DE2436239A1

DE2436239A1 - Nachrichtenfernuebertragungssystem mit optischen fasern

Info

Publication number: DE2436239A1
Application number: DE2436239A
Authority: DE
Inventors: Guy Chevalier; Auria Luigi D; Jean Claude Reymond
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-07-27
Filing date: 1974-07-26
Publication date: 1975-02-27
Also published as: US3943358A; JPS5045504A; FR2239063A1; GB1475134A; FR2239063B1

Description

Nachrichtenfernübertragungssystem mit optischen

Fasern

Es ist bereits vorgeschlagen worden, anstelle von gewöhnlichen Fernsprechkabeln Glasfaserbündel zu verwenden, die sich gegenüber Lichtstrahlen wie Höchstfrequenzhohlleiter verhalten. Diese Lichtstrahlen werden im allgemeinen amplitudenmoduliert und transportieren auf diese Weise die Nachricht. Leider verursachen diese Fasern, wie die Koaxialkabel, hohe Lichtenergieverluste, und es ist für die Fernübertragungen erforderlich, sogenannte Repeater (Verstärker) vorzusehen.

Diese Verstärker sind an den Ausgang einer Faser angeschlossen. Das optische Signal wird demoduliert, wobei die Nachricht in Form eines elektrischen Signals zurückgewonnen wird. Dieses elektrische Signal wird verstärkt und moduliert einen Elektrolumineszenz-Sender.

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Nun ist aber die Übertragungskennlinie der Elektrolumineszenzdioden nicht linear. Anders ausgedrückt, das ausgesandte Bündel ist keine lineare Funktion der Stärke des elektrischen Signals; diese Erscheinung ist die Ursache für Verzerrungen.

Das ist bei den Repeatern und den Endämtern von Nachteil, die für diese übertragungsleitungen bestimmt sind.

Die Erfindung bezweckt, einen Repeater für Kabel mit optischen Fasern zu schaffen, in welchem diese Verzerrungen beseitigt sind.

Der Repeater nach der Erfindung enthält Detektoreinrichtungen, die das Entnehmen des zu verstärkenden elektrischen Signals aus dem optischen Signal ermöglichen, und einen elektrooptischen Wandler, der das Umwandeln des elektrischen Signals in ein verstärktes optisches Signal ermöglicht.

Er ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingang der Detektoreinrichtungen und dem das verstärkte optische Signal liefernden Ausgang eine Gegenkopplungsschleife angeordnet ist, die aus einer optischen Faser besteht.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Schema einer optischen übertragungsleitung ,

Fig. 2 die Kennlinien der Lichtstärke in Abhängigkeit von dem Strom einer Elektrolumineszenzdiode ,

Fig. 3 das Schema eines Repeaters nach der Erfindung,

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Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des Ausgangs

des Repeaters nach der Erfindung,

Fig. 5 die Schaltung und Anbringung der Eingangsdiode eines Repeaters, und

die Fig.

6 und 7 abgewandelte Ausführungsformen des über-

tragungssystems nach der Erfindung.

Die Erfindung basiert auf der Tatsache, daß eine Elektrolumineszenzdiode Kennlinien der Lichtstärke in Abhängigkeit von dem sie durchfließenden Strom hat, die nicht linear sind.

Fig. 1 zeigt eine optische Übertragungsleitung mit ei: m Sender 101, der über zwei optische Faserbündel 104 und einen Repeater 102 mit einem Empfänger 103 verbunden ist. Der Repeater 102 hat die Aufgabe, die Ubertragungsverluste zu kompensieren. Wenn keine Repeater verwendet werden sollen, die in der Lage sind, den optischen Nachrichtenträgerkanal direkt zu verstärken, ist man gezwungen, die in dem optischen Signal enthaltene Nachricht mittels Fotodioden zu entnehmen und einen herkömmlichen Verstärker zu verwenden, der auf eine Elektrolumineszenzdiode arbeitet und auf diese Weise die von ihr ausgesandte Lichtstrahlung moduliert.

Fig. 2 zeigt die Kurven der in Abhängigkeit von dem die Diode durchfließenden Strom ausgesandten Strahlungsleistung. Es lassen sich mehrere Anomalien feststellen:

a) Die Lichtstrahlung wird nur erzeugt, wenn der die Diode durchfließende elektrische Strom einen bestimmten Schwellenwert erreicht (Teil A der Kurve);

b) die Leuchtkraftkurve ist zwischen zwei gut definierten

Werten I₁ und i₉ dieses Stroms (Teil B) linear; 50 9^8 09/0737

c) oberhalb des Wertes i, besteht eine Sättigungstendenz ; und

d) jeder Umgebungstemperatur entspricht eine gut festgelegte Kurve. Die Leistung nimmt mit der Temperatur ab.

Daraus ergibt sich eine Verzerrung in der Modulation der Leuchtkraft, da die Verstärkung oder das Verhältnis der Leuchtkraft zu dem Strom aufgrund seiner Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur selbst in dem linearen Teil der Kennlinien nicht konstant ist.

Schließlich hängt die Lichtstrahlungsleistung von der Frequenz des Eingangssignals ab.

Es ist folglich klar, daß selbst ein sehr linearer Verstärker keine guten Resultate liefern kann.

Die Erfindung sieht eine Einrichtung zum Kompensieren dieser Verzerrungen mittels einer Rückkopplungsschleife neuen Typs vor, die im folgenden beschrieben ist.

Der in Fig. 3 dargestellte Repeater enthält einen Verstärker 1, dessen Eingang über einen Kondensator 40 mit einem der Anschlüsse einer Fotodiode 2 verbunden ist. Dieser Anschluß ist über eine Widerstandsbrücke 3 mit dem Pluspol einer Hochspannungsquelle verbunden. Der andere Anschluß der Fotodiode 2 liegt an Masse. Die Fotodiode 2 empfängt die Lichtstrahlung aus der optischen Eingangsfaser 104. Der Ausgang des Verstärkers 1 ist mittels eines Kondensators 4, der mit einem Widerstand 5 ein Hochpaßfilter bildet und an dem Ausgang des Verstärkers jegliche Gleichstromkomponente beseitigt, mit dem Stromversorgungssystem einer Ausgangselektrolumineszenzdiode 6 verbunden. Dieses System enthält eine geregelte Stromversorgungseinheit 7, deren Pluspol über zwei in Kaskade geschaltete Transistoren 8 und 9 mit einem

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der Anschlüsse der Diode 6 verbunden ist. Der andere Anschluß der Diode 6 liegt an Masse.

Die Diode 6 beleuchtet den Eingang der optischen Ausgangsfaser 104. Sie beleuchtet außerdem eine optische Faser 11, die mit der Eingangsfaser 104 vor der Fotodiode 2 zusammengefügt ist."

Die gesamte Anordnung arbeitet folgendermaßen:

Im Ruhezustand, d.h. ohne auf die Diode 6 einwirkende Modulation sendet diese, da sie in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, eine Lichtstrahlung aus, die durch die optische Faser 104 übertragen wird.

E sei das von der Fotodiode 2 erfaßte Eingangssignal, das an dem Eingang des Verstärkers 1 anliegt. Dieses Signal ist beispielsweise eine amplitudenmodulierte Trägerwelle mit einer Frequenz f.

E sei die entsprechende Ausgangsträgerwelle. Jede In-

formation ΔΕ wird durch eine Zunahme oder eine Abnahme e

der Amplitude der Trägerwelle ausgedrückt. G sei der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 1, β der Gegenkopplungsfaktor aufgrund der Schleife 11.

Die Ausgangsträgerwelle E erfährt eine Amplituden-

änderung ΔΕ und es ergibt sich:

(ΔΕ. + βΔΕ ) G = ΔΕ_ο XS S

wobei geschrieben wird, daß die Amplitudenänderung ΔΕ der Trägerwelle E gleich der Amplitudenänderung der

Eingangsträgerwelle multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor G des Verstärkers ist.

Nun ist aber diese Amplitudenänderung gleich

E des Ausganges:

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da der Bruchteil ΔΕ des Ausgangssignals zu dem Eingang

zurückgeführt wird. Daraus ergibt sich: ΔΕ_β 1 - SG

ST. δ ^β

Daraus folgt, daß der Wert ΔΕ proportional zu dem Wert AE_e ist und daß diese beiden Werte entgegengesetzte Vorzeichen haben.

Diese Anordnung kann als Modul für die Eingangsendstation, die Repeater und die Ausgangsendstation dienen. Der Verstärker 1 der Sendestation kann nämlich die Trägerwelle direkt empfangen und ihre Modulation an den optischen Nachrichtenweg abgeben.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 kann sie als Repeater dienen, das Signal auf optischem Weg empfangen und das verstärkte optische Signal auf dem optischen Nachrichtenweg abgeben.

Desgleichen kann sie für die Endstation als Ausgang dienen, indem sie die Trägerwelle auf einem elektrischen Nachrichtenweg abgibt.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des Ausgangs des Repeaters nach der Erfindung.

Dieser Ausgang enthält die Diode 6. Diese Galliumarseniddiode ist auf einem metallischen Substrat 10 angebracht, welches zwei Klemmen 15 und 16 hat, die mit Masse bzw. mit der Stromversorgungseinheit 7 verbunden sind. Das metallische Substrat 10 hält mittels Drähten 13 und 14 einerseits die Ausgangsfaser 104 und andererseits die Gegenkopplungsfaser 11 fest. Die Durchmesser dieser Fasern liegen beispielsweise in der Größenordnung von 1O ,um bis 30 um.

Fig. 5 zeigt die Eingangsfotodiode 2 des Repeaters. Diese Fotodiode 2 ruht mittels einer Aluminiumschicht 21 auf

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einem Substrat 20 analog dem Substrat 10. Die Fotodiode 2 besteht aus einer Siliziumschicht, welche aus zwei Teilen gebildet ist, die Dotierungen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweisen und einen pn-übergang bilden. Die mit einer Goldschicht 22 überzogene Fotodiode 2 ist der Strahlung der Eingangsfaser 104 und der Gegenkopplungsfaser 12 ausgesetzt.

Der Gegenkopplungsfaktor ρ ist durch die Stellung einer Blende 23 festgelegt, die entsprechend ihrer einstellbaren Stellung, welche mittels eines in einem Halter gleitenden Stiftes 25 einstellbar ist, die Faser 12 mehr oder weniger abdeckt.

Im Rahmen der Erfindung können noch weitere Vorrichtungen verwendet werden.

Das in Fig. 6 dargestellte Beispiel zeigt einen Sender 101, der mit dem von Fig. 1 identisch ist. Die Elektrolumineszenzdiode 61 des Senders 101 ist nicht mit einer Gegenkopplungsfaser gekoppelt. Dagegen ist die Diode 62 des Endempfängers 102 über die Leitung 11 mit der Diode 21 des Senders 101 verbunden. Auf diese Weise wird eine Gegenkopplungsleitung eingespart. Diese Lösung ist nur in bestimmten Fällen von Vorteil.

Wenn nämlich L die Entfernung zwischen dem Sender 101 und dem Empfänger 102 ist, gilt für die Hin- und Zurückleitungszeit des Signals: t = 2 — n, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und η der Brechungsindex der Fasern ist. Diese Zeit t muß gegenüber der Periode -ψ der Trägerwelle klein sein und es muß gelten:

2 η L

Bei einer Entfernung L = 1km soll die Maximalfrequenz viel kleiner als 10⁵ Hz = 100 kHz sein.

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In Fig. 7 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher die optische Gegenkopplung durch direkte Strahlung von der Diode 6 auf die Diode 2 erfolgt.

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Claims

Patentansprüche :

Nachrichtenfernübertragungssystem mit optischen Fasern, welches eine Ausgangsstation, eine Endstation und Signalverstärkerstationen aufweist, die sämtlich durch optische Fasern miteinander verbunden sind, und bei welchem jede Ausgangs- und Endstation oder Verstärkerstation einen Verstärker mit einem Eingang und einem mit einer Elektrolumineszenzdiode versehenen Ausgang hat, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstärker Einrichtungen zum Aufnehmen eines Teils der Lichtenergie an dem Ausgang der Elektrolumineszenzdiode und Einrichtungen zum übertragen dieses Teils der Lichtenergie zu.dem Eingang einer der Stationen aufweist, die der betreffenden Station in der Nachrichtenübertragungsrichtung vorgeschaltet sind.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtungen mit dem Eingang der betreffenden Station verbunden sind.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtungen eine optische Faser enthalten, deren Eingang mit der Elektrolumineszenzdiode und deren Ausgang mit einer Fotodiode gekoppelt ist, die mit dem Eingang des Verstärkers gekoppelt ist.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiode mit der die Nachricht übertragenden optischen Faser gekoppelt ist.
5. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtungen eine direkte Kopplung zwischen einer Eingangsfotodiode und der Elektrolumineszenzdiode aufweisen.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale modulierte Trägerwellen

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sind und daß der Verstärker eine Gleichstromquelle enthält, die die Elektrolumineszenzdiode in Durchlaßrichtung vorspannt.

7- System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtungen Regulierorgane enthalten.

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