Передающее оптоэлектронное устройство Советский патент 1989 года по МПК H04B9/00 

сд

00

00

со

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в волоконно-оптических системах передачи цифровых и аналоговых сигналов. Цель изобретения - повышение надежности работы устройства путем табилизации максимальной излучаемой мощности и ограничения максимального тока накачки полупроводникового излучателя и упрощение устройства. Для достижения поставленной цели в устройство введены преобразователь 1 напряжение-ток, источник 3 дополнительного тока, коммутатор 5, преобразователь 9 ток-напряжение, два двухполупериодных выпрямителя 11, 13, вычитатель 16, усилитель-ограничитель 18 постоянного тока, интегратор 20 и пороговый элемент 21. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

cffue.i

Изобретение относится к оптоэлект- ронике и может быть использовано в волоконно-оптических системах передачи цифровых и анапоговых сигналов.

Целью изобретения является повышение надежности работы устройства путем стабилизации максимальной излучаемой мощности и ограничения максимального тока накачки полупроводнико- вого излучателя и упрощение устройства.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 а,б,в,г,д - временные диаграм- мы сигналов, поясняющие его работу. Передающее оптоэлектронное устройство содержит преобразователь 1 напряжение-ток, источник 2 тока смещения, источник 3 дополнительного тока, фотодетектор 4, коммутатор 5, сумматор 6, ключ 7, первый широкополосный усилитель 8, преобразователь 9 ток-напряжение, первый вычитатель 10, первый двухполупериодный выпрями- тель 11, второй широкополосный усилитель 12, второй двухпопупериодный выпрямитель 13, первый интегратор 14, источник 15 напряжения, третий 16 и

второй 17 вычитатели, усилитель-огра- ничитель 18 постоянного тока, полупроводниковый излучатель 19, второй интегратор 20 и пороговый элемент 21.

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал U, поступает на вход преобразователя 1 тока, который преобразует его на инверсном своем - выходе в ток 1, на прямых выходах- в ток т ф и в ток х ф (фиг .26,в) ,при- чем полярность сигнальной составляю. щей тока l соответствует таковой ijkoAHoro сигнала и противоположна полярности сигнальной составлямцей тока 1ф. Квазимаксимапьное и квазимини- мапьное значения последнего равны соCTBeTCTBeifflo 1,0+ Хфп и 1фо ( размах сигнальной составляющей тока 1 составляет 21, , значения тока 1

равные-Iflpo ерп 1фо I 94

, 1срн и 1ФО+ 1фп, соответствуют мгновенным значениям и , UCM , О , -Ugy и -Ucf, в сигнале Uj. (фиг.2346). Величину Тфи-1(рп необходимо в 1бирать возможно MeHbDie (

- 1.).

Тогда появление во входном сигнале U(. положительных мгновенных значений, превышающих (положительных

выбросов), приводит к уменьшению до нуля (отсечка) точка Lp, что эквивалентно включению на входе передающего модуля ограничителя положительного максимума.

Ток 1ф , в отличие от Iф , принципиально может заходить в область отрицательного тока, его квазимакси- мапьное и квазиминимальное значения равны соответственно Inn и Imo - I(in . Форма сигнальной составляющей IФР точно соответствует форме I , а размах составляет 21„ .

Ток Itp по форме точно повторяет Iq, и отличается от него лишь масштабным коэффициентом. Ток Ijp изменя нщийся в пределах от Тд 1ФР+ 1ФПI поступает на информационный вход второго широкополосного усилителя 12 постоянного тока, превращающего его в модулирукяций ток. Усилитель 12 (инвертирукщий) обладает равномерной амплитудно-частотной характеристикой в диапазоне частот преобразуемых сигналов и регулируемым коэффициентом усиления, причем регулировка усиления, выполняемая по управлякщему входу, является частотно-независимой .

В рассматриваемом случае управляющее напряжение с выхода второго интегратора 20 равно нулю. При этом коэффициент усиления усилителя 12 принимает номинальное значение.

Модулирующий ток, изменяюгцийся по закону преобразуемого сигнала, поступает на первый вход третьего вычитат ля 16. На второй вход последнего с первого выхода усилителя-ограничителя 18 постоянного тока подается опорный ток. Вычитатель 17 образует ток

накачки полупроводникового излучателя 19 в виде разности опорного и модлирующего токов. Инверсией полярност сигнальной составляющей тока на инверсном выходе преобразователя 1 и повторной инверсией за счет операции вычитания в вычитателе 17 обеспечивается положительная полярность сигнальной составляющей мощности оптческого излучения, при которой минимальному и мaкcимaпьнo ry уровням сигнала соответствуют значения мощности

- 1ИИЧ

и Р

максС полупроводниковым излучателем 19 (лазером) оптически связан фотодетектор 4, выполняющий линейное преобразование мощности оптического излу5151

чения в ток. Ток фотодетектора 4 усиливается первым широкополосным усилителем 8 тока. Последний является неинвертирующим и имеет полосу пропускания, соответствующую верхней граничной частоте преобразуемых сигналов. В результате на его первом выходе присутствует ток IP . соответствующий модулирующему, который поступает на первый вход первого вычитателя 10.

В рассматриваемом случае пороговый элемент 21 вырабатывает напряжение низкого уровня. Оно поддерживает коммутатор 5, являющийся коммутатором тока, в состоянии, разрешающем прохождение сигнала с первого входа Коэффициент передачи тока электронного коммутатора равен 1, В результате на второй вход сумматора 6 подается ток 1 (фиг.2в). На первый вход сумматора 6 поступает формируемый источником 2 тока смещения постоянный ток смещения, На нулевой стадии деградации полупроводникового излучателя 19 при номинальной температуре окружающей среды напряжение низкого УРОВНЯ с порогового элемента 21 поддеривает электронный ключ 7 в закрытом состоянии, и ток источника 3 дополнительного тока не проходит на третий вход сумматора 6. На выходе последнего, таким образом, присутствует сумма тока смещения и тока Im. Первая схема 10 вычитаьшя образует разостный сигнал. Равенство размахов сигнальных составляющих токов 1., и 1 достигается соответствующим выбоом параметров усилителя 8. На вход первого интегратора 14 вследствие компенсации сигнальных составляющих токов Im и In поступает постоянный ток. Интегратор имеет большую постоянную времени, ограниченную сверху лишь максимальной скоростью изменения энергетической характеристики полупроводникового излучателя 19 под влиянием факторов температуры и деградации. Постоянный (отфильтрованный) ток с его выхода усиливается усилителем- ограничителем 18 постоянного тока, формирующим на своем первом выходе необходимое значение опорного тока 1д„,

Преобразователь 9 осуществляет пре образование ток-напряжение и образует на выходе напряжение, прямо пропорциональное переменной составляющей входного сигнсола. Второй двухполупериод76

ный выпрямитель 13 выполняет опер.щию взятия модуля входного сигнала.

На втором выходе первого широкопо- лосного усилителя 8 постоянного тока, являющемся, как и первый, неинверти- рукщим, сигнал подвергается дополнительному преобразованию ток-напряжение и с потерей постоянной составляющей проходит на первый двухполупе- риодный выпрямитель 11. Выпрямитель 1 1 выполняет функ1Ц1ю, аналогичную функции выпрямителя 13, и имеет одинаковые с ним рабочие харакгерметики.Второй , интегратор 20, как и первый

интегратор 14, имеет большую постоянную времени, ограниченную сверху максимальной скоростью изменения энергетической характеристики под влиянием

дестабилизирукхцих факторов. На его выходе возникает постоянное отфильтрованное управляющее напрялсение, поступающее на управляющий вход второго широкополосного усилителя 12 постоянного тока. Повышение температуры

окружающей среды сопровождается увеличением порогового тока и уменьшением надпороговой крутизны эниргетической характеристики.

При неизменных модулирующем и опорном токах это привело бы к уменьшению уровней мощности оптического излучения Рд4акс РО РМИИ уменьшению перепада уровней Р,с1кс РЛМШ. равного размаху сигнальной состаиляю;цей мощности

При этом снижет:е сигнальной составляющей мощности излучения приводит К уменьшению напряжения на втором выходе первого шттрокоцолосного

усилителя 8 постоянного тока, и соответственно, к появлению некоторого положительного управляющего напряжеия на выходе второго интегратора 20. Второй широкополосный усилитель 12

тока выполнен так, что увеличение напряжения на его управляющем входе по- ьщ1ает коэффициент усиления. Модули- ругаций ток возрастйет до тех пор,пока напряжение на втором выходе усилителя8 снова не окажется равным (с некоторой погрешностью) напряжению на выходе преобразователя 9„ Тем самым с заданной степе; ью точности поддерживается постоянство сигнальной

оставляющей мощности оптического изучения. Точность регулирования, вы- полнЯ бмого цепью регул фова1и1я сигнальной составляющей, образуемой первым 11 и вторым 13 двухполупериодным .

выпрямителями, второй схемой 17 вычитания, вторым интегратором 20 и другими блоками, прямо пропорциональна величине коэффициента петлевого усиления. Последнюю можно выбрать весьма большой, учитывая, что регулирование осуществляется на постоянном токе. Второй интегратор 20 должен

отрабатывать изменения энергетической Q увеличивает входной ток усилителяхарактеристики под влиянием фактора температуры и деградации, которые происходят достаточно медленно, поэтому его постоянную времени, как и постоянную времени первого интеграто- 5 ра 14, допустимо и желательно иметь значительной.

ограничителя J8 и поддерживает посл ний в нелинейном режиме на всем эта перехода оптоэлектронного модуля в режим пониженной.сигнальной составл ющей, поэтому уменьшение цепью регулирования сигнальной составляющей модулирующего тока и связанное с этим увеличение постоянной составля щей тока на первом выходе усилителя 8 не выводят усилитель 18 из нелинейного режима, в результате чего отсутствует неустойчивое состояние.

Уменьшение уровней Р

РМИН ПОД

макс

,РО

и

влиянием температуры сопровождается уменьшением тока на выходе усилителя 8, Понижение уровня тока -увеличивает входной ток усилителя- ограничителя 18 постоянного тока,что при неизменном коэффициенте его усиления приводит к повышений опорного тока Ign и восстановлению исходных уровней излучения. Требуемая точност регулирования, выполняемого цепью регулирования постоянной составляю- щей мощности излучения, образуемой первой схемой 10 вычитания, первым инте гратором 14, усилителем-ограничителем 18 постоянного тока и другими блoкa ш, обеспечивается выбором величины коэффициента петлевого усиления.

Аналогично осуществляется процесс регулирования при уменьшении температуры окружающей среды.

До тех пор, пока IOH меньше предельно допустимого тока, пороговый элемент 21 формирует на своем выходе напряжение низкого уровня, поддерживающее ключ 7 в закрытом состоянии, а коммутатор 5 - в состоянии, разрешающем прохождение сигнала с первого входа. При достижении 1, предельно допустимого .тока срабатывает пороговый элемент 21, На выходе последне- г6 появляется напряжение высокого уровня-: оптоэлектронный модуль переходит в другой режим работы, который назовем режимом пониженной сигнальной составлякяцей. Наряду с этим усилтель-ограничитель 18 тока, ВЫПОЛНЯЮ, щий функцию ограничения сверху, не

позволяет выходному току ни при каких условиях превзойти предельно допус- THMOfo значения.

С целью исключения неустойчивого состояния введен источник 3 дополнительного тока. В первый момент после достижения опорным током максимально допустимой величины и следующего за ним открывания электронного ключа 7 на втором входе схемы 6 сложения появляется постоянный ток. Он

5

0

5

0

5

0

5

0

5

-

ограничителя J8 и поддерживает последний в нелинейном режиме на всем этапе перехода оптоэлектронного модуля в режим пониженной.сигнальной составляющей, поэтому уменьшение цепью регулирования сигнальной составляющей модулирующего тока и связанное с этим увеличение постоянной составляю- . щей тока на первом выходе усилителя 8 не выводят усилитель 18 из нелинейного режима, в результате чего отсутствует неустойчивое состояние.

Возможны два варианта реализации третьего вычитателя: первый соответствует подключению к выходу усилителя 12 базы транзистора типа п-р-п, к выходу усилителя-ограничителя 18 - транзистора типа р-п-р и соединению отрицательного электрода полупроводникового излучателя 19 с общей шиной (корпусом); второй - применению транзисторов типов р-п-р и п-р-п соответственно и подключению к корпусу положительного электрода полупроводникового излучателя.

Применение при формировании тока накачки 1„ схема вычитания и предложенная реализация последней обеспечивают соблюдение условия 1,.1„ , попon

скольку при таком построении модулирующий ток может принимать только положительные значения„

Форму Л а изобретения

1, Передающее оптоэлектронное устройство, содержащее последовательно соединенные источник тока смещения, сумматор, первый вычитатель и первый интегратор, последовательно соединенные фотодетектор и первый широкополосный усилитель, первый выход которого соединен с вторым входом первого вычитателя, ключ,источник опорного напряжения, второй вычитатель, второй щирокополосный усилитель и полу- проводниковый излучатель, оптически (

связанный с фотодетектором, отличающееся тем, что, с целью п вышения надежности в работе устройства путем стабилизации максимальной излучаемой мощности и ограничения максимального тока накачки полупроводникового излучателя, введены преобразователь напряжение - ток, первый двухполупериодный выпрямитель, последовательно соединенные коммутатор, преобразователь ток - напряжение и второй двухполупериодный выпрямитель, последовательно соединенные усилитель-ограничитель постоянного тока и третий вычитатель, ис- 1точник дополнительного тока, выход Которого соединен с входом ключа, второй интегратор и пороговый элемент, выход которого соединен с уп- равлякщими вхбдами коммутатора и ключа, выходы неинвертированных сигналов преобразователя напряжение - ток соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, выход которого соединен с вторым входом сумматора, выход ключа соединен с третьим входом сумматора, выход первого интегратора соединен с входом усилителя-ограничителя постоянного тока, к входу управления величиной максимального тока которого подключен источник опорного напряжения, выход усилителя-ограничителя постоянного тока соединен с входом порогового элемента, вход преобразователя напряжение - ток является входом устроства, инверсный выход преобразователя напряжение - ток соединен с РХО- дом второго широкополосного усилителя, выход которого соединен с вторым с входом третьего вычитателя, выход которого соединен с полупроводниковым излучателем, выход первого широкополосного усилителя тока соединен с вхо дом первого двухполупериодного выO прямителя, выходы первого и второго двухполупериодных выпрямителей соединены соответственно с первым и вторым входами второго вычитателя, выход которого через второй интегратор сое5 дин ён с управляющим входом второго широкополосного усилителя,

0 постоянного тока выполнен в виде дифференциального усилителя с управляемым источником тока в цепи эмиттеров,, инверсный вход которого соединен с источником постоянного напряжения,

5 а управляюдий вход источника тока

дифференци.апьного усилителя- является входом управления величиной максимального тока усилителя-ограничителя постоянного тока.

0

3,Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью упрощения, третий вычитатель выполнен в виде двух транзисторов противоположного типа, включенн згх по схеме с общим эмиттером, коллекторы которых соединены и являются выходом вычитателя, а базы - входами вычитателя.

5

Ifcr(t) УС/Т

a 0

CH

-Ucn Itpj(t Iqjo (pn

1ФО +(f3H

Iqoo

IlOO-ltpH

б

I(f)0 - fpH 0

r ,{t)

Iipo Tnn I lpo fnH

0 ,, fipo IgjO -/w

fg}0 Inn Inr(t)

tno nn Ino InH

г. Ino Inn -Inn

Ino Inn 0

Редактор А.Маковская

Составитель А.Александров

Техред Л.Олийнык Корректор С.Черни

Закач 6612/57

Тираж 626

ВШИ-ШИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. Д/5

Подписное