CN101977023B - 一种雪崩二极管的调试和补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雪崩二极管的调试和补偿方法;该方法是首先通过找出雪崩二极管在各个不同温度下的最佳工作点，即在各个不同温度下灵敏度最好点对应的倍增因子，从而获得与其对应的偏置电压；接着将各温度及其偏置电压的对应关系做成查找表写入可读写的寄存器芯片中,以进行雪崩二极管温度补偿;通过本发明，该雪崩二极管能够在全温度范围内都在工作最佳点上工作。

Description

一种雪崩二极管的调试和补偿方法

技术领域

本发明涉及雪崩二极管在光纤数据传输中的运用，尤其是一种雪崩二极管的调试和补偿方法。

背景技术

在现有技术中，最简单的雪崩光电二极管APD结构是在PIN光电二极管的基础上，对P区和N区都进行了重掺杂，在邻近P区或者N区引进n型或p型倍增区，当反向电压增加到一定时，就会产生新的电子和空穴对，这些新产生的电子和空穴对受电场的加速，获得足够的能量后，又可以碰撞其它的硅原子，再碰击出新的电子和空穴对，按照这样雪崩似的繁殖，将产生大量的载流子，实现光电流的放大。APD在光纤数据传输中的运用，大大提高的了接收灵敏度和传输距离。

然而，在该技艺中的技术人员已知的是，产生的光电流可以通过外部电子设备测量，光电流的计算方法为I= RMP，其中R(A/W)是APD的响应度, M是倍增因子即放大倍数，P(瓦特)是输入光功率，故APD的放大倍数取决于光电流，也就是反向偏压的应用(两者关系如图1所示)。电子和空穴的电离率与温度有关，这就导致如果要保持在不同温度下，APD都工作在最佳点上，必须要改变反向偏压，所以APD的放大倍数M因子与温度有关。综上所述，需要有一种方法来解决这一问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过找寻各温度下需要调试的倍增因子，对ADP进行温度补偿，使得雪崩二极管APD在全温度范围内都工作在最佳点上的雪崩二极管的调试和补偿方法。

本发明采用的技术方案是这样的：该雪崩二极管的调试和补偿方法包含根据公式I=RMP，其中I是可测量的光电流，R是雪崩二极管的响应度，M是倍增因子及P是输入光功率，在第一输入光功率为P1、M1=1时I1=RP1并且在第二输入光功率为P2时I2=RM2P2，根据I1=RP1和I2=RM2P2推导出M2=( P1/ P2)*( I2/ I1)，其还包含以下步骤：

找寻在一个温度下需要调试的倍增因子M2，其过程在于：

(1)   在第一输入光功率为P1时，在雪崩二极管上施加小于雪崩电压大于开启电压的偏置电压，调节所述偏置电压并且观察光电流I1，当所述光电流I1没有变化时M=1，记录此时的光电流I1；

(2)   在第二输入光功率为P2时，改变所述偏置电压，观察光电流的变化情况，直至I2=( P2/ P1)*M2*I1时完成在所述温度下所述倍增因子M2的调试，记录此时的灵敏度和偏置电压；

(3)   根据前面找寻步骤得到在一个温度下各个不同的倍增因子并且记录下与所述各个不同的倍增因子相对应的灵敏度和偏置电压，从而获得在一个温度下倍增因子与灵敏度、偏置电压与灵敏度之间的对应关系，在倍增因子与灵敏度的对应关系中灵敏度最高点对应的是该雪崩二极管的最佳工作点，在偏置电压与灵敏度的对应关系中所述灵敏度最高点对应的偏置电压是在所述最佳工作点时施加在该雪崩二极管上的电压；

(4)   将所述温度与偏置电压的对应关系形成温度与偏置电压的查找表，写到可读写的寄存器芯片中。

另外，在高温、常温和低温段偏置电压与所述温度之间关系为线性的情况下，在步骤(4)之前根据步骤(1)～(3)，分别获得在各个不同温度下倍增因子与灵敏度、偏置电压与灵敏度之间的关系图，将表示这三段温度之间关系的两段直线Vb=a*T+b写入查找表中，其中Vb是偏置电压，a为斜率，T为温度及b为偏差值。

在雪崩二极管的温度系数指标TC恒定的情况下，按照步骤(1)～(3)获得在温度为T0时倍增因子与灵敏度、偏置电压与灵敏度之间的关系图，找出灵敏度最高点对应的偏置电压Vb，根据温度T时灵敏度最高点对应的偏置电压Vbt与温度T0时灵敏度最高点对应的偏置电压Vb的关系式Vbt=Vb+(T-T0)*TC得出Vbt，并且将该关系式写入查找表中。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、通过调试获得在不同温度下，最佳工作点对应的M因子以及此时的偏置电压，将相应的温度及偏置电压做成两段直线写入查找表中，再将查找表写到光模块中可读写的寄存器芯片里面，那么就可以通过调整偏置电压来进行温度补偿，使得APD在全温度的范围内都能工作在最佳工作点上；

2、针对APD一致性比较好(也就是APD的温度系数指标基本恒定)的情况，可以找出常温25℃下灵敏度最高点对应的M因子以及此时的偏置电压Vb，将公式Vbt=Vb+(T-25)*TC (其中Vbt表示雪崩二极管在温度T时最佳工作点的偏置电压)，写入查找表中来调试常温，这样就省去了高温和低温的调试时间。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是表示雪崩二极管APD中M因子与偏置电压之间关系的图示；

图2是表示在某一温度下APD中M因子与灵敏度之间关系的图示；

图3是表示在某一温度下APD中偏置电压与灵敏度之间关系的图示。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本发明中，该雪崩光电二极管APD的调试和补偿方法包含两个步骤。

第一步，通过调试获得表示M因子与灵敏度之间、偏置电压与灵敏度之间关系的图式，由此找出APD的最佳工作点。

对于光传输系统来说，找到APD的最佳工作点就是找到某个因子下光传输系统的灵敏度的最好点，简单的说就是找到合适的M因子。在现有技术中已知的是，在雪崩光电二极管中产生的光电流的计算方法是I=RMP…(1)，其中R(A/W)是APD的响应度, M是倍增因子即放大倍数，P(瓦特)是输入光功率。从计算方程式中可以看出，M因子与光电流有关，也就是与偏置电压有关。上述公式(1)中I、R和P都是可以通过设备测试出来的，所以由此公式很容易计算出M因子。

根据上述公式(1)，可以任意选择两个对比工作点，来推导出M因子与光电流I的关系式，其中第一个工作点对应的第一输入光功率为P1，第二个工作点对应的第二输入光功率为P2，P1和P2可以是任意的两个值。在本实施例中，第一个工作点选定输入光功率P1为-10dBm，并且取M=1(M=1也就是说在一定范围内改变偏置电压，光电流都没有变化，一般此电压在APD启动工作电压附近较高)时I1=P1R=0.1R…(2)，第二个工作点选定输入光功率P2为-20dBm时I2= P2MR=0.01MR…(3)。用公式(2)和(3)相对比可以得出M与I的关系式，化简后为：M= (P1/P2)*(I2/I1) =10* I2/I1… (4)，其中常数P1/P2=10。

光电流I可以通过电流表或光模块中的监控读到具体值，所以只要改变偏置电压，同时观察电流的变化就可以得到期望的M因子。在本实施例中，以绘制某一温度下，M因子与灵敏度、偏置电压与灵敏度之间的关系图为例。在调试M=10的灵敏度时，首先将输入光效率调节为-10dBm，因为如果施加在APD上的偏置电压大于崩溃电压时雪崩二极管APD会发生雪崩效应，此时光电流发生剧烈变化，并且如果施加在APD上的偏置电压小于开启电压时APD没有导通，此时光电流也不会变化，所以在APD上施加大于开启电压小于雪崩电压的偏置电压来观察APD在正常工作状态下的光电流变化情况，当光电流没有变化时M=1，记录光电流I1；然后将输入光功率调节到-20dBm，增加偏置电压直至I1和I2相等。至此调试好了M=10的M因子，记录下偏置电压，再测量此时的灵敏度。以同样的方法，再以M=5为例测试灵敏度，根据上述公式(4) M= (P1/P2)*(I2/I1) =10* I2/ I1，I1与I2的关系为I2=(M* I1)/( P1/P2)=I1/2。同样地，先将输入光效率调节为-10dBm，在APD上施加大于开启电压小于雪崩电压的偏置电压，直至光电流没有变化时M=1，记录光电流I1；然后将输入光功率调节到-20dBm，增加偏置电压直至I2= I1/2。至此调试好了M=5的M因子，记录下偏置电压，再测量此时的灵敏度。依次类推，可以调试出在该温度下，各个M因子对应的灵敏度和偏置电压，从而构成在该温度下M因子与灵敏度、灵敏度与偏置电压的关系图，分别如图2和图3所示。综上所述，可以绘制出在任何一温度下，表示M因子与灵敏度、偏置电压与灵敏度之间关系的图式。

如图2和图3所示，灵敏度最高点对应的M因子是雪崩二极管在此温度条件下的最佳工作点(也就是最佳的M因子)，记录下对应的偏置电压。依次类推，根据关系图，记录下在各温度点下，达到最佳工作点所需要的偏置电压。

第二步，根据上一步骤中提供的APD在最佳工作点时，温度与偏置电压之间的对应关系，将其写到光模块中可读写的寄存器芯片里，做成各温度与偏置电压的查找表来对M因子进行补偿。     

APD在一定温度段范围内，温度与偏置电压的关系是比较线性的，所以一般就调试常温、高温和低温，通过这三个温度段拟合出两段直线，即得到偏置电压与温度之间的关系式Vb=a*T+b，其中a为斜率，b为偏差值，并且a和b是已知的，所以可以算出各个温度下的偏置电压，将其写到查找表中进行补偿。

在APD一致性比较好的前提下，就可以只调测常温，其它温度点就通过APD的温度系数指标（V/℃）TC来算出偏压，再写入查找表这样就更为简单了。温度系数是反应APD特性的指标，所有APD厂家都会测试并给出此指标的数值，对于一致性好的APD，温度系数指标基本恒定。举例来说，对于温度系数为0.1 V/℃的APD，在常温25℃用本专利上述的方法找到灵敏度最佳时的M因子，同时也得到了此时的偏置电压Vb，对于温度T下的偏置电压为Vbt=Vb+(T-25)*0.1,通过这个公式就能算出不同温度点下的电压，写入查找表中，这样就省去了高温和低温的测试时间。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种雪崩二极管的调试和补偿方法，其特征在于包含以下步骤：找寻在一个温度下需要调试的倍增因子M2； 

雪崩二极管的调试和补偿方法的工作过程在于：

    (1)在第一输入光功率为P1时，在雪崩二极管上施加小于雪崩电压大于开启电压的偏置电压，调节所述偏置电压并且观察光电流电流值I1，当所述光电流电流值I1没有变化时倍增因子M1=l，记录此时的光电流电流值I1；

    (2)在第二输入光功率为P2时，改变所述偏置电压，观察光电流的变化情况，直至光电流电流值I2=(P2/ P1) *M2*I1时完成在所述温度下所述倍增因子M2的调试，记录此时的灵敏度和偏置电压；

    (3)根据前面找寻步骤得到在一个温度下各个不同的倍增因子并且记录下与所述各个不同的倍增因子相对应的灵敏度和偏置电压，从而获得在一个温度下倍增因子与灵敏度、偏置电压与灵敏度之间的对应关系即关系图，在倍增因子与灵敏度的关系图中灵敏度最高点对应的是该雪崩二极管的最佳工作点，在偏置电压与灵敏度的关系图中所述灵敏度最高点对应的偏置电压是在所述最佳工作点时施加在该雪崩二极管上的电压；

    (4)将所述温度与偏置电压的关系图形成温度与偏置电压的查找表，写到可读写的寄存器芯片中，根据前述可读写的寄存器芯片里做成的各温度与偏置电压的所述查找表，来对雪崩二极管的倍增因子M进行补偿。

2.如权利要求l所述的雪崩二极管的调试和补偿方法，其特征在于，还包含：在步骤(4)之前根据所述步骤(1)～(3)，分别获得在各个不同温度下倍增因子与灵敏度、偏置电压与灵敏度之间的关系图。

3.如权利要求l所述的雪崩二极管的调试和补偿方法，其特征在于，所述的找寻在一个温度下需要调试的倍增因子M2的步骤还包含：根据公式I=RMP，其中I是可测量的光电流电流值，R是所述雪崩二极管的响应度，M是倍增因子及P是输入光功率，在第一输入光功率为P1、倍增因子M1=1时光电流电流值I1=RP1并且在第二输入光功率为P2时光电流电流值I2=RM2P2，根据I1=RP1和I2=RM2P2得到倍增因子M2=( Pl/ P2)*（I2/ I1）。

4.如权利要求1所述的雪崩二极管的调试和补偿方法，其特征在于，所述步骤(4)具体工作过程包括：分别在高温、常温和低温段三段情况下，根据所述偏置电压与所述温度之间的线性关系，将表示这三段温度之间关系的两段直线Vb=a*T+b写入所述查找表中，其中Vb是偏置电压，a为斜率，T为温度及b为偏差值。

5.如权利要求l所述的雪崩二极管的调试和补偿方法，其特征在于，所述步骤(4)具体工作过程方法还包括：在该雪崩二极管的温度系数TC恒定的情况下，按照步骤(1)～(3)获得在温度为T0时倍增因子与灵敏度、偏置电压与灵敏度之间的关系图，找出灵敏度最高点对应的偏置电压Vb，根据温度T时灵敏度最高点对应的偏置电压Vbt与温度T0时灵敏度最高点对应的偏置电压Vb的关系式Vbt=Vb+ (T-T0) *TC得出Vbt，并且将所述关系式Vbt=Vb+ (T-T0) *TC写入查找表中。

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