folgende Beschreibung und Zeichnungen offenbaren mit
tels eines Beispiels die Erfindung, die in den angehängten
Patentansprüchen gekennzeichnet wird, deren Wortlaut das Ausmaß
des hierdurch verliehenen Schutzes bestimmt.
-
In den folgenden Zeichnungen zeigen:
-
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines
Lichtempfangsmoduls zeigt,
-
Fig. 5 eine schematische Ansicht, die die Beziehung zwischen
dem Aufbau und dem Lichtweg des in Fig. 4 gezeigten
Lichtempfangsmoduls zeigt,
-
Fig. 6 ein charakteristisches Schaubild, das die Beziehung
zwischen dem Einfallswinkel und der
Durchlaßmittenwellenlänge in der Bandpaßfilterscheibe zeigt,
-
Fig. 7 ein Blockdiagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem ein
Faserlichtverstärker und das Lichtempfangsmodul der
vorliegenden Ausführung verbunden sind, und
-
Fig 8 ein Blockdiagramm, das ein weiteres Beispiel zeigt, in
dem ein Faserlichtverstärker und das Lichtempfangsmodul
der vorliegenden Ausführung verbunden sind.
-
Bezugnehmend auf die Figuren 4 bis 8, weist ein
Lichtempfangsmodul 10, wie in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt, auf: ein
rechtwinkliges Quadergehäuse 25, eine an dem Gehäuse 25 angebrachte
Lichtdetektorvorrichtung 20, eine Aufnahme 29 zum Aufnehmen
einer Lichtleitfaser 21, eine Linse 22, eine Drehhalterung 24,
die an dem Gehäuse 25 auf solche Art und Weise angebracht ist,
um eine Drehung zuzulassen, und eine an die Drehhalterung 24
angebrachte Bandpaßfilterscheibe 23. Die
Lichtdetektorvorrichtung 20 setzt Lichtsignale in elektrische Signale um und besteht
zum Beispiel aus einer Lawinenlaufzeitdiode oder einer
PIN-Photodiode. Die Aufnahme 29 ist an der Stirnseite des Gehäuses 25
gegenüber der Stirnseite, an der die Lichtdetektorvorrichtung
20 angebracht ist, in einer solchen Art und Weise angebracht,
daß das Ende der Lichtleitfaser 21, die durch die Aufnahme 29
aufgenommen wird, der Lichtdetektorvorrichtung 20 zugewendet
ist. Die Linse 22 ist in dem Lichtweg vorgesehen, der von der
Lichtleitfaser 21 zu der Lichtdetektorvorrichtung 20 führt. Die
Linse 22 dient dazu, die Lichtleitfaser 21 und die Lichtdetek
torvorrichtung 20 optisch und wirksam zu koppeln.
-
Die Drehhalterung 24 ist ein stabförmiges Glied, wobei
seine Drehachse im wesentlichen senkrecht zum Lichtweg von der
Lichtleitfaser 21 zur Lichtdetektorvorrichtung 20 ist. Die
Drehhalterung 24 ist mit einem Lagerteil 26 versehen, das eine
Drehung erlaubt und das in einer Seitenwand des Gehäuses 25
vorgesehen ist. Ein verengter Teil 24a, der ein Durchtrittsloch 27
aufweist, das in die Richtung senkrecht zu deren Drehachse
vorgesehen ist, ist in der Mitte der langen Seite der Drehhalterung
24 ausgebildet. Der Lichtweg von der Lichtleitfaser 21 zur
Lichtdetektorvorrichtung 20 ist so angeordnet, daß er durch das
Durchtrittsloch 27 geht. Die Bandpaßfilterscheibe 23 ist an der
Drehhalterung 24 in einer Art angebracht, daß sie dieses
Durchtrittsloch 27 bedeckt. Die Bandpaßfilterscheibe 23 wird durch
Ablagern von mehreren dielektrischen Schichten in mehreren
Lagen auf einem Glassubstrat von 0,5 mm Dicke hergestellt, und
läßt nur Licht einer bestimmten Wellenlänge durch. In dieser
Ausführung, besteht die dielektrische mehrlagige Schicht aus
einem Stapel aus abwechselnd dünnen Lagen von Titandioxyd (TiO&sub2;)
und Siliziumdioxid (SiO&sub2;). Die Beziehung zwischen dem
Einfallswinkel des Lichts, das in die Bandpaßfilterscheibe 23 eintritt,
und den Durchlaßmittenwellenlängen wird in Fig. 6 gezeigt.
-
Durch Aufbau des Lichtempfangsmoduls 10 wie oben
beschrieben, erreicht Licht, das von dem Endabschnitt der in der
Aufnahme 29 aufgenommen Lichtleitfaser 21 ausgestrahlt wird, die
Bandpaßfilterscheibe 23 durch die Linse 22, und Licht bei
bestimmten Wellenlängen wird dann selektiert, um die
Lichtdetektorvorrichtung 20 zu erreichen. Da die Bandpaßfilterscheibe 23
an der Drehhalterung 24 in einer solchen Art und Weise
angebracht ist, um eine Drehung zu erlauben, und an dem Gehäuse 25
gehalten wird, kann der Einfallswinkel des Lichts, das von der
Linse 22 ausgestrahlt wird und in die Bandpaßfilterscheibe 23
eintritt, durch Einstellung des Drehwinkels der Drehhalterung
24 geändert werden. Folglich ist es möglich, die
Durchlaßmittenwellenlänge an der Bandpaßfilterscheibe 23 durch Justieren
der Bandpaßfilterscheibe 23 einzustellen. Obwohl die optische
Achse des Strahls, der durch die Bandpaßfilterscheibe 23 geht,
sich um einige Zehn µm in eine parallele Richtung in Bezug auf
den Drehwinkel der Filterscheibe 23 verschiebt, ist die
Lichtempfangsfläche der Lichtdetektorvorrichtung 20 im allgemeinen
annähernd so groß wie 50 bis 100 µm im Quadrat, und die
Lichtempfangsempfindlichkeit der Lichtdetektorvorrichtung 20 ändert
sich daher kaum infolge der Parallelbewegung des Strahls. Daher
kann die Durchlaßmittenwellenlänge der Bandpaßfilterscheibe 23
eingestellt werden, ohne die Lichtempfangsempfindlichkeit der
Lichtdetektorvorrichtung 20 zu reduzieren. Ferner kann, da die
Lichtempfangsfläche der Lichtdetektorvorrichtung 20 groß ist,
eine Anpassung der optischen Achsen leicht durchgeführt werden.
Ein Beispiel des Lichtempfangsmoduls der vorliegenden
Ausführung, das auf Lichtleitfasernachrichtenübertragungssystem
angewendet wird, wird nun beschrieben werden. In Fig. 7 ist das
oben beschriebene Lichtempfangsmodul 10 direkt an einen Faser
lichtverstärker 30 gekoppelt. Der Faserlichtverstärker 30 ist
aus einer mit seltenen Erden dotierten Faser 34, einem
Halbleiterlasermodul 35, das als eine Lichtquelle zur Anregung
seltener Erdionen in der mit seltenen Erden dotierten Faser 34 dient,
und einem Koppler 36, der an der Einfallsseite der mit seltenen
Erden dotierten Faser 34 vorgesehen ist, zusammengesetzt. Der
Koppler 36 wird sowohl zur Übertragung des Signallichts aus der
Lichtleitfaser 31, die an die Übertragungsstation gekoppelt
ist, als auch des Anregungslichts aus dem Halbleiterlasermodul
35 in die mit seltenen Erden dotierte Faser 34 verwendet. Das
Emissionsende der mit seltenen Erden dotierten Faser 34 wird in
der Aufnahme 29 des Lichtempfangsmoduls 10 aufgenommen. In
diesem
Lichtleitfasernachrichtenübertragungssystem wird
Signallicht aus der Lichtleitfaser 31 in das Lichtempfangsmodul 10
eingegeben, nachdem es durch den Faserlichtverstärker 30
verstärkt wird. Obwohl verstärktes Signallicht und Anregungslicht
für die mit seltenen Erden dotierte Faser 34 oder Licht
spontaner Emission in die mit seltenen Erden dotierte Faser 34
zusammen in das Lichtempfangsmodul 10 eintritt, werden dieses
Anregungslicht und das Licht spontaner Emission durch die
Bandpaßfilterscheibe in dem Lichtempfangsmodul 10 entfernt, und nur
verstärktes Signallicht erreicht die Lichtdetektorvorrichtung.
Da kein Faser-Bandpaßfilter der herkömmlichen Art verwendet
wird, sinkt der Gewinn der Lichtverstärkung eines Systems, das
einen Faserlichtverstärker und ein Lichtempfangsmodul aufweist,
nicht. Ferner ist es, da eine Feinabstimmung der
Durchlaßmittenwellenlänge leicht durchgeführt werden kann, möglich, sich
sowohl mit winzigen Änderungen der Wellenlänge des Signallichts
zu befassen als auch präziser nur das Signallicht von der
Übertragungsstation zu selektieren.
-
Wie in Fig. 8 gezeigt, kann das Lichtempfangsmodul 10 der
vorliegenden Ausführung auch über eine Lichtleitfaser 37 mit
einem Faserlichtverstärker 30 gekoppelt werden. Die
Emissionsseite der mit seltenen Erden dotierten Faser 34 des
Faserlichtverstärkers 30 und ein Ende der Lichtleitfaser 37 werden mittels
eines Lichtverbindungsgliedes 38 verbunden, und das andere Ende
der Lichtleitfaser 37 wird in der Aufnahme 29 des
Lichtempfangsmoduls 10 aufgenommen. Die Länge der Lichtleitfaser 37 wird
entsprechend dem Lichtverstärkungsgewinn des
Faserlichtverstärkers 30 und der Lichtempfangsempfindlichkeit des
Lichtempfangsmoduls 10 bestimmt, und es ist möglich, eine Faser 37 zu
erhalten, die so lang wie eine übliche
Lichtleitfaserübertragungsentfernung ist. Auch in diesem Gehäuse treten Licht und
Anregungslicht
oder Licht spontaner Emission zusammen in die Licht
leitfaser 37 aus der mit seltenen Erden dotierten Faser 34 ein,
und aus dem Lichtleitfaser 37 treten Signallicht und Licht
spontaner Emission dann in das Lichtempfangsmodul 10 ein. Jedoch
wird, wie vorher beschrieben, das gesamte Licht durch die
Bandpaßfilterscheibe des Lichtempfangsmoduls 10 gefiltert und nur
das tatsächliche Signallicht wird in die
Lichtdetektorvorrichtung eingegeben. Der Übertragungsverlust dieses
Lichtleitfasernachrichtenübertragungssystems wird in einem geringeren Ausmaß
verringert, als jener des ähnlichen herkömmlichen Systems, das
in Fig. 2 gezeigt wird. Der Verlust entspricht einem Aufbau,
der keinen Faser-Bandpaßfilter aufweist, wodurch
verhältnismäßig längere Lichtleitfaser ermöglicht werden, die den
Faserlichtverstärker und das Lichtempfangsmodul koppeln. Ferner kann
mit dem vorliegenden Nachrichtenübertragunssystem eine
Feinabstimmung der Durchlaßmittenwellenlängen leicht ausgeführt
werden, um eine Reaktion auf winzige Anderungen der
Signallichtwellenlänge zu gestatten.
-
Es ist einzusehen, daß Anderungen und Modifikationen des
hierin offenbarten Lichtempfangsmoduls für Fachleute
offensichtlich sein werden. Es wird beabsichtigt, daß alle solche
Modifikationen und Anderungen innerhalb des Gültigkeitsbereichs
der angehängten Patentansprüche enthalten sind.