-
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen angegeben ist, liegt auf dem Gebiet der
Einrichtungen zur Umsetzung einer optischen Größe in eine elektrische Größe.
-
Einrichtungen, die ein Videosignal, zum Beispiel ein Fernsehsignal, in optischer Form
zum Beispiel über einen Lichtwellenleiter zu einem Ende des Lichtwellenleiters oder
allgemein in der Form eines Lichtkanals übertragen, wo sich die optische Trägerwelle
des Signals ausbreitet, enthalten einen Konverter zur Umsetzung einer optischen
Größe, zum Beispiel Mit einer optischen Energie, in eine elektrische Größe, zum
Beispiel eine Spannung oder einen Strom. Die Erfindung ist in dem Fall anwendbar,
wo der Konverter eine PIN-Fotodiode ist.
-
Eine PIN-Fotodiode ist, wenn sie durch eine zwischen ihrer Kathode (Anschluß N)
und ihrer Anode (Anschluß P) angelegte positive Spannung vorgespannt ist,
äquivalent zu einem Stromgenerator, der einen durch die folgende Gleichung
ausgedrückten Strom i(t) liefert:
-
i(t) = SP(t)
-
In dieser Gleichung bedeuten:
-
i(t) die augenblickliche Größe des Stroms,
-
S die Empfindlichkeit der PiN-Fotadiode, ausgedrückt in Ampere je Watt,
-
P(t) den Wert der augenblicklichen, durch die PIN-Fotodiode empfangenen optischen
Leistung.
-
Da die einfallenden optischen Leistungen sich im allgemeinen zwischen einem
geringen und einem sehr geringen Wert ändern, gilt dasselbe für den fotodektierten
Strom, und dieser Strom muß mit einer extremen Sorgfalt verstärkt werden. Eine
derartige Qualität in der Verstärkung erfolgt durch eine Vorverstärkerstufe vom
sogenannten Transimpedanz-Typ durch Anschluß eines Widerstands Rg zwischen dem
Ausgang und dem Eingang e(-) eines Verstärkers mit der Verstärkung Gv, der
genügend außergewöhnliche Eigenschaften aufweist: Ein Produkt aus Verstärkung und
Bandbreite von mehr als einigen zehn GHz in vielen Anwendungsfällen.
-
Ein bekanntes Ausführungsbeispiel einer derartigen Stufe zur Fotodetektion, das
auch in der EP-A-0 402 044 beschrieben ist, ist in Fig. 1 dargestellt.
-
Fig. 1 zeigt ein Ende 1 eines Lichtwellenleiters, der eine durch ein videofrequentes
Signal modulierte Lichtwelle überträgt. Die modulierte Lichtenergie wird durch eine
PIN-Fotodiode 2 empfangen, die eine Anode (Anschluß P) 3, einen Halbleiterbereich
oder sogenannten intrinsischen Bereich 4 und eine Kathode 5 aufweist. Die PIN-
Fotodiode 2 ist in bekannter Weise in Sperrichtung vorgespannt, das heißt, daß ihrer
Kathode 5 eine positive Spannung zugeführt ist. Unter diesen. Bedingungen liefert die
PIN-Fotodiode 2 einen Strom von ihrer Kathode 5 zu ihrer Anode 3. Dieser Strom ist
proportional zu dem Wert der einfallenden optischen Leistung. Der
Proportionalitätsfaktor stellt die Empfindlichkeit der PIN-Fotodiode 2 dar.
-
Kurven, die den Wert des fotodetektierten Stroms Iph in Abhängigkeit von der
Sperrspannung Vb darstellen, sind in Fig. 2 dargestellt. Jede der Kurven C1...C5 der
Fig. 2 ist die Kurve, die den Wert des fotodetektierten Stroms für eine konstante
fotoelektrische Leistung in Abhängigkeit von der Vorspannung darstellt. Wenn diese
Leistung sich ändert und die PIN-Fotodiode 2 vorgespannt ist, z.Bsp. durch einen Wert
Vpo, verschiebt sich der Arbeitspunkt der PIN-Fotodiode 2 auf einer vertikalen Linie,
die in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, die durch den Wert Vpo und
parallel zu der Achse Iph verläuft, die die Ströme in Abhängigkeit von der einfallenden
Leistung darstellt.
-
Der Strom Iph wird durch eine Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6 verstärkt, die ei-
nen negativen oder invertierenden Eingang 7, einen positiven oder
nichtinvertierenden Eingang 8, einen Ausgang 9 und einen Rückkopplungswiderstand Rg
10 zwischen dem Ausgang 9 und dem invertierenden Eingang 7 aufweist.
-
Es ist bekannt, daß der Wert des Rauschstroms ieff (Rg) aufgrund von Rg, der an
dem Eingang e(-) 7 der Transimpendaz-Vorverstärkungsstufe 6 erscheint, durch die
folgende Gleichung gegeben ist:
-
ieff(Rg) = α/[Rg]1/2
-
Offensichtlich besteht ein Interesse daran, im Hinblick auf das Signal/Rausch-
Verhältnis einen Rückkopplungswiderstand Rg mit einem hohen oder einem sehr
hohen Wert einzusetzen.
-
In Anbetracht der Erscheinung der Rückkopplung, der der Widerstand Rg 10
unterworfen ist, ist der durch die PIN-Fotodiode 2 erkannte Ersatzwiderstand von Rg 10
extrem gering.
-
Dieser Ersatzwiderstand Rapp wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
-
Rapp = Rg/G + 1.
-
In dieser Gleichung ist G die Verstärkung der Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6.
Der invertierende Eingang 7 ist somit äquivalent zu einer virtuellen Erde, und der
gesamte Strom i(t) gelangt in Richtung zu dem Rückkopplungswiderstand Rg 10. Somit
hat die Ausgangsspannung Vs(t) die Form:
-
Vs(t) = i(t)Rg = SPh(t)Rg.
-
Wenn die mittlere einfallende optische Leistung Ph(t) einen sehr hohen Wert
annimmt, was zum Beispiel der Fall wäre für eine Detektorstufe an einem Ende eines
Lichtwellenleiters geringer Länge zwischen Sender und Empfänger oder auch bei
einem geringen Abstand von einem Verstärker, kann der Wert von Vs(t) = SPh(t)Rg
einen sehr hohen Wert annehmen. Unter diesen Bedingungen gelangt die
Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6 in die Sättigung und arbeitet nicht mehr linear.
-
Dieses Problem der Sättigung der Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6 ist bekannt,
und es wurden verschiedene Lösungen zur Lösung dieses Problems eingesetzt.
-
Eine erste bekannte Ausführungsform versucht, die Sättigung der Transimpedanz-
Vorverstärkerstufe 6 durch Einsatz eines Rückkopplungswiderstands Rg 10 mit
einem derart geringen Wert zu vermeiden, daß Vs(t)max = 1(t)max Rg den maximal
zulässigen Wert Vs nicht übersteigt. Diese Lösung ist gekennzeichnet durch eine
Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses des optischen Empfängers auf -
grund der Vergrößerung des Ausdrucks ieff (Rg) = α/[Rg]1/2.
-
In diesem Ausdruck ist α ein Proportionalitätskoeffizient.
-
Eine zweite bekannte Ausführungsform versucht, die Sättigung der
Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6 dadurch zu vermeiden, daß ein Dämpfungsglied in die
optische Verbindung eingefügt wird, um zu verhindern, daß P(t) den maximal
zulässigen Wert von P(t) übersteigt. Diese individuelle Optimierung jeder
Übertragungsstrecke wird heute durch die Anwender nicht mehr akzeptiert.
-
Diese Ausführungsform verpflichtet die Benutzer, die mittlere einfallende optische
Leistung zu messen oder zu berechnen, um·den Wert des einzufügenden
Dämpfungsgliedes zu bestimmen.
-
Schließlich besteht eine dritte bekannte Lösung darin, die PIN-Fotodiode 2 durch
eine sogenannte Avalanche-Diode, auch Laufzeitdiode oder Lawinenlaufzeitdiode
genannt, zu ersetzen. Eine Avalanche-Fotodiode ist äquivalent zu einer PIN-
Fotodiode, die folgende Empfindlichkeit aufweist:
-
S&sub1; = MS,
-
dabei ist S die Empfindlichkeit einer bekannten PIN-Fotodiode, und
M ist ein Koeffizient zwischen 1 und ∼ 20. Der Wert des Multlplizierfaktors M ist eine
Funktion des Wertes der Vorspannung der Avalanche-Fotodiode. Unter Ausnutzung
dieser Eigenschaft kann man durch eine elektrische Rückkopplungsschleife den Wert
M an die auf die Fotodetektorstufe auftreffende optische Leistung anpassen.
-
Diese leistungsfähige Lösung hat den Nachteil, daß sie extrem kostenintensiv ist,
einerseits wegen des Preises einer Avalanche-Diode verglichen mit dem Preis einer
PIN-Fotodiode und andererseits wegen der Kosten der elektronischen Schaltungen
für die Regelung der Vorspannung der Avalanche-Diode.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transimpedanz-Vorverstärkerstufe mit einer
PIN-Fotodiode für die Detektion, deren mittlerer Ausgangsstrom kleiner als der Strom
bleibt, der die Sättigung der Transimpedanz-Vorverstärkerstufe bewirkt, ohne dabei
den Wert des Signal/Rausch-Verhältnisses dieser Transimpedanz-Vorverstärkerstufe
zu verringern. Man kann sagen, daß bei demselben theoretischen Wert des
Signal/Rausch-Verhältnisses die Einrichtung gemäß der Erfindung eine Dynamik der
einfallenden Lichtleistung darstellt, die größer ist als die Einrichtungen mit einer PIN-
Fotodiode gemäß dem Stand der Technik. In anderen Worten: Für denselben
Rückkopplungswiderstand Rg der Transimpedanz-Vorverstärkerstufe zeigt die Einrichtung
gemäß der Erfindung eine größere Dynamik in der Aufnahme der Lichtleistung als
die Einrichtungen mit einer PIN-Fotodiode gemäß dem Stand der Technik.
-
Daher kann die Einrichtung gemäß der Erfindung ohne Vorsichtsmaßnahmen oder
spezielle Regelungen an einem Ende eines Lichtwellenleiters eingesetzt werden,
dessen anderes Ende eine Lichtleistung von einem Sender oder einem Verstärker
empfängt, und zwar praktisch unabhängig von der Entfernung zwischen dem Sender
oder dem Verstärker und der erfindungsgemäßen Einrichtung. Insbesondere ist es
nicht mehr erforderlich, wie in der ersten bekannten Ausführungsform, den Wert des
Rückkopplungswiderstandes Rg zu regeln, um diesen bei einer Verringerung der
Entfernung von der Quelle zu verkleinern, was in überraschender Weise außerdem
das Rauschen der Stufe erhöht und daher das Signal/Rausch-Verhältnis verringert.
Es ist auch nicht mehr erforderlich, wie in der bekannten zweiten Ausführungsform,
die empfangene Lichtleistung mit einem Dämpfungsglied zu verringern, wenn die
durch die PIN-Fotodiode aufgenommene mittlere Lichtleistung, zum Beispiel wegen
der Kürze der optischen Leitung zwischen dem letzten Verstärker und der
erfindungsgemäßen Einrichtung, ansteigt.
-
Zusammengefaßt: Die Anwendung der Fotodetektor-Einrichtung mit einer PIN-
Fotodiode befreit den Anwender von jeder Sorge bei der Anpassung der Einrichtung
an den mittleren Wert der örtlich empfangenen optischen Leistung. Diese Anpassung
erfolgt selbsttätig oder automatisch.
-
Zur Aufrechterhaltung des Mittelwertes des durch die PIN-Fotodiode fotodetektierten
Stroms ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die Empfindlichkeit der
PIN-Fotodiode oberhalb eines bestimmten Schwellwertes der empfangenen mittleren
Lichtleistung Ph zu verringern.
-
Oberhalb dieses Schwellwertes Phseuil bleibt der durch die PIN-Fotodiode erzeugte
Strom konstant.
-
Die Erfindung betrifft somit eine Einrichtung zur Detektion eines durch eine
modulierte Lichtwelle übertragenen Signals, wobei die Einrichtung die Welle auf einer PIN-
Fotodiode mit zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode sowie einem
intrinsischen oder Halbleiterteil empfängt und wenigstens eine der Elektroden der PIN-
Fotodiode mit Vorspannungsmitteln verbunden ist, und die PIN-Fotodiode dann,
wenn sie durch eine zwischen ihrer Kathode und ihrer Anode angelegte positive
Spannung in Sperrichtung vorgespannt ist, einen Fotodetektionsstrom i proportional
zu der Leistung der einfallenden Lichtwelle liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorspannungsmittel für die PIN-Fotodiode in der Lage sind, an die PIN-Fotodiode
zwei Vorspannungszustände, einen ersten und einen zweiten, anzulegen, daß die
Vorspannung in Abhängigkeit von der empfangenen mittleren Lichtleistung
selbsttätig in den ersten oder den zweiten Zustand übergeht, und daß in dem ersten
Zustand, der empfangenen mittleren Lichtleistungen unterhalb eines Schwellwertes
Phseuil entspricht, die PIN-Fotodiode durch die Vorspannungsmittel in Sperrichtung
vorgespannt ist, und daß in dem zweiten Zustand, der empfangenen mittleren
Lichtleistungen oberhalb des Schwellwertes Phseuil entspricht, die Fotodiode durch die
Vorspannungsmittel in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, und daß dann der durch die
Fotodiode gelieferte mittlere Strom der Fotodetektion konstant ist.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel sowie weitere Ausführungsformen der
Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben:
-
- Die bereits beschriebene Fig. 1 zeigt eine PIN-Fotodiode zur Detektion
eines Lichtsignals, die zwischen einer Vorspannungsquelle in Sperrichtung
und einer Transimpedanz-Vorverstärkerstufe umschaltbar ist, gemäß dem
Stand der Technik.
-
- Fig. 2 zeigt eine Kurvenschar C1 bis C5, wobei jede Kurve für eine
konstante empfangene Lichtleistung den Wert des fotodetektierten Stroms Iph
in Abhängigkeit von der an eine PIN-Fotodiode angelegten Vorspannung
zeigt.
-
- Fig. 3 zeigt eine PIN-Fotodiode mit Vorspannungsmitteln gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie die Transimpedanz-
Vorverstärkerstufe, an die sie angeschlossen sind.
-
- Fig. 4 und 5 sind Kurven, die jede ein absichtlich sehr einfaches
Beispiel für die empfangene Lichtleistung in Abhängigkeit von der Zeit
darstellt.
-
- Fig. 6 zeigt dieselben Vorspannungsmiftel wie die der Fig. 3, die jedoch
gemäß einem äquivalenten Sperrichtungs-Modus geschaltet sind.
-
In den verschiedenen Figuren sind Bauteile mit derselben Funktion jeweils mit
derselben Bezugsziffer versehen. Insbesondere sind in Fig. 3, die im folgenden
beschrieben wird, die Bauteile mit derselben Funktion wie der von Fig. 1 mit derselben
Bezugsziffer versehen.
-
In Fig. 3 wird eine PIN-Fotodiode 2 mit einer Anode 3, einem intrinsischen oder
Halbleiterbereich 4 und einer Kathode 5 durch eine modulierte Lichtquelle gespeist,
die in diesem Ausführungsbeispiel schematisch durch ein Ende 1 eines
Lichtwellenleiters dargestellt ist. Die Anode 3 der Fotodiode 2 ist mit einem negativen oder
invertierenden Eingang einer Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6 verbunden. Der
positive oder nicht-invertierende Eingang dieser Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6
ist in diesem Beispiel mit Erde verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand Rg 10 liegt
zwischen dem Ausgang 9 der Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6 und dem
invertierendem Eingang 7.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Vorspannungsmittel
zum Beispiel an einem Punkt A mit der Kathode 5 der PIN-Fotodiode 2 verbunden. In
dem dargestellten Beispiel enthalten diese Mittel, jeweils verbunden mit dem Punkt
A, einen Konstantstromgenerator 11, eine Kapazität 12 mit zwei Anschlüssen 13 und
14, von denen der Anschluß 14 mit dem Punkt A verbunden ist, eine Diode 15 mit
einer Kathode 16 und einer Anöde 17. Die Anode 17 der Diode 15 ist mit dem Punkt
A verbunden. Somit sind der Konstantstromgenerator 11, die Anode 17 der Diode 15
und ein Anschluß 14 der Kapazität 12 mit dem Punkt A an der Kathode 5 der PIN-
Fotodiode 2 verbunden. Die Mittel 11, 12 und 15 bilden in diesem
Ausführungsbeispiel die Vorspannungsmittel für die PIN-Fotodiode 2.
-
Die Wirkungsweise dieser Mittel wird nunmehr anhand der Fig. 2, 3, 4 und 5
beschrieben. Die Fig. 4 und 5 sind Kurven, die jede eine auf die PIN-Fotodiode 2
auftreffende Lichtleistung in Abhängigkeit von der Zeit darstellen. Diese Kurven
bestehen aus einer Folge von Nullwerten und positiven Werten, die alternierend
während gleicher Perioden aufeinander folgen. In Fig. 4 ist der positive Wert Phcrête
derart bemessen, daß die mittlere empfangene Leistung unterhalb eines
Schwellwertes Phseuil liegt, der in bekannter Weise aus der Sättigungsspannung der
Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6 bestimmt ist. Dieser Fall, der dem Fall entspricht, wo
die Sendequelle relativ weit von der PIN-Fotodiode 2 entfernt ist, entspricht dem
ersten Vorspannungszustand der erfindungsgemäßen Einrichtung. In Fig. 5 ist der
positive Wert Pncrete so gewählt, daß die mittlere empfangene Leistung größer ist als
ein Schwellwert Phseuil, der in bekannter Weise durch die Sättigungsspannung der
Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6 bestimmt ist. Dieser Fall, der dem Fall
entspricht, wo die Sendequelle sich relativ nahe zu der PIN-Fotodiode 2 befindet,
entspricht dem zweiten Vorspannungszustand der erfindungsgemäßen Einrichtung. Da
es sich in beiden Fällen um dieselbe Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6 handelt, ist
natürlich die mittlere Lichtleistung, die eine die Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6
sättigende Ausgangsspannung liefert, dieselbe. Ebenso ist in den beiden Fällen, die
hier absichtlich einfach gewählt wurden, die mittlere Empfangsleistung gleich der
Hälfte des Spitzenwerts der empfangenen Lichtleistung.
-
In den Fig. 4 und 5 ist die mittlere Empfangsleistung durch eine gestrichelte
Gerade parallel zu der Zeitachse und beim Wert Pmy dargestellt. Der Wert Pmy hat den
halben Wert des Wertes Phcrête. Der Wert Phseuil ist ebenfalls durch eine Parallele
zu der Zeitachse dargestellt. In Fig. 4 liegt der Wert Pmy unter dem Wert Phseuil. In
Fig. 5 ist das umgekehrt.
-
Es wird jetzt erläutert, wie sich die in Fig. 3 dargestellte Einrichtung gemäß der
Erfindung verhält, wenn die mittlere einfallende Lichtleistung kleiner ist als der
Leistungsschwellwert Phseuil (Fall von Fig. 4). Man erkennt zunächst, daß der
Konstantstromgenerator 11 einen programmierten Strom liefert Imy, der von dem Konstantstromgenerator
11 zum Punkt A fließt. Der Strom Imy ist so gewählt, daß eine
Spannung an den Anschlüssen des Rückkopplungswiderstands Rg 10 mit dem Wert
Imy · Rg unterhalb der Sättigungsspannung der Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6
liegt.
-
Wenn die Stromquelle angeschlossen ist, wird in einer Übergangsphase zunächst
die Kapazität 12 geladen. Die Spannung am Punkt A steigt an. Wenn diese
Spannung ausreicht, um die Diode 15 leitend zu steuern, beendet die Kapazität 12 ihre
Ladung. Der Strom Imy wird zu der leitenden Diode 15 umgeleitet. Die PIN-Fotodiode
2 ist in Sperrichtung vorgespannt, d. h., daß eine positive Spannung an ihre Kathode
5 angelegt ist. Der Vorspannungspunkt liegt zum Beispiel bei dem Wert Vpo auf der
Abszisse von Fig. 2. Wenn eine Lichtleistung an die PIN-Fotodiode 2 angelegt wird,
entsteht ein Strom zwischen der Kathode 5 und der Anode 3 der PIN-Fotodiode 2,
nämlich der Strom Iph. Da der Stromgenerator 11 konstant ist, erzeugt er somit in der
Diode 15 einen Strom
-
Imy - Iph.
-
Die Spannung am Punkt A bleibt gleich Vpo. Der Arbeitspunkt der PIN-Fotodiode 2 ist
immer durch die Vorspannung Vpo bestimmt. Wenn, wie wahlweise in Fig. 4
dargestellt, die Leistung Phcrete der Fotodetektion vorübergehend größer wird als die
Leistungsschwelle Phseuil, so bedeutet das, daß vorübergehend der augenblickliche
Strom Iph größer ist als Imy. Die Differenz Imy - Iph wird negativ. Das bedeutet, daß die
Kapazität 12 entladen wird. Der Wert der Spannung am Punkt A wird kleiner und
sperrt die Diode 15. Wenn die Dauer, während der Iph größer als Imy ist, ausreichend
kurz ist, wird der Spannungsabfall gering und beeinflußt nicht die Funktion der PIN-
Fotodiode 2, in dem Maß, wie es Fig. 2 zeigt, in einem weiteren Bereich um Vpo,
sind die Kurven C1 bis C5, die den Wert des fotodetektierten Stroms in Abhängigkeit
von der Vorspannung angeben, parametriert durch den Wert des fotodetektierten
Strom, vergleichbar mit zur Abszissenachse parallelen Geraden.
-
Unabhängig von dem Vorspannungspunkt um einen benachbarten Wert Vpo ist das
Ansprechverhalten der PIN-Fotodiode 2, das heißt der Wert des Stroms Iph, derselbe
und nur von dem Wert der empfangenen Lichtleistung abhängig.
-
Wenn die fotodetektierte Leistung kleiner wird als der Leistungsschwellwert Pnseuil,
wird der Wert des Stroms Imx - Iph positiv, und die Kapazität 12 empfängt einen
Ladestrom. Die Spannung am Punkt A steigt an, bis die Diode 15 leitend wird. Somit
bleibt, wenn der Mittelwert des fotodetektierten Stroms unter dem durch den
Konstantstromgenerator 11 gelieferten Wert bleibt, die PIN-Fotodiode 2 in Sperrichtung
vorgespannt. Fotodetektierte Ströme, die vorübergehend größer sind als der durch
den Konstantstromgenerator 11 gelieferte Strom, beeinflussen das Verhalten der
PIN-Fotodiode 2 nicht.
-
Im folgenden wird erläutert, wie sich die erfindungsgemäße
Vorspannungseinrichtung verhält, wenn die einfallende mittlere Lichtleistung über der Leistungsschwelle
Pnseuil bleibt. Der Konstantstromgenerator 11 liefert denselben Strom wie in dem
vorangehendem Fall. Dieser Strom ist nur abhängig von den Eigenschaften der
Transimpedanz-Vorverstärkerstufe 6.
-
Es sei angenommen, daß der Empfang des detektierten Signals nach dem
Einschalten der erfindungsgemäßen Einrichtung begonnen hat. Wie vorangehend
erläutert, ist die Spannung am Punkt A am Ende einer Übergangsphase derart, daß die
Diode 15 leitet. Die PIN-Fotodiode 2 ist bei dem Wert Vpo in Sperrichtung
vorgespannt.
-
Jedesmal, wenn der Wert des durch die PIN-Fotodiode 2 gelieferten Stroms größer
wird als der durch den Konstantstromgenerator 11 gelieferte Strom Imy, wird die
Kapazität 12 durch einen Entladestrom Iph - Imy entladen. Die Spannung am Punkt A
sinkt, und die Diode 15 wird gesperrt. Im entgegengesetztem Fall zu dem
vorangehendem Fall sind die Perioden der Neuladung der Kapazität 12 und die Werte des
Nachladestroms entsprechend den Perioden, wo die fotodetektierte Leistung kleiner
ist als die Leistungsschwelle Pnseuil, nicht ausreichend, die Kapazität 12 neu zu
laden. Es sei angenommen, daß, wie in Fig. 5 gezeigt, der fotodetektierte Strom im
Mittel größer ist als der durch den Konstantstromgenerator 11 gelieferte Strom.
Daraus ergibt sich, daß die Kapazität 12 regelmäßig entladen wird und selbst derart
geladen wird, daß die Spannung am Punkt A negativ wird. Die PIN-Fotodiode 2 wird in
Flußrichtung vorgespannt. Der Wert des durch die PIN-Fotodiode 2 gelieferten
fotodetektierten Strom für den Fall, daß diese in Flußrichtung vorgespannt ist, ist im linken
Teil der Fig. 2 dargestellt. Der Maßstab der Abszisse ist in diesem linken Teil
größer als der des rechten Teils, um die Kurven C1 bis C5 besser unterscheiden zu
können.
-
Somit wird die PIN-Fotodiode 2, wenn der Mittelwert des fotodetektierten Stroms
größer bleiben will als der programmierte Strom Img, in Flußrichtung vorgespannt.
Der Mittelwert des fotodetektierten Stroms wird auf den programmierten Wert Imy
stabilisiert. Eine derartige Stabilisierung beruht auf der folgenden Erscheinung:
Aufgrund des Spannungsabfalls zwischen der Anode 3 und der Kathode 5 der PIN-
Fotodiode 2 wird das elektrische Feld in dem intrinsischen Bereich oder
Halbleiterbereich 4 der PIN-Fotodiode 2 klein und nicht ausreichend, um eine gute Trennung der
Paare von positiven Elektronenlöchern zu gewährleisten. Es gibt somit eine gewisse
Rekombination der befreiten Paare von positiven Elektronenlöchern in dem
intrinsischen Bereich 4 aufgrund der Wirkung der einfallenden Photonen. Es stellt sich ein
Gleichgewicht ein zwischen dem Wert der Vorspannung in Flußrichtung aufgrund der
Entladung der Kapazität 12 und dem Maß der Rekombination der Paare von
positiven Elektronenlöchern. Der Gleichgewichtszustand ist derart, daß der Mittelwert des
fotodetektierten Stroms sich auf den Wert des durch den Konstantstromgenerator 11
gelieferten Stroms Imy einstellt. Dieser Arbeitspunkt verschiebt sich auf einer Geraden
parallel zu der Abszissenachse. Diese Gerade ist im linken Teil der Fig. 2
dargestellt.
-
Wegen der Anwesenheit des Kondensators 12 bleibt die für einen bestimmten
Mittelwert der Lichtleistung erhaltene Empfindlichkeit von dem Wert der
augenblicklichen Empfindlichkeit entkoppelt. Somit verschiebt sich, wenngleich der Arbeitspunkt
durch den Mittelwert der einfallenden Leistung bestimmt ist, der augenblickliche
Arbeitspunkt auf der Kurve C entsprechend diesem Punkt. Somit verschiebt sich in
Fig. 2, unter der Annahme, daß der Arbeitspunkt sich auf der Kurve C4 am
Schnittpunkt D der Kurve C4 und der Geraden Iph = Imy einstellt, der augenblickliche
Arbeitspunkt der PIN-Fotodiode 2 auf der Kurve C4, zum Beispiel zwischen den
Punkten C und D. Die langsamen und geringen Verschiebungen des Arbeitspunktes B um
seine Gleichgewichtslage aufgrund der langsamen Änderungen der Spannung an
dem Kondensator 12 beeinflussen nicht nennenswert die augenblickliche Empfindlichkeit.
Das ist bedingt durch die Tatsache, daß für kleine Verschiebungen von B die
Kurven C als örtlich parallel angesehen werden können.
-
Es ist somit ersichtlich, daß mit einfachen Mitteln der Arbeitspunkt der PIN-Fotodiode
2 automatisch oder selbsttätig verschoben wird. In einem ersten Fall, der einer
mittleren einfallenden optischen Leistung unterhalb eines einstellbaren Schwellwertes
Phseuil entspricht, ist die PIN-Fotodiode 2 in Sperrichtung vorgespannt und arbeitet
in bekannter Weise. In einem zweiten Fall, der einer mittleren einfallenden optischen
Leistung oberhalb dieses Schwellwertes Phseuil entspricht, wird die PIN-Fotodiode 2
in Flußrichtung vorgespannt. Die Vorspannung in Sperrichtung oder in Flußrichtung
stellt sich automatisch in Abhängigkeit von der mittleren einfallenden Leistung ein.
-
Bei einer Vorspannung in Flußrichtung verleiht die erfindungsgemäße Lösung
oberhalb einer bestimmten einfallenden optischen Leistung Phseuil der PIN-Fotodiode 2
eine Empfindlichkeit, die umgekehrt proportional zu dem Wert der einfallenden
optischen Leistung P ist. Auf diese Weise ist oberhalb dieser Leistung der Wert des
fotodetektierten Stroms unabhängig von dem Wert der einfallenden mittleren optischen
Leistung.
-
Die anhand der Fig. 3 beschriebenen Vorspannungsmittel haben den Vorteil, daß
sie einfach sind. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird leicht andere Mittel zur
Verschiebung des Arbeitspunktes in Abhängigkeit von der durch die PIN-Fotodiode 2
empfangenen einfallenden mittleren Leistung finden.
-
Zunächst können offensichtlich dieselben Mittel an die Anode 3 und nicht an die
Kathode 5 der PIN-Fotodiode 2 angelegt werden. Ein derartiger Fall ist in Fig. 6
dargestellt.
-
Diese Figur zeigt dieselben Bauteile wie diejenigen der Fig. 3. Jedoch sind in dem
Fall der Fig. 6 die Mittel zur Vorspannung der PIN-Fotodiode 2 nicht mit einem an
die Anode der PIN-Fotodiode 2 angeschlossenem Punkt E verbunden. In diesem
Verbindungsmodus ist es die Kathode 16 der Vorspannungsdiode 15, die mit dem
Punkt E verbunden ist. Der durch den Konstantstromgenerator 11 erzeugte Strom
fließt in diesem Fall vom Punkt E zu dem Konstantstromgenerator 11. Die
Wirkungsweise ist dieselbe wie in dem vorangehendem Fall.
-
In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform könnte die
Vorspannungsdiode 15 durch einen Transistor ersetzt sein, dessen Basis mit dem Punkt E
verbunden ist.
-
Schließlich kann der Fachmann auf diesem Gebiet sich auch andere
Vorspannungsmittel vorstellen, wobei diese Mittel in einem Parallelweg zu der PIN-Fotodiode
2 liegen und dann mit der einen und mit der anderen der Elektroden dieser PIN-
Fotodiode 2 verbunden sind.