PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005010065A1 22.09.2005
Titel Photoelektrische Wandlervorrichtung und photoelektrisches Wandlersystem
Anmelder Yokogawa Electric Corporation, Musashino, Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Wada, Morio, Musashino, Tokio/Tokyo, JP;
Miura, Akira, Musashino, Tokio/Tokyo, JP;
Yakihara, Tsuyoshi, Musashino, Tokio/Tokyo, JP;
Oka, Sadaharu, Musashino, Tokio/Tokyo, JP;
Sato, Chie, Musashino, Tokio/Tokyo, JP;
Ikezawa, Katsuya, Musashino, Tokio/Tokyo, JP;
Kobayashi, Shinji, Musashino, Tokio/Tokyo, JP;
Iio, Shinji, Musashino, Tokio/Tokyo, JP;
Hayashi, Daisuke, Musashino, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Anmeldedatum 03.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005010065
Offenlegungstag 22.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.09.2005
IPC-Hauptklasse G01J 1/44
Zusammenfassung Eine photoelektrische Vorrichtung umfasst einen Phototransistor, der ein Lichtsignal empfängt uund in dem der Kollektorstrom in Übereinstimmung mit der Intensität des empfangenen Lichtsignals variiert, sowie einen Transistor, in dem der Kollektorstrom in Übereinstimmung mit der Basisspannung variiert. Der Phototransistor und der Transistor bilden eine Differentialverstärkungsschaltung. Der Phototransistor und/oder der Transistor geben ein elektrisches Signal aus.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht die Rechte der älteren japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-060116 vom 4. März 2004, deren gesamter Inhalt hier unter Bezugnahme eingeschlossen ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine photoelektrische Wandlervorrichtung, die ein Lichtsignal zu einem elektrischen Signal in Entsprechung zu der Intensität des Lichtsignals wandelt, sowie ein photoelektrisches Wandlersystem, das die photoelektrische Wandlervorrichtung verwendet. Insbesondere betrifft die Erfindung eine photoelektrische Wandlervorrichtung, die ein Lichtsignal einfach zu einem elektrischen Signal mit einer gewünschten Größe wandelt und das elektrische Signal ausgibt, und weiterhin ein elektrisches Wandlersystem, das die photoelektrische Wandlervorrichtung verwendet.

In optischen Kommunikationssystemen, Messvorrichtungen für die optische Kommunikation, optischen Verkabelungen, optischen Computern usw. wandelt häufig eine photoelektrische Wandlervorrichtung Lichtsignale zu elektrischen Signalen, wobei dann auf den elektrischen Signalen in einer folgenden Schaltung eine elektrische Verarbeitung ausgeführt wird. Wenn weiterhin Signale mit mehreren Eingaben verwendet werden (zum Beispiel wenn die Komponenten eines gemultiplexten Lichtsignals wie etwa eines Wellenlängen-gemultiplexten Lichtsignals oder eines Zeit-gemultiplexten Lichtsignals getrennt werden), ist eine photoelektrische Wandlervorrichtung mit jedem der Lichtsignale assoziiert.

4 ist eine Ansicht, die die Konfiguration eines Abschnitts zum Trennen von gemultiplexten Lichtsignalen sowie zum Wandeln der Lichtsignale zu elektrischen Signalen in einem optischen Kommunikationssystem zeigt (siehe zum Beispiel das weiter unten genannte Dokument (1)). Ein in 4 gezeigtes Arrayed Waveguide Grating 10 (nachfolgend mit AWG abgekürzt), an dem in den optischen Kommunikationssignalen übertragene Mehrfachwellenlängen-Lichtsignale (mit den Wellenlängen &lgr;1, &lgr;2, &lgr;3, ...) eingegeben werden, demultiplext die eingegebenen Lichtsignale zu Lichtsignalen mit den Wellenlängen &lgr;1, &lgr;2, &lgr;3, ... (d.h. führt eine Wellenlängen-basierte Trennung derselben durch) und gibt die gedemultiplexten Lichtsignale aus (siehe zum Beispiel das weiter unten genannte Dokument (2)).

Die Lichtsignale mit den Wellenlängen werden aus dem AWG 10 zu den Verzögerungsfasern DF1 bis DF3 eingegeben. Das Lichtsignal mit der Wellenlänge &lgr;1 zum Beispiel wird in die Verzögerungsfasern DF1 eingegeben. Das Lichtsignal mit der Wellenlänge &lgr;2 wird in die Verzögerungsfaser DF2 eingegeben. Das Lichtsignal mit der Wellenlänge &lgr;3 wird in die Verzögerungsfaser DF3 eingegeben. Dann verzögern die Verzögerungsfasern DF1 bis DF3 die Lichtsignale um eine vorbestimmte Zeitdauer und geben die verzögerten Lichtsignale aus. Es sind variable optische Dämpfer AT1 bis AT3 derart vorgesehen, dass sie jeweils mit den Verzögerungsfasern DF1 bis DF3 assoziiert sind. Die Lichtsignale werden von den Verzögerungsfasern DF1 bis DF3 jeweils in die variablen optischen Dämpfer AT1 bis AT3 eingegeben. Jeder der variablen Dämpfer AT1 bis AT3 dämpft die Intensität des Lichtsignals und gibt das gedämpfte Lichtsignal aus.

Photoelektrische Wandlervorrichtungen 20a bis 20c sind derart vorgesehen, dass sie jeweils mit den variablen optischen Dämpfern AT1 bis AT3 assoziiert sind. Lichtsignale werden von den variablen optischen Dämpfern AT1 bis AT3 in die photoelektrischen Wandlervorrichtungen 20a bis 20c eingegeben, die diese Lichtsignale zu elektrischen Signalen wandeln und dann die elektrischen Signale ausgeben. Weiterhin umfasst jede der photoelektrischen Wandlervorrichtungen 20a bis 20c eine Photodiode 21, einen Widerstand R, einen Operationsverstärker 22, einen Ausgangsanschluss 23 und eine Bias-Schaltung BC. Die Photodiode 21 ist an der Kathode mit der Bias-Schaltung BC verbunden. Der Operationsverstärker 22 ist an seinem nichtinvertierenden Eingangsanschluss mit der Erde GND verbunden und ist an seinem invertierenden Anschluss mit der Anode der Photodiode 21 verbunden. Der Ausgangsanschluss 23 jeder photoelektrischen Wandlervorrichtung 20a bis 20c ist mit demjenigen des Operationsverstärkers 22 verbunden. Weiterhin ist der Widerstand R mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 22 verbunden, um eine Gegenkopplungsschleife zu bilden.

4 zeigt jeweils nur drei der drei verschiedenen Komponenten, d.h. die Verzögerungsfasern DF1 bis DF3, die variablen optischen Dämpfer AT1 bis AT3 und die photoelektrischen Wandlervorrichtungen 20a bis 20c. Es kann aber natürlich auch eine andere Anzahl von Komponenten vorgesehen sein. Außerdem ist die Konfiguration der photoelektrischen Wandlervorrichtungen 20b und 20c derjenigen der photoelektrischen Wandlervorrichtung 20a ähnlich. Es ist also nur die Photodiode 21 gezeigt.

Im Folgenden wird der Betrieb dieses Abschnitts beschrieben.

Wellenlängen-gemultiplexte Lichtsignale werden in das AWG 10 eingegeben. Dann demultiplext das AWG 10 die Lichtsignale und gibt die gedemultiplexten Lichtsignale in die Verzögerungsfasern DF1 bis DF3 ein. Die Verzögerungsfasern DF1 bis DF3 verzögern die Lichtsignale, die aus dem AGW 10 ausgegeben werden und geben die verzögerten Lichtsignale jeweils an die variablen optischen Dämpfer AT1 bis AT3 aus.

Dann dämpfen die variablen optischen Dämpfer AT1 bis AT3 die Lichtsignale. Die Dämpfungsgröße wird dabei angepasst, indem Differenzen in der Intensität zwischen den Lichtsignalen und im Spannungspegel berücksichtigt werden, die bei der Umwandlung in den photoelektrischen Wandlervorrichtungen 20a bis 20c verursacht werden.

Daraufhin werden die durch die variablen Dämpfer AT1 bis AT3 gedämpften Lichtsignale jeweils in die Photodioden 21 der photoelektrischen Wandlervorrichtungen 20a bis 20c eingegeben. Dann geben die Photodioden 21 elektrische Signale mit Spannungspegeln, deren Wert jeweils der Intensität des assoziierten Lichtsignals entspricht, an eine folgende elektrische Schaltung (nicht gezeigt) aus.

Im Folgenden wird ein Beispiel zum Demultiplexen der Lichtsignale unter Verwendung von optischen Kopplern und Wellenlängen-Filtern ohne Verwendung des AWG 10 beschrieben. 5 ist eine Ansicht, die eine andere Konfiguration eines Abschnitts zum Trennen von Komponenten eines gemultiplexten Lichtsignals und zum Wandeln des Lichtsignals zu elektrischen Signalen zeigt. In 5 werden identische Teile wie in 4 durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Teile verzichtet wird.

Wie in 5 gezeigt, sind die optischen Koppler CP1 und CP3 sowie die variablen Wellenlängen-Filter FL1 bis FL3 anstelle des Abschnitts in dem AWG 10 vorgesehen. Der optische Koppler CP1, an dem das Wellenlängen-gemultiplexte Lichtsignal eingegeben wird, verzweigt dieses Lichtsignal zu zwei Lichtsignalen. Jeder der optischen Koppler CP2 und CP3 verzweigt das Lichtsignal, das von einem der Ausgangsanschlüsse eines vorgeordneten optischen Kopplers CP1 oder CP2 eingegeben wird, zu zwei Lichtsignalen. Das Verzweigungsverhältnis der Intensität jedes optischen Kopplers liegt bei 1:1.

Die Lichtsignale werden von anderen Ausgangsanschlüssen der optischen Koppler CP1 bis CP3 jeweils in die variablen Wellenlängen-Filtern F11 bis FL3 eingegeben. Die variablen Wellenlängen-Filter FL1 bis FL3 übertragen nur Lichtsignale mit vorbestimmten Wellenlängen und geben die übertragenen Lichtsignale jeweils zu den Verzögerungsfasern DF1 bis DF3 aus.

Im Folgenden wird der Betrieb einer derartigen Vorrichtung beschrieben.

Wellenlängen-gemultiplexte Lichtsignale werden in den optischen Koppler CP1 eingegeben. Dann verzweigt der optische Koppler CP1 das Lichtsignal zu zwei Lichtsignalen und gibt die zwei Lichtsignale zu dem variablen Wellenlängen-Filter FL1 und dem optischen Kopple CP2 aus. Entsprechend verzweigt der optische Koppler CP2 ein Lichtsignal, das eingegeben wird, zu zwei Lichtsignalen und gibt diese zwei Lichtsignale zu dem folgenden optischen Koppler CP3 und dem variablen Wellenlängen-Filter FL2 aus. Entsprechend verzweigt der optische Koppler CP3 das eingegebene Lichtsignal zu zwei Lichtsignalen und gibt diese zwei Lichtsignale zu einem folgenden optischen Koppler (nicht gezeigt) und zu dem variablen Wellenlängen-Filter FL3 aus.

Weiterhin übertragen die variablen Wellenlängen-Filter FL1 bis FL3 nur die Lichtsignale mit den gewünschten Wellenlängen und geben die übertragenen Lichtsignale an die Verzögerungsfasern DF1 bis DF3 aus. Zum Beispiel überträgt der variable Wellenlängen-Filter FL1 nur das Lichtsignal mit der Wellenlänge &lgr;1. Das variable Wellenlängen-Filter FL2 überträgt nur das Signal mit der Wellenlänge &lgr;2. Das variable Wellenlängen-Filter FL3 überträgt nur das Lichtsignal mit der Wellenlänge &lgr;3.

Die Operationen zum Verzögern der Lichtsignale unter Verwendung der Verzögerungsfasern DF1 bis DF3, zum Dämpfen des Lichtsignals unter Verwendung der variablen optischen Dämpfer AT1 bis AT3 und zum Wandeln der Lichtsignale zu elektrischen Signalen unter Verwendung der photoelektrischen Wandelvorrichtungen 20a bis 20c sind denjenigen der Vorrichtung von 4 ähnlich. Es wird deshalb hier auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet.

Es wird auf die folgenden Dokumente aus dem Stand der Technik verwiesen:

  • (1) JP-A-2000-244458 (Absätze 0020 bis 0024 und 1 und 2)
  • (2) H. Takahashi, I. Nishi und Y. Hibino: "10GHz SPACING OPTICAL FREQUENDY DIVISION MULTIPLEXER BASED ON ARRAYED-WAVEGUIDE GRATING", ELECTRONIC LETTERS, Institution of Electrical Engineers, February 1992, Vol. 28, No. 4, Seiten 380-382.

Die gedemultiplexten Lichtsignale werden durch die photoelektrischen Wandlervorrichtungen 20a bis 20c zu elektrischen Signalen gewandelt. Für die Verarbeitung der gewandelten elektrischen Signale müssen jedoch die Signalpegel (zum Beispiel ein hoher oder niedriger Spannungspegel) der elektrischen Signale denselben Wert aufweisen. Natürlich gilt dasselbe auch für das Trennen von Komponenten des Zeitgemultiplexten Lichtsignals.

Wenn die Signalpegel durch das Anpassen der Pegel der Lichtsignale angepasst werden, passen die variablen optischen Dämpfer AT1 bis AT3 die Pegel der Lichtsignale an. Wenn alternativ hierzu die Signalpegel beim Wandeln der Lichtsignale zu elektrischen Signalen angepasst werden, ist eine Verstärkerschaltung (nicht gezeigt) nach den photoelektrischen Wandlervorrichtungen 20a bis 20c vorgesehen. Die Signalpegel werden durch diese Verstärkerschaltung angepasst.

Wenn jedoch die photoelektrischen Wandlerschaltungen 20a bis 20c die Lichtsignale zu elektrischen Signalen wandeln, ist die Beziehung zwischen der Intensität des Lichtsignals und dem Signalpegel des elektrischen Signals fixiert. Wenn also alle gemultiplexten Lichtsignale variieren oder wenn nur das Lichtsignal einer bestimmten Wellenlänge variiert, müssen die Dämpfungsgrößen jede der variablen optischen Dämpfer AT1 bis AT3 und die Verstärkung der Verstärkungsschaltung (nicht gezeigt) in Übereinstimmung mit den Werten der Intensität des Lichtsignals, das nicht gedemultiplext ist, und der Intensität des gedemultiplexten Signals angepasst werden. Deshalb ist die Anpassung kompliziert und aufwändig.

Weiterhin ist in dem konkreten System von 4 und 5 eine Variation des Eingabeverlusts der einzelnen optischen Komponenten wie etwa des AWG 10, der optischen Koppler CP1 bis CP3, der variablen Wellenlängen-Filter FL1 bis FL3, der Verzögerungsfasern DF1 bis DF3, der variablen optischen Dämpfer AT1 bis AT3 und der Photodioden 21 gegeben. Die Anpassung kann also nicht einfach erreicht werden, indem der Widerstandswert des Widerstands R der einzelnen photoelektrischen Vorrichtungen geändert wird. Es muss eine Feinanpassung der Dämpfungsgröße und der Verstärkung vorgenommen werden. Diese Anpassung ist kompliziert und aufwändig.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine photoelektrische Wandlervorrichtung, mit der ein Lichtsignal einfach zu einem elektrischen Signal mit einem gewünschten Signalpegel gewandelt werden kann, sowie ein photoelektrisches Wandlersystem unter Verwendung der photoelektrischen Wandlervorrichtung anzugeben.

Die Erfindung gibt eine photoelektrische Wandlervorrichtung an, die ein Lichtsignal zu einem elektrischen Signal in Entsprechung zu der Intensität des Lichtsignals wandelt, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Photowiderstand, der ein Lichtsignal empfängt und in dem der Kollektorstrom in Übereinstimmung mit der Intensität des empfangenen Lichtsignals variiert, und einen Transistor, in dem der Kollektorstrom in Übereinstimmung mit der Basisspannung variiert, wobei der Phototransistor und der Transistor eine Differentialverstärkungsschaltung bilden und wobei der Phototransistor und/oder der Transistor ein elektrisches Signal ausgeben.

Die photoelektrische Wandlervorrichtung umfasst weiterhin eine Bezugsstromquelle, wobei die Bezugsstromquelle mit dem Emitter des Phototransistors verbunden ist, eine Konstantspannungsquelle über einen ersten Widerstand mit dem Kollektor des Phototransistors verbunden ist, die Bezugsstromquelle mit dem Emitter des Transistors verbunden ist und eine Konstantspannungsquelle über einen zweiten Widerstand mit dem Kollektor des Phototransistors verbunden ist, wobei das elektrische Signal aus dem Kollektor des Phototransistor und/oder des Transistors ausgegeben wird.

Weiterhin wird die Beziehung zwischen der Intensität des Lichtsignals und einem Spannungspegel des elektrischen Signals durch den Spannungspegel der an der Basis des Transistors angelegten Bezugsspannung geändert.

Die Erfindung gibt weiterhin ein photoelektrisches Wandlersystem an, das eine Vielzahl von Lichtsignalen jeweils zu einem elektrischen Signal wandelt, wobei das System umfasst: eine Vielzahl von photoelektrischen Wandlervorrichtungen, die jeweils eine Differentialwandlerschaltung umfassen, die durch einen Phototransistor und einen Transistor gebildet wird und ein elektrisches Signal aus dem Phototransistor und/oder dem Transistor ausgibt; und einen Bezugsspannungs-Anpassungsteil, der den Spannungspegel einer an der Basis des Transistors angelegten Bezugsspannung in jeder photoelektrischen Wandlervorrichtung in Übereinstimmung mit elektrischen Signalen anpasst, die jeweils aus den photoelektrischen Wandlervorrichtungen ausgegeben werden.

Weiterhin ist jedes der Lichtsignale ein Signal, das durch das Durchführen einer Zeit-basierten Trennung auf einem Zeitgemultiplexten Lichtsignal erhalten wird.

Weiterhin ist jedes der Lichtsignale ein Signal, das durch das Durchführen einer Wellenlängen-basierten Trennung auf einem Wellenlängen-gemultiplexten Lichtsignal erhalten wird.

Weiterhin weist jede der photoelektrischen Wandlervorrichtungen eine Bezugsstromquelle auf, die mit dem Emitter des Phototransistors verbunden ist, wobei weiterhin eine Konstantspannungsquelle über einen ersten Widerstand mit dem Kollektor des Phototransistor verbunden ist, die Bezugsstromquelle mit dem Emitter des Transistors verbunden ist und eine Konstantspannungsquelle über einen zweiten Widerstand mit dem Kollektor des Phototransistors verbunden ist, und wobei das elektrische Signal aus dem Kollektor des Phototransistors und/oder des Transistors ausgegeben wird.

Die Erfindung bietet die folgenden Vorteile.

Gemäß der photoelektrischen Wandlervorrichtung bilden der Phototransistor und der Transistor eine Differentialverstärkungsschaltung. Die Differentialeingangsspannung zwischen einer Spannung aufgrund eines an dem Phototransistor eingegebenen Lichtsignals und einer an dem Transistor eingegebenen Bezugsspannung wird zu einem einseitigen Strom gewandelt. Die Beziehung zwischen der Intensität des in den Phototransistor eingegebenen Lichtsignals und dem Spannungspegel eines auszugebenden elektrischen Signals wird nur durch das Anpassen des Spannungspegels der Bezugsspannung bestimmt. Folglich kann das Lichtsignal einfach zu einem elektrischen Signal mit einem gewünschten Signalpegel gewandelt werden.

Gemäß der photoelektrischen Wandlervorrichtung wird die Beziehung zwischen der Intensität des Lichtsignals und dem Spannungspegel des auszugebenden elektrischen Signals in Übereinstimmung mit dem Spannungspegel der Bezugsspannung geändert. Also auch wenn die Intensität des in den Phototransistors eingegebenen Lichtsignals variiert, kann ein elektrisches Signal, dessen Signalpegel immer konstant ist, ausgegeben werden. Dadurch wird die in der folgenden elektrischen Schaltung durchzuführende Signalverarbeitung vereinfacht.

Gemäß dem photoelektrischen Wandlersystem passt der Bezugsspannungs-Steuerteil den Spannungspegel der an der Basis des Transistors angelegten Bezugsspannung in jeder photoelektrischen Wandlervorrichtung in Übereinstimmung mit elektrischen Signalen an, die jeweils aus den photoelektrischen Wandlerschaltungen ausgegeben werden. Folglich können die Signalpegel der elektrischen Signale aus der Vielzahl von photoelektrischen Wandlervorrichtungen aneinander angeglichen werden.

1 zeigt die Konfiguration einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

2 zeigt eine äquivalente Schaltung eines Phototransistors.

3 zeigt die Konfiguration einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

4 zeigt eine Konfiguration eines Lichtempfangsteils eines optischen Kommunikationssystems, das eine herkömmliche photoelektrische Vorrichtung verwendet.

5 zeigt eine andere Konfiguration des Lichtempfangsteils des optischen Kommunikationssystems der herkömmlichen photoelektrischen Vorrichtung.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt die Konfiguration einer photoelektrischen Wandlervorrichtung. Wie in 1 gezeigt, gibt eine Bezugsstromquelle 31 einen Konstantbezugsstrom I1 an die Erde GND aus.

Ein Phototransistor 32 ist über seinen Emitter mit der Bezugsstromquelle 31 verbunden. Der Kollektor ist über einen ersten Widerstand R1 mit einer Konstantspannungsquelle Vcc verbunden. Der Phototransistor 32 empfängt ein Lichtsignal (zum Beispiel das gedemultiplexte Lichtsignal von 4 und 5). Ein Kollektorstrom IPE des Phototransistors 32 variiert in Übereinstimmung mit der Intensität des empfangenen Lichtsignals.

2 zeigt eine äquivalente Schaltung des Phototransistors 32. In dieser Figur werden identische Komponenten wie in 1 durch gleiche Bezugszeichen angegeben. Es wird hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet. Wie in 2 gezeigt, gibt eine Photodiode 2a, an der ein Lichtsignal eingegeben wird, einen Photostrom IPD in Entsprechung zu der Intensität des Lichtsignals aus. Ein Transistor 32b ist an seinem Emitter mit dem Widerstand R1 verbunden. Der Kollektor ist mit der Bezugsstromquelle 31 verbunden. Der Photostrom IPD wird an der Basis eingegeben.

Wie in 1 gezeigt, ist ein npn-Typ-Bipolartransistor 33 am Emitter mit der Bezugsstromquelle 31 verbunden. Der Kollektor ist über einen zweiten Widerstand R2 mit der Konstantspannungsquelle Vcc verbunden. Eine Bezugsspannung wird an der Basis angelegt. Der Kollektorstrom IRE des Transistors 33 variiert in Übereinstimmung mit der Bezugsspannung. Das heißt, der Phototransistor 32 und der Transistor 33 sind mit derselben Bezugsstromquelle 31 verbunden und bilden eine Differentialverstärkungsschaltung. Ein Ausgangsanschluss 34 ist zwischen dem Kollektor des Transistors 33 und dem Widerstand R2 vorgesehen und gibt ein elektrisches Signal aus, das durch das Wandeln eines Lichtsignals erhalten wird.

Im Folgenden wird der Betrieb einer derartigen Vorrichtung beschrieben.

Die Bezugsstromquelle 31 gibt immer einen Konstantbezugsstrom I1 aus. Wenn ein Lichtsignal in den Phototransistor 32 eingegeben wird, wird ein Photostrom IPD in Entsprechung zu der Intensität dieses Lichtsignals ausgegeben. Folglich wird ein Strom IPE zu der Bezugsstromquelle 31 über die Konstantspannungsquelle Vcc, den Widerstand R1 und den Phototransistor 32 ausgegeben. Allgemein wird der durch die folgende Gleichung wiedergegebene Strom IPE aus dem Emitter ausgegeben. Dabei gibt hFE die Stromverstärkung des Phototransistors 32 wieder.

IPE = IPD + hFE × IPD

= (1 + hFE) × IPD

Der Phototransistor 32 gibt also den Strom IPE in Entsprechung zu der Intensität des Lichtsignals aus. Wenn dagegen die Bezugsspannung an der Basis des Transistors 33 angelegt wird, wird der Strom IRE zu der Bezugsstromquelle 31 über die Konstantspannungsquelle Vcc, den Widerstand R2 und den Transistor 33 ausgegeben. Es wird also der Strom IRE in Entsprechung zu dem Spannungspegel der Bezugsspannung ausgegeben. Folglich wird ein elektrisches Signal mit einem Spannungspegel, der dem Kollektorstrom des Transistors 33 entspricht, aus dem Ausgangsanschluss 34 ausgegeben.

Weiterhin sind der Phototransistor 32 und der Transistor 33 mit der gemeinsamen Bezugsstromquelle 31 verbunden. Die Summe der Ströme IPE und IRE ist also eine konstante Größe, wie durch die folgende Gleichung wiedergegeben.

I1 = IPE + IRE

Das heißt, auch wenn der Spannungspegel Vref der Bezugsspannung konstant ist, variiert der Spannungspegel Vout an dem Ausgangsanschluss 34 in Übereinstimmung mit der Intensität des in den Phototransistor 32 eingegebenen Lichtsignals. Und auch wenn die Intensität des Lichtsignals konstant ist, variiert der Spannungspegel Vout an dem Ausgangsanschluss 34 in Übereinstimmung mit dem Spannungspegel Vref der Bezugsspannung.

Dabei kann die Beziehung zwischen der Intensität des in den Phototransistor 32 eingegebenen Lichtsignals und dem Spannungspegel des von dem Ausgangsanschluss 34 ausgegebenen elektrischen Signals geändert werden, indem nur der Spannungspegel Vref der Bezugsspannung angepasst wird.

Die Differentialverstärkungsschaltung wird also durch den Phototransistor 32 und den Transistor 33 gebildet, sodass die Differentialeingangsspannung zwischen der Spannung aufgrund des in den Phototransistor 32 eingegebenen Lichtsignals und der in den Transistor 33 eingegebenen Bezugsspannung zu dem einseitigen Strom I1 gewandelt wird. Deshalb wird die Beziehung zwischen der Intensität des in den Phototransistor 32 eingegebenen Lichtsignals und dem Spannungspegel des aus dem Ausgangsanschluss 34 ausgegebenen elektrischen Signals bestimmt, indem nur der Spannungspegel Vref der Bezugsspannung angepasst wird. Folglich kann ein Lichtsignal einfach zu einem elektrischen Signal mit einem gewünschten Signalpegel gewandelt werden.

Weil die Beziehung zwischen der Intensität des Lichtsignals und dem Spannungspegel des aus dem Ausgangsanschluss 34 ausgegebenen elektrischen Signals geändert wird, indem der Spannungspegel Vref der Bezugsspannung angepasst wird, kann ein elektrisches Signal, dessen Signalpegel immer konstant ist, auch dann ausgegeben werden, wenn die Intensität eines in den Phototransistor 32 eingegebene Lichtsignals variiert. Dadurch wird die in einer folgenden elektrischen Schaltung durchzuführende Signalverarbeitung vereinfacht.

Außerdem müssen kein variabler optischer Dämpfe, der im Vergleich zu einem optischen Dämpfer mit einer fixen Dämpfungsgröße kostspieliger ist, und keine Verstärkungsschaltung in einer folgenden Stufe des Systems vorgesehen werden. Dadurch werden die Kosten reduziert. Die Konfiguration wird also vereinfacht. Außerdem kann die gesamte photoelektrische Wandlerschaltung einschließlich des Phototransistors 32 einfach auf einem Halbleiter auf demselben Substrat hergestellt werden.

Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform beschrieben.

3 ist eine Ansicht eines photoelektrischen Wandlersystems und zeigt ein Beispiel, in dem die photoelektrische Wandlervorrichtung von 1 in einem Lichtempfangsteil eines optischen Kommunikationssystems verwendet wird. In 3 werden identische Komponenten wie in 1 und 4 durch gleiche Bezugszeichen angegeben und es wird auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet. 3 zeigt nur einen Abschnitt zum Wandeln von Lichtsignalen mit den Wellenlängen &lgr;1 und &lgr;2 zu elektrischen Signalen.

Wie in 3 gezeigt, ist der variable optische Dämpfer vollständig aus diesem Abschnitt entfernt. Es sind photoelektrische Wandlervorrichtungen 30a und 30b derart darin vorgesehen, dass sie jeweils mit Verzögerungsfasern DF1 und DF2 assoziiert sind. Ein Lichtsignal mit einer Wellenlänge &lgr;1 wird von der Verzögerungsfaser DF1 in die photoelektrische Wandlervorrichtung 30a eingegeben. Ein Lichtsignal mit einer Wellenlänge &lgr;2 wird von der Verzögerungsfaser DF2 in die photoelektrische Wandlervorrichtung 30b eingegeben. Weiterhin wandeln die photoelektrischen Wandlervorrichtungen 30a und 30b die Lichtsignale mit den Wellenlängen &lgr;1 und &lgr;2 jeweils zu elektrischen Signalen und geben die elektrischen Signale an den Ausgangsanschlüssen 34 aus. Die photoelektrischen Vorrichtungen 30a und 30b sind übrigens die in 1 gezeigten.

Weiterhin ist zusätzlich ein Bezugsspannungs-Steuerteil 40 vorgesehen. Elektrische Signale werden von der photoelektrischen Wandlervorrichtung 30a und 30b zu dem Bezugsspannungs-Steuerteil 40 eingegeben, der Bezugsspannungen zu den photoelektrischen Wandlervorrichtungen 30a und 30b ausgibt. Übrigens bilden die photoelektrischen Wandlervorrichtungen 30a und 30b sowie der Bezugsspannungs-Steuerteil 40 das photoelektrische Wandlersystem.

Im Folgenden wird der Betrieb eines derartigen Teils beschrieben.

Ähnlich wie der in 4 gezeigte Teil demultiplext ein AWG 10 ein Wellenlängen-gemultiplextes Lichtsignal und gibt ein Lichtsignal mit einer Wellenlänge &lgr;1 und ein Lichtsignal mit einer Wellenlänge &lgr;2 jeweils an eine Verzögerungsfaser DF1 und an eine Verzögerungsfaser DF2 aus. Dann verzögern die Verzögerungsfasern DF1 und DF2 die von dem AWG 10 eingegebenen Lichtsignale um eine vorbestimmte Zeit und geben die verzögerten Signale an die photoelektrischen Wandlervorrichtungen 30a und 30b aus.

Dann wandelt die photoelektrische Wandlervorrichtung 30a das Lichtsignal mit einer Wellenlänge &lgr;1 zu einem elektrischen Signal mit einem Spannungspegel Vout1, das der Intensität des Lichtsignals entspricht, und gibt das elektrische Signal zu einer folgenden elektrischen Schaltung (nicht gezeigt) und dem Bezugsspannungs-Steuerteil 40 aus. Ähnlich wandelt die photoelektrische Wandlervorrichtung 30b das Lichtsignal mit der Wellenlänge &lgr;2 zu einem elektrischen Signal mit einem Spannungspegel Vout2, das der Intensität des Lichtsignals entspricht, und gibt dieses elektrische Signal zu einer folgenden elektrischen Schaltung (nicht gezeigt) und dem Bezugsspannungs-Steuerteil 40 aus.

Dann analysiert der Bezugsspannungs-Steuerteil 40 die Spannungspegel Vout1 und Vout2 der elektrischen Signale, zu denen die Lichtsignale mit einem hohen Pegel gewandelt wurden, und entscheidet, ob die elektrischen Signale einen vorbestimmten Spannungspegel aufweisen oder nicht. Wenn ein Fehler auftritt, ändert der Bezugsspannungs-Steuerteil 40 die Spannungspegel Vref1 und Vref2 der an den Basen der Transistoren 33 der photoelektrischen Wandlervorrichtungen 30a und 30b eingegebenen Bezugsspannungen.

Wenn zum Beispiel der Spannungspegel Vout1 des aus der photoelektrischen Wandlervorrichtung 30a eingegebenen elektrischen Signals zu niedrig ist, hebt der Bezugsspannungs-Steuerteil 40 den Spannungspegel Vref1 Bezugsspannung für die Eingabe in die photoelektrische Wandlervorrichtung 30a. Wenn umgekehrt der Spannungspegel Vout2 des von der photoelektrischen Wandlervorrichtung 30b eingegebenen elektrischen Signals zu hoch ist, senkt der Bezugsspannungs-Steuerteil 40 den Spannungspegel Vref2 der Bezugsspannung für die Eingabe in die Wandlervorrichtung 30b.

Folglich werden die Spannungspegel Vout1 und Vout2 der elektrischen Signale aus den photoelektrischen Wandlersignalen 30a und 30b zu demselben Spannungspegel angepasst.

Der Bezugsspannungs-Steuerteil 40 passt die Spannungspegel Vref1 und Vref2 der Bezugsspannungen für die Eingabe in die photoelektrischen Wandlervorrichtungen 30a und 30b in Übereinstimmung mit den Signalpegeln der elektrischen Signale aus den photoelektrischen Wandlervorrichtungen 30a und 30b an. Folglich können zwischen den photoelektrischen Wandlervorrichtungen 30a und 30b die Signalpegel der elektrischen Signale auf den gleichen Pegel gesetzt werden. Dadurch wird die Signalverarbeitung in einer folgenden elektrischen Schaltung vereinfacht. Außerdem müssen kein variabler optischer Dämpfe, der im Vergleich zu einem optischen Dämpfer mit fixer Dämpfung kostspielig ist, und keine Verstärkungsschaltung in einer folgenden Stufe des Systems vorgesehen werden.

Übrigens ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Es können die folgenden Modifikationen vorgenommen werden.

Die vorstehende Beschreibung nahm auf die Konfiguration der Vorrichtung von 1 Bezug. Das elektrische Signal wird hier von dem Kollektor des Transistors 33 ausgegeben, wobei es jedoch auch von dem Kollektor des Phototransistors 32 ausgegeben werden kann. Alternativ können die elektrischen Signale auch vom Kollektor des Phototransistors 32 und vom Kollektor des Transistors 33 ausgegeben werden.

Die vorstehende Beschreibung nimmt auf die Konfiguration der Vorrichtung von 3 Bezug. Das Wellenlängengemultiplexte Lichtsignal wird hier durch das AWG 10 gedemultiplext, wobei derartige Signale auch unter Verwendung der optischen Koppler CP1 bis CP3 und der variablen Wellenlängen-Filter FL1 bis FL3 wie in 5 gezeigt und nicht durch das AWG 10 gedemultiplext werden können.

Alternativ dazu kann die Vorrichtung auch derart modifiziert werden, dass die Wellenlängen-basierte Trennung auf Zeitgemultiplexten Lichtsignalen und nicht auf Wellenlängengemultiplexten Lichtsignalen durchgeführt wird, wobei die getrennten Lichtsignale dann zu elektrischen Signalen umgewandelt werden. In diesem Fall reicht es aus, wenn die Zeit-basierte Trennung des gemultiplexten Lichtsignals erreicht wird. Deshalb sind die variablen Wellenlängen-Filter FL1 bis FL3 nicht erforderlich. Die Lichtsignale werden vorzugsweise durch jede der Verzögerungsfasern DF1 bis DF3 um eine vorbestimmte Zeit verzögert. Daraufhin wird die Zeitbasierte Trennung der verzögerten Lichtsignale durchgeführt, indem die verzögerten Lichtsignale miteinander synchronisiert werden. Danach werden die Lichtsignale zu der in 1 gezeigten photoelektrischen Wandlervorrichtung ausgegeben.

3 zeigt jeweils nur zwei der beiden verschiedenen Komponentenarten, d.h. die zwei Verzögerungsfasern DF1 und DF2 sowie die zwei photoelektrischen Wandlervorrichtungen 30a und 30b in dem Abschnitt. Natürlich kann aber eine beliebige Anzahl von Komponenten vorgesehen werden.

3 zeigt die Konfiguration, die durch das Verwenden der photoelektrischen Vorrichtung gemäß der Erfindung und des photoelektrische Wandlersystems einschließlich der photoelektrischen Vorrichtung auf den Lichtempfangsteil des optischen Kommunikationssystems erhalten wird. Die photoelektrische Vorrichtung gemäß der Erfindung und das photoelektrische Wandlersystem einschließlich der photoelektrischen Vorrichtung können auch auf eine andere Vorrichtung zum Wandeln von Lichtsignalen zu elektrischen Signalen als dem optischen Kommunikationssystem angewendet werden (zum Beispiel in Messvorrichtungen für die optische Kommunikation, in optischen Verkabelungen und in optischen Computern).


Anspruch[de]
  1. Photoelektrische Wandlervorrichtung, die ein Lichtsignal zu einem elektrischen Signal in Entsprechung zu der Intensität des Lichtsignals wandelt, mit:

    einem Phototransistor (32), der ein Lichtsignal empfängt und in dem ein Kollektorstrom in Übereinstimmung mit der Intensität des empfangenen Lichtsignals variiert, und

    einem Transistor (33), in dem ein Kollektorstrom in Übereinstimmung mit der Basisspannung variiert,

    wobei der Phototransistor (32) und der Transistor (32) eine Differentialverstärkungsschaltung bilden, und

    der Phototransistor (32) und/oder der Transistor (33) ein elektrisches Signal ausgeben.
  2. Photoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch:

    eine Bezugsstromquelle (31),

    wobei die Bezugsstromquelle (31) mit dem Emitter des Phototransistors (32) verbunden ist und eine Konstantspannungsquelle (Vcc) über einen ersten Widerstand (R1) mit dem Kollektor des Phototransistors (32) verbunden ist,

    die Bezugsstromquelle (31) mit dem Emitter des Transistors (33) verbunden ist und eine Konstantspannungsquelle (Vcc) über einen zweiten Widerstand (R2) mit dem Kollektor des Phototransistors (32) verbunden ist, und

    das elektrische Signal von dem Kollektor des Phototransistors (32) und/oder dem Kollektor des Transistors (33) ausgegeben wird.
  3. Photoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beziehung zwischen der Intensität des Lichtsignals und dem Spannungspegel des elektrischen Signals durch den Spannungspegel der an dem Transistor (33) angelegten Bezugsspannung geändert wird.
  4. Photoelektrisches Wandlersystem, das jedes aus einer Vielzahl von Lichtsignalen zu einem elektrischen Signal wandelt, mit:

    einer Vielzahl von photoelektrischen Wandlervorrichtungen (30a, 30b) mit jeweils einer Differentialverstärkungsschaltung, die durch einen Phototransistor (32) und einen Transistor (33) gebildet wird und ein elektrisches Signal von dem Phototransistor (32) und/oder dem Transistor (33) ausgibt, und

    einem Bezugsspannungs-Anpassungsteil (40), der den Spannungspegel einer an der Basis des Transistors (33) in jeder photoelektrischen Wandlervorrichtung (30a, 30b) angelegten Bezugsspannung in Übereinstimmung mit elektrischen Signalen anpasst, die jeweils aus jeder der photoelektrischen Wandlervorrichtungen (30a, 30b) ausgegeben werden.
  5. Photoelektrisches Wandlersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Lichtsignale ein Signal ist, das durch das Durchführen einer Zeit-basierten Trennung auf einem Zeitgemultiplexten Signal erhalten wird.
  6. Photoelektrisches Wandlersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Lichtsignale ein Signal ist, das durch das Durchführen einer Wellenlängen-basierten Trennung auf einem Wellenlängen-gemulitplexten Lichtsignal erhalten wird.
  7. Photoelektrisches Wandlersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass

    jede der photoelektrischen Wandlervorrichtungen (30a, 30b) eine Bezugsstromquelle umfasst,

    die Bezugsstromquelle (31) mit dem Emitter des Phototransistors (32) verbunden ist und eine Konstantspannungsquelle (Vcc) über einen ersten Widerstand (R1) mit dem Kollektor verbunden ist,

    die Bezugsstromquelle (31) mit dem Emitter des Transistors (33) verbunden ist und eine Konstantspannungsquelle (Vcc) über einen zweiten Widerstand (R2) mit dem Kollektor des Phototransistors (32) verbunden ist, und

    das elektrische Signal von dem Kollektor des Phototransistors (32) und/oder dem Kollektor des Transistors (33) ausgegeben wird.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com