DE69305036T2

DE69305036T2 - Optischer Sender-Empfänger für optische Datenübertragung und Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE69305036T2
Application number: DE69305036T
Authority: DE
Inventors: Florence Barnabe; Jean-Marc Defrancq; Alain Rouzier
Original assignee: Thomson Hybrides
Current assignee: Thomson Hybrides
Priority date: 1992-09-01
Filing date: 1993-08-24
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2013-08-25
Also published as: CA2101978A1; EP0586285B1; FR2695215B1; US5349462A; DE69305036D1; FR2695215A1; EP0586285A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sende/Empfangs-Kopf, der für die Datenübertragungen oder die Telekommunikation über Lichtleitfasern oder optische Systeme verwendet wird.
Dieser optische Kopf, der entwickelt worden ist, um mit einer einzigen Lichtleitfaser zu arbeiten und dabei die Übertragung der Signale in den zwei Richtungen (Vollduplex) zu gewährleisten, verwendet nur ein einziges optoelektronisches Bauelement, das ein Haibleiterlaser ist, der von einer Umschalt- Schaltung unterstützt wird, die zur Erfindung gehört.
Ein solches optoelektronisches Sender/Empfänger-Bauelement, das mit einer Umschalt-Schaltung eines anderen Typs versehen ist, ist in der EP-A-0330190 offenbart.
Es ist bekannt, daß die Lichtleitfasern ein sehr leistungsfähiges und sehr schnelles Mittel für den Datenaustausch bilden, insbesondere weil die Lichtgeschwindigkeit höher als die Elektronengeschwindigkeit ist. Die Technologie der Optoelektronik ist jedoch nicht so ausgereift wie die Elektronik, insbesondere im Gebiet der Umschaltung eines Lichtstrahlenbündels.
Deswegen besteht das in Fig. 1 dargestellte einfachere Schema für die Übertragung von Daten darin, zwei Lichtleitfasern zu nutzen, die jeweils an ihren zwei Enden mit einem Halbleiter- Lichtsender S bzw. einem Halbleiter-Lichtempfänger E versehen sind, wobei die zwei Sende- und Empfangsschaltungen in zwei entgegengesetzten Richtungen arbeiten.
Es kann auch nur eine einzige Lichtleitfaser verwendet werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, in diesem Fall muß jedoch zwischen die Lichtieitfaser und jede ihrer Abschlußschaltungen ein Demultiplexierer oder Umschalter U eingefügt sein: die meisten von ihnen, die tatsächlich verwendet werden, basieren auf Reflexionen und sind eher mechanisch als elektronisch konstruiert.
Da für keinen der Fälle bekannt ist, wie zwischen den Lichtstrahlenbündeln zufriedenstellend umgeschaltet werden soll, werden zwei Typen von unterschiedlichen Bauelementen zum Senden und Empfangen als Endeinrichtung der Lichtleitfaser, also vier Halbleiterchips, verwendet.
Die Steuerschaltunqen dieser Halbleiterbauelemente sind ziemlich einfach und in den Fig. 3 bis 5 gezeigt.
Beim Senden ist die Endstufe des Sendeverstärkers - Fig. 3 - gewöhnlich durch ein differentielles Paar von Transistoren gebildet, die durch eine Stromquelle Imax und eine Stromquelle Imin gesteuert werden, welche ihrerseits an eine Laserdiode angeschlossen sind Falls es sich um eine digitale Übertragung handelt, werden die Daten D und an die Basen der Transistoren angelegt und steuern Imax, der durch den in Durchlaßrichtung vorgespannten Laser fließt.
Der Aufbau von Fig 4 ist zu demjenigen von Fig. 3 äquivalent: anstelle der direkten Steuerung von Imax und Imin, die durch den Laser fließen, wird im differentiellen Paar, das an den Laser angeschlossen ist, Imoy gesteuert, zu dem die Stromexkursion ΔI/2 hinzugefügt wird, die durch die Daten D und gesteuert wird, die an ein anderes differentielles Paar angelegt werden.
Beim Empfang folgt dem in Gegenrichtung gespeisten Photoempfänger ein Verstärker, dessen bekannter einfachster und wirksamster Aufbau derjenige ist, der mit Transimpedanz bezeichnet wird und in Fig. 5 gezeigt ist. Der Photoempfänger ist vom Typ einer lichtempfindlichen Diode.
Die Erfindung schafft für die Verwirklichung von Verbindungen für optische Datenübertragungen in den digitalen oder analogen Systemen eine große Vereinfachung, indem ein optischer Sende/Empfangs-Kopf vorgeschlagen wird, der nur ein einziges optoelektronisches Bauelement verwendet, nämlich eine Laserdiode, die sowohl beim Senden (10 GHz) als auch beim Empfangen (3 GHz) gute Eigenschaften aufweist.
Die Verwendung einer Laserdiode als Photoempfänger wird durch die Umschalt-Schaltung, den Gegenstand der Erfindung, ermöglicht, welche ihrerseits die elektrische Isolation entweder der Erregungsschaltung zum Senden oder der Erfassungsschaltung ermöglicht, wobei jedoch in jedem Fall ein gemeinsames Bauelement beibehalten wird, welches der zum Senden in Durchlaßrichtung und zum Erfassen in Sperrichtung vorgespannte Laser ist.
Genauer betrifft die Erfindung einen optischen Kopf zum Senden/Empfangen, der eine optoelektronische Schaltung besitzt, die auf ein optisches System ausgerichtet ist, wobei dieser optische Kopf dadurch gekennzeichnet ist, daß er ein einziges optoelektronisches Bauelement besitzt, das ein Halbleiterlaser ist, der von einer Umschalt-Schaltung unterstützt wird, die eine Vorspannung in Sperrichtung des Lasers zum Empfang sicherstellt.
Die Erfindung wird besser verständlich durch die folgende Beschreibung eines Anwendungsbeispiels, die in Verbindung mit den im Anhang beigefügten Figuren beschrieben werden, welche zeigen:
- Fig. 1 und 2: allgemeine Schemata von optischen Verbindungen mit zwei Lichtleitfasern bzw. einer Lichtleitfaser,
- Fig. 3 und 4: elektrische Schaltbilder für die Vorspannung eines Lasers beim Senden gemäß dem Stand der Technik,
- Fig. 5: ein elektrisches Schaltbild zum Vorspannen einer Photodiode beim Empfang gemäß dem Stand der Technik,
- Fig. 6 und 7: Schaltbilder der Umschalt-Schaltung gemäß der Erfindung in ihren zwei Zuständen.
Da der optische Kopf gemäß der Erfindung nur ein einziges optoelektronisches Sender/Empfänger-Bauelement besitzt, erfordert er nur eine einzige Lichtleitfaser für die Übertragung der Daten ohne Demultiplexierer wie im Stand der Technik von Fig. 2. Die Fig. 6 und 7 zeigen das elektrische Schaltbild der Umschalt-Schaltung gemäß der Erfindung, das geteilt worden ist, um die Funktionsweise beim Senden (Fig. 6) und beim Empfangen (Fig. 7) besser zu verstehen. Es ist jedoch für den Fachmann klar, daß das Beispiel, das für die Veranschaulichung der Erfindung gewählt worden ist, an andere Typen von Halbleiterbauelementen (NPN, PNP, FETs, ...) oder an andere Vorspannungen angepaßt werden kann und daß die Lichtleitfaser durch ein atmosphärisches optisches System mit oder ohne Linsen ersetzt sein kann, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
Diese Schaltung enthält im wesentlichen:
- vier Dioden, die zwischen einer ersten und einer zweiten Spannungsquelle, z. B. Masse und eine negative Versorgungsquelle -V, in Durchlaßrichtung in Serie geschaltet sind. Die zweite dieser vier Dioden ist die Laserdiode DL;
- einen Sendeverstärker AE, dessen Ausgang mit der Katode der letzten Diode D3 verbunden ist;
- einen Empfangsverstärker AR, dessen Eingang mit der Katode der ersten Diode D1 verbunden ist;
- zwei Steuerungen C, die von einer dritten Spannungsquelle versorgt werden und aus zwei Transistoren Q1 und Q2 gebildet sind, deren Emitter mit der Anode der zweiten Diode D2 für Q1 und mit der Katode derselben Diode D2 für Q2 verbunden sind. Die Basen der Transistoren werden über Teilerbrücken versorgt.
Für die Dioden D1, D2, D3 bieten die schnellen Dioden des Schottky-Typs zwei Vorteile: ihre Zeitkonstante ist klein und ihre Schaltzeit kann kleiner als 250 ns sein, ferner ist der Spannungsabfall an ihren Anschlüssen gering, wodurch die Schaltungen gegenüber einer herkömmlichen Verwendung ohne Schottky-Dioden - ohne diese Umschalt-Schaltung - wenig modifiziert wird.
Für die zwei Steuereingänge C sind die Transistoren Q1 und Q2 vorzugsweise vom NPN-Bipolartyp: ihre geringe Basis-Kollektor- Kapazität und eine große Transitfrequenz für einige Milliampère ermöglichen, ein Durchlaßband von ungefähr 1 GHz zu erhalten.
Das Schaltbild der Fig. 6 und 7 zeigt, daß die Sende- und Empfangsverstärker Eingänge (AE) und Ausgänge (AR) besitzen, die an digitale Daten angepaßt sind. Ihr an analoge Daten angepaßtes Äquivalent mit einem einzigen Eingang und einem einzigen Ausgang würde die Ausführung der Erfindung ebensogut ermöglichen.
Fig. 6 erläutert die Funktionsweise des optischen Kopf 5 und der Umschalt-Schaltung beim Senden. Die Steuerungen C liegen beispielsweise auf der logischen Null, d. h., daß die Transistoren Q1 und Q2 gesperrt sind und in der Umschalt-Schaltung keine Wirkung haben. Falls die Transistoren Q1 und Q2 normalerweise durchlassende Feldeffekttransistoren sind, sind die Steuerungen C jedoch auf "logischer 1". Die Dioden D1 bis 3 und der Laser DL sind in Durchlaßrichtung vorgespannt Der Eingang des Empfangsverstärkers AR wird bei ungefähr -0,7 V gesperrt, was dem Spannungsabfall in D1 entspricht, außerdem ist der Verstärker AR selbst gesperrt. Die Laserdiode DL ist im Sendemodus zwischen -0,7 V (bei der Katode von D1) und ungefähr -3,1 V am Ausgang des Verstärkers AE in Durchlaßrichtung vorgespannt und setzt die vom Sendeverstärker als Strom i1 geschickten Daten in optische Leistung um, die zur Lichtleitfaser F0 gesendet wird.
Es ist ersichtlich, daß der Sendeverstärker AE beim Senden arbeitet, während der Empfangsverstärker AR durch die Vorspannung von -0,7 V, die an seinen Eingang über D1 angelegt wird, gesperrt wird, wobei allein das Vorhandensein von D1 dem Umschalten des Empfangsverstärkers AR dient.
Die Funktionsweise beim Empfang des optischen Kopfs und der Umschalt-Schaltung ist in Fig. 7 erläutert, die mit Fig. 6 vergleichbar ist, bei der jedoch die Ströme verschieden sind. Ein optisches Signal, das von der Lichtleitfaser F0 transportiert wird, wird von der Laserdiode DL erfaßt, falls sich diese im Empfangsmodus befindet, d. h. in Sperrichtung vorgespannt ist. Um diese Vorspannung in Sperrichtung zu erhalten, werden die Steuerungen C auflogische 1 vorgespannt und sind die Transistoren Q1 und Q2 leitend. Durch die Laserdiode DL fließt ein Strom i&sub2; in Gegenrichtung von der positiven Versorgung des Transistors Q1 zur Masse des Empfangsverstärkers AR, der daher an seinen Ausgängen die von der Lichtleitfaser F0 stammenden Informationen überträgt.
Der Strom i&sub2; wird durch die Diode D1, die gesperrt ist, und durch die Diode D2, die ebenfalls gesperrt ist, geleitet. Wenn nämlich die beiden Punkte der Anode und der Katode der Diode D2 mit A bzw. mit B bezeichnet werden, Punkte, mit denen die Emitter der Transistoren Q1 und Q2 verbunden sind, ist D2 gesperrt, weil mittels der Teilerbrücken, die an den Basen der Transistoren Q1 und Q2 angeschaltet sind, bei B eine Spannung gewählt worden ist, die größer als die Spannung bei A ist: D2 ist in Sperrichtung vorgespannt.
Die Wahl der Widerstände der Teilerbrücken wird durch den Wert der Spannung bei A, die aufgeprägt wird, um die äquivalente Kapazität des in Sperrichtung vorgespannten Lasers zu verringern, angeleitet.
Während der Empfangsperioden arbeitet der Sendeverstärker AE: er wird von einem Strom i&sub3; versorgt, der von der positiven Versorgung des Transistors Q2 stammt, durch D3 fließt und zur negativen Versorgung des Verstärkers AE wird. Dieser Strom i&sub3; ist vom Strom i&sub2; durch die gesperrte Diode D2 isoliert. Ebenso befinden sich die zwei Verstärker im Empfangsmodus im Betriebszustand, die Informationen, die vom Verstärker AE Übertragen werden könnten, werden jedoch durch D2 gesperrt. Da jedoch AE konstant arbeitet, geht der optische Kopf dennoch schneller von einem Sendezustand in einen Empfangszustand über und umgekehrt.
Die Umschalt-Schaltung ist unter Verwendung der Dioden D1 bis D3 dargelegt worden, mit denen die verschiedenen Teile der Schaltung entsprechend ihrer Verwendung zum Senden oder Empfangen isoliert werden. Es sind mehrere Varianten möglich, die zum Gebiet der Erfindung gehören, beispielsweise:
- die drei Dioden D1 bis D3 können durch als Dioden geschaltete Bipolartransistoren ersetzt sein, was ermöglicht, eine homogene Technologie zu erhalten, um die Verstärker und die Transistoren Q1, Q2 und D1 bis D3 zu integrieren;
- die Diode D1 kann durch einen Feldeffekttransistor ersetzt sein: dies erfordert offensichtlich eine Gatespannung VG, die bei einer Diode nicht notwendig war, es ermöglicht jedoch die Modulation des äquivalenten Widerstandes in bezug auf den Eingangswiderstand des Empfangsverstärkers mit Transimpedanz;
- die Steuertransistoren Q1 und Q2 können durch Logikgatter des UND-Typs oder des ODER-Typs ersetzt sein.
Selbstverständlich kann der optische Kopf gemäß der Erfindung auch Daten in analoger Elektronik senden oder empfangen: es ist ausreichend, die Eingangs- und Ausgangsverstärker hinsichtlich des Offsets, des Verstärkungsfaktors usw. anzupassen.
Sie benötigen nicht mehr zwei Eingänge Di und i und zwei Ausgänge D&sub0; und &sub0;: für sie ist ein auf eine Masse bezogener Kanal ausreichend.
Der optische Kopf gemäß der Erfindung wird allgemein im Gebiet der optischen Datenübertragungen entweder für die Telekommunikation oder die Instrumententechnik angewendet.

Claims

1. Umschalt-Schaltung für die Unterstützung eines Halbleiterlasers (DL), der im Sende- und Empfangsbetrieb arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält:

- eine erste Diode (D1), den Laser (DL), eine zweite (D2) und eine dritte (D3) Diode, die zwischen einer ersten und einer zweiten Spannungsquelle in Durchlaßrichtung in Serie geschaltet sind,

- einen Sendeverstärker (AE), dessen Ausgang an die Katode der dritten Diode (D3) angeschlossen ist,

- einen Empfangsverstärker (AR), dessen Eingang an die Katode der ersten Diode (D1) angeschlossen ist,

- zwei Steuermittel (Q1, Q2), wovon das erste an die Anode (A) der zweiten Diode (D2) und das zweite (Q2) an die Katode (B) dieser zweiten Diode (D2) angeschlossen ist, wobei diese zwei Steuermittel (Q1, Q2) durch eine dritte Spannungsquelle versorgt werden.

2. Umschalt-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (Q1, Q2) im Lichtsendemodus gesperrt sind und der Laser (DL) in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wobei ein erster Strom (i1) von der ersten zur zweiten Spannungsquelle durch die Dioden (D1 bis 3 und DL) zum Sendeverstärker (AE) fließt.

3. Umschalt-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (Q1, Q2) im Lichtempfangsmodus in der Weise leitend gemacht werden, daß die Spannung an der Katode der zweiten Diode (D2) größer als die Spannung an der Anode derselben Diode (D2) ist, welche somit gesperrt ist, und der Laser (DL) in Sperrichtung vorgespannt ist, wobei ein zweiter Strom (i2) durch das erste Steuermittel (Q1), die Laserdiode (DL) und den Empfangsverstärker (AR) fließt, wobei dieser Strom (i2) von der restlichen Schaltung durch die erste (D1) und die zweite (D2) Diode, die beide gesperrt sind, getrennt ist.

4. Umschalt-Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeverstärker (AE) im Empfangsmodus arbeitet, jedoch vom Laser (DL) durch die zweite, gesperrte Diode (D2) getrennt ist.

5. Umschalt-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (Q1, Q2) Bipolartransistoren sind.

6. Umschalt-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (Q1, Q2) Logikgatter sind.

7. Umschalt-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D1 bis 3) als Dioden geschaltete Transistoren des Bipolartyps oder des Feldeffekttyps sind.