CN101871813A - 一种对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法及装置，提出一种新型接收机光学组件(ROSA)，使用平面光波导分路器将接收到的输入光信号分成两路，一路大光功率的光分配到光接收机原有的雪崩光电二极管，用于原有的光接收机应用，另一路小光功率的光分配到线性光电二极管，用于提高对输入光功率的监控精度。采用本发明技术方案，即可降低光接收机中原有雪崩光电二极管的输入光功率的监控系统的成本和复杂程度，提高对输入光功率的监控精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学及电子工程技术领域，尤其涉及一种对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法及装置。
背景技术
传统的光接收机对其APD雪崩光电二极管的输入光功率监控方法，是用高压电源的电流监控器芯片来测量流过雪崩光电二极管上的光电流Iapd，即电流监控器芯片输出光电流Iapd的镜像电流Iapd1，然后用一个ADC模数转换器采样镜像电流Iapd1并转换成数字量。在不同输入光功率情况下，通过采样不同的流过雪崩光电二极管上的光电流Iapd的值ADC_Iapd，形成一个曲线图，如图1，其中横轴是Iapd的12位ADC的采样值，纵轴是以uW为单位的输入光功率值。基于这个曲线图，用最小二乘法可以拟合并得到下面的四次多项式的参数a、b、c、d、e，如：
Pinput(uW)＝a*ADC_Iapd＾4+b*ADC_Iapd＾3+c*ADC_Iapd＾2+d*ADC_Iapd＾1+e；
那么如果采样到一个实时值ADC_Iapd，带入上述的拟合公式，则可得到实时的输入光功率值。但是因为雪崩光电二极管对Vapd偏置电压和环境温度这几个外部环境因素很敏感，已知雪崩光电二极管在同一个输入光功率值但不同Vapd偏置电压情况下输出的Iapd光电流有差异，雪崩光电二极管在同一个输入光功率值同一Vapd偏置电压但不同温度情况下输出的Iapd光电流也有差异，并且雪崩光电二极管在同一Vapd偏置电压同一温度情况下输出的Iapd光电流值和其输入光功率值是非线性关系需要用复杂的公式才能把Iapd光电流值(实际是镜像电流Iapd1的数字量)折算成输入光功率值。所以传统的带雪崩光电二极管的输入光功率监控精度，按SFF-8472协议，结合实际批量生产的测试数据，在0摄氏度到70摄氏度的商业温度范围内，误差也只能控制在+/-3dB，3dB则意味着监控量和实际值相差了一半，这对光通信系统而言是一个几乎无法容忍的误差。
传统的光接收机对其PIN线性光电二极管的输入光功率监控方法，是直接用一个ADC模数转换器去采样流经线性光电二极管的光电流Ipd并转换成数字量。在不同输入光功率情况下，通过采样不同的流过线性光电二极管上的光电流Ipd的值ADC_Ipd，形成一个曲线图，如图2，其中横轴是Ipd的12位ADC的采样值，纵轴是以uW为单位的输入光功率值。基于这个曲线图，任取两点数据带入一个二元一次方程组即可计算并得到下面的线性公式的参数K和B，如：
Pinput(uW)＝K*ADC_Ipd+B；
那么如果采样到一个实时值ADC_Ipd，带入上述的拟合公式，则可得到实时的输入光功率值。因为线性光电二极管的特性就决定了该光电流值的特性，即只要输入光信号强度一定，对Vcc偏置电压和环境温度这几个外部环境因素都不敏感，这样就不用对偏置电压和温度做补偿，而仅需用一个简单的线性公式就能把Ipd光电流值(实际是Ipd的数字量)折算成输入光功率。结合实际批量生产的测试数据，在0摄氏度到70摄氏度的商业温度范围内，误差能控制在+/-1dB。
随着2000年以来FTTH光无源网络的全球应用，基于PLC即平面光波导技术的光分路器在技术上和商业上已经取得了巨大成功。PLC分路器芯片可以在硅基二氧化硅波导或者玻璃波导上制作，后者因设备成本低、耦合损耗小、以及体积小易于集成的优点，占领了绝大部分分路器市场。
发明内容
本发明的目的在于提出一种对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法及装置，降低光接收机中对原有雪崩光电二极管的输入光功率的监控系统的成本和复杂程度，提高对输入光功率的监控精度。
为达到上述目的，本发明提供一种对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法，包括如下步骤：
使用平面光波导分路器将接收到的输入光分成第一路输入光和第二路输入光；该第一路输入光输入到雪崩光电二极管，该第二路输入光输入到线性光电二极管；测量该线性光电二极管的输出电流；根据测得的该线性光电二极管的输出电流以及该线性光电二极管与该输出光功率之间的线性关系，计算出待测输入光功率。
测量该线性光电二极管的输出电流的方法，为在该线性光电二极管的负极连接固定的偏置电压Vcc，在该线性光电二极管的正极连接模数转换器，用该模数转换器测得该线性光电二极管的输出电流。
该线性光电二极管与该输出光功率之间的线性关系可以使用以下方法获得：输入特定的输入光功率一，得到对应的该线性光电二极管的输出电流一；输入特定的输入光功率二，得到对应的该线性光电二极管的输出电流二；根据该输入光功率一、输入光功率二、输出电流一、输出电流二，使用线性方程得到该输入光功率与该线性光电二极管的输出电流的关系。
该第一路输入光的光功率大于该第二路输入光的光功率。
该的光波导分路器可以是将90％的光功率分配至该雪崩光电二极管，其余的光功率分配至该线性光电二极管。该的光波导分路器可以是将95％的光功率分配至该雪崩光电二极管，其余的光功率分配至该线性光电二极管。
本发明还提供一种对带雪崩光电二极管输入光功率监控的装置，包括如下部分：一个雪崩光电二极管(APD)；一个平面光波导分路器(PLC SPITTER)；一个线性光电二极管(PD)；一个模数转换芯片；一个微处理器；该雪崩光电二极管的负极连接到应用系统的Vapd偏置电压输入端；该线性光电二极管的负极连接到该应用系统的Vcc偏置电压输入端；该线性光电二极管的正极连接到该应用系统的Ipd光电流输出端；该输入光信号通过该平面光波导分路器分别进入该雪崩光电二极管和该线性光电二极管。
该雪崩光电二极管的正极还可以连接一个跨阻放大器。
该进入雪崩光电二极管的光信号的光功率大于进入该线性光电二极管的光信号的光功率。
该的光波导分路器可以是将90％的光功率分配至该雪崩光电二极管，其余的光功率分配至该线性光电二极管。该的光波导分路器可以是将95％的光功率分配至该雪崩光电二极管，其余的光功率分配至该线性光电二极管。
本发明的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法及装置不需要性能和成本较高的专用芯片，而且由于线性光电二极管是线性的，仅需一个简单的线性公式运算，同时无需考虑对环境温度和偏压进行补偿，这对系统上的微处理器的计算能力没有特殊要求，即可选用更低成本的微处理器。
附图说明
图1是传统的对雪崩光电二极管的输入光功率监控的曲线图；
图2是传统的对线性光电二极管的输入光功率监控的曲线图；
图3是传统的对带雪崩光电二极管的输入光功率监控的系统连接示意图；
图4是本发明的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的装置示意图；
图5是本发明具体实施方式中对输入光功率监控的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
图3是传统的对带雪崩光电二极管的输入光功率监控的系统连接示意图。图4是本发明的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的装置示意图。本发明的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的装置除了少了一颗高压电源的电流监控器芯片，其系统连接方式和传统的连接方式非常近似。如图4所示，本发明是一个新型接收机光学组件(ROSA)，所述新型接收机光学组件进一步包括一个雪崩光电二极管(APD)，一个跨阻放大器(可选)，一个平面光波导分路器(PLC SPITTER)，一个线性光电二极管(PD)。所述平面光波导分路器将接收到输入光分成两路，一路大光功率的光分配到所述雪崩光电二极管，用于原有的光接收机应用，另一路小光功率的光分配到线性光电二极管，用于提高输入光功率的监控精度。
如图4所示，所述新型接收机光学组件(ROSA)的电信号连接方式，至少包括一个雪崩光电二极管负极，连接到应用系统的Vapd偏置电压输入端；一个雪崩光电二极管正极，连接到一个跨阻放大器(可选)的输入端；一个线性光电二极管负极，连接到应用系统的Vcc偏置电压输入端；一个线性光电二极管正极，连接到应用系统的Ipd光电流输出端。
如图4所示，输入光信号通过平面光波导分路器将一路小光功率的光分配到线性光电二极管，线性光电二极管则将输出一个和输入光功率呈线性关系的Ipd光电流，而且线性光电二极管的特性就决定了该光电流值的特性，即只要输入光信号强度一定，在不同的Vcc偏置电压和不同的温度情况下变化都不大，这样就不用对偏置电压和温度做补偿，而仅需用一个简单的线性公式就能把Ipd光电流值折算成输入光功率。
下面介绍具体的配置和步骤。
以支持FTTH千兆以太网应用的新型接收机光学组件(ROSA)为例，采用蝶形封装可以使组件体积相对可以做得更大以容下新增的一个平面光波导分路器(PLC SPITTER)和一个线性光电二极管(PD)，本实施方式的雪崩光电二极管(APD)可以选用美国EMCORE公司的APD-TIA集成芯片S609717；跨阻放大器(可选)可以选用美国VITESSE公司的VSC7716芯片；平面光波导分路器(PLC SPITTER)可以选用韩国Wooriro公司的1分2AWG芯片并可定制成一路分配90％功率另一路分配10％或定制成一路分配95％功率另一路分配5％等，考虑到平面光波导分路器固有插损(小于0.5dB)及光路耦合损耗(小于0.5dB)，所以分配到雪崩光电二极管(APD)的光功率大小会略低于原输入光功率值的90％或95％，分配到雪崩光电二极管(APD)的光功率大小会略低于原输入光功率值的10％或5％；一个线性光电二极管(PD)可以选用韩国Optics公司的P85MB-1001芯片，注意到其响应度是0.5mA/mW；系统上的微处理器和模数转换器，可以选用美国ADI公司的ADuC7020，注意到其ADC是12位的具有较高的分辨率即采样精度。
用集成在新型接收机光学组件(ROSA)内部的线性光电二极管来监控输入光功率的大小，需要事先对一个输入光功率监控的线性公式的参数K和B进行校准并保存到微处理器的非易失性存储器中：
Pinput＝K*ADC_Ipd+B；
其中，Pinput是输入光功率值，可以用光功率计测量得到，以uW为单位；ADC_Ipd是ADC模数转换器采样线性光电二极管输出的电流转换得到的数字量。
参见图5，是本发明具体实施方式中对输入光功率监控的曲线图。要得到参数K和B，可以先使Pinput1＝520uW，此时微处理将采样到的Ipd的数字量ADC_Ipd1＝1012；然后再使Pinput2＝1031uW，此时微处理将采样到的Ipd的数字量ADC_Ipd2＝2000；
则K＝(Pinput2-Pinput1)/(ADC_Ipd2-ADC_Ipd1)
＝(1031-520)/(2000-1012)
＝0.517
B＝Pinput1-K*ADC_Ipd1
＝520-0.517*1012
＝-3.204
所以，最终可以在微处理器得到这样一个线性公式：
Pinput＝0.517*ADC_Ipd+(-3.204)；
此后，调整输入光功率到400uW，微处理器实测得到的ADC_Ipd＝800，则可折算出此刻的输入光功率：
Pinput＝0.517*800+(-3.204)
＝410(uW)
那么，监控误差＝10*log(400/410)＝-0.1dB，远低于+/-1dB的容差上限，而且由于线性光电二极管的线性特性，在整个输入光功率的监控动态范围内(0～2114uW)的监控值的误差，都将集中在-0.1dB这个量级。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法，其特征在于，包括如下步骤：
使用平面光波导分路器将接收到的输入光分成第一路输入光和第二路输入光；
所述第一路输入光输入到雪崩光电二极管，所述第二路输入光输入到线性光电二极管；
测量所述线性光电二极管的输出电流；
根据测得的所述线性光电二极管的输出电流以及所述线性光电二极管与所述输出光功率之间的线性关系，计算出待测输入光功率。
2.根据权利要求1所述的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法，其特征在于，测量所述线性光电二极管的输出电流的方法，为在所述线性光电二极管的负极连接固定的偏置电压Vcc，在所述线性光电二极管的正极连接模数转换器，用所述模数转换器测得所述线性光电二极管的输出电流。
3.根据权利要求1所述的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法，其特征在于，所述线性光电二极管与所述输出光功率之间的线性关系可以使用以下方法获得：
输入特定的输入光功率一，得到对应的所述线性光电二极管的输出电流一；
输入特定的输入光功率二，得到对应的所述线性光电二极管的输出电流二；
根据所述输入光功率一、输入光功率二、输出电流一、输出电流二，使用线性方程得到所述输入光功率与所述线性光电二极管的输出电流的关系。
4.根据权利要求1所述的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法，其特征在于，所述第一路输入光的光功率大于所述第二路输入光的光功率。
5.根据权利要求4所述的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法，其特征在于，所述的光波导分路器将90％的光功率分配至所述雪崩光电二极管，其余的光功率分配至所述线性光电二极管。
6.根据权利要求4所述的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的方法，其特征在于，所述的光波导分路器将95％的光功率分配至所述雪崩光电二极管，其余的光功率分配至所述线性光电二极管。
7.一种对带雪崩光电二极管输入光功率监控的装置，其特征在于，包括如下部分：
一个雪崩光电二极管(APD)；
一个平面光波导分路器(PLC SPITTER)；
一个线性光电二极管(PD)；
一个模数转换芯片；
一个微处理器；
所述雪崩光电二极管的负极连接到应用系统的Vapd偏置电压输入端；所述线性光电二极管的负极连接到所述应用系统的Vcc偏置电压输入端；所述线性光电二极管的正极连接到所述应用系统的Ipd光电流输出端；所述输入光信号通过所述平面光波导分路器分别进入所述雪崩光电二极管和所述线性光电二极管。
8.根据权利要求7所述的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管的正极连接一个跨阻放大器。
9.根据权利要求7所述的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的装置，其特征在于，所述进入雪崩光电二极管的光信号的光功率大于进入所述线性光电二极管的光信号的光功率。
10.根据权利要求9所述的对带雪崩光电二极管输入光功率监控的装置，其特征在于，所述的光波导分路器将90％的光功率分配至所述雪崩光电二极管，其余的光功率分配至所述线性光电二极管。
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