CN102946233B - 使用高增益放大器和均衡电路的高灵敏度光学接收器 - Google Patents
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Abstract
公开了使用高增益放大器和均衡电路的高灵敏度光学接收器。一种光学接收器包括：光接收元件，用于将光学信号转换为具有第一带宽的电信号；以及放大器，用于放大电信号。放大器具有产生小于第一带宽的第二带宽的第一增益响应。光学接收器还包括均衡电路，其在操作中耦合到放大器。均衡电路具有第二增益响应，其补偿放大器的第一增益响应，使得放大器和均衡电路通第一带宽电信号施加基本上恒定的净增益。
Description
本申请是分案申请，原案的国家申请号为200980124179.9，申请日为2009年6月16日，发明名称为“使用高增益放大器和均衡电路的高灵敏度光学接收器”。
技术领域
本发明总体上涉及光学接收器，更具体地涉及使用PIN光电二极管的具有提高的灵敏度的光学接收器。
背景技术
其中光电检测器作为接收器元件的光学接收器是光纤传输网络中的关键元素之一。通常，光学接收器用于将光学信号转换为电信号，典型的光学接收器包括连接到放大器(例如，互阻抗放大器)的输入的光电检测器。光电检测器将它接收的光学信号转换为向放大器提供的电流。放大器然后在其输出产生与该电流成比例的电压或电流。光电检测器通常是雪崩光电二极管(APD)或PIN(p-本征-n)光电二极管。随着宽带网络的近来的发展，光学接收器(和光学发送器)已经在速度上提高，通常在比特速率上从622Mbps提高到2.5Gbps。最近，开始广泛使用高达10Gbps的比特速率。
光学接收器的灵敏度通常需要当比特速率提高时保持恒定，使得网络不需要为更高的比特速率而重新配置。例如，使用PIN二极管的用于比特速率622Mbps和1.25Gbps的光学接收器检测能力分别是大约-32dBm和-29dBm。另外，用于比特速率2.5Gbps的光学接收器检测能力在使用PIN二极管的情况下是大约-26dBm，并且在使用APD的情况下是大约-32dBm。当在1.25Gbps的许多系统被升级到2.5Gbps时，一个顾虑是在2.5Gbps的光学接收器的弱灵敏度。为了增强接收器灵敏度，经常优选APD，因为APD与PIN光电二极管相比具有优秀的功率灵敏度。不幸的是，APD通常比PIN光电二极管成本更高并且较不可靠。另外，APD更难调整和校准，这部分地是因为APD的雪崩倍增系数随着环境温度而改变。
因此，期望提供一种光学接收器，该光学接收器使用PIN光电二极管，但是具有适合于用在诸如在例如2.5和10Gps运行的网络的高速网络的增强的灵敏度。
发明内容
根据本发明，提供了一种光学接收器。所述光学接收器包括：光接收元件，用于将光学信号转换为具有第一带宽的电信号；以及放大器，用于放大所述电信号。所述放大器具有第一增益响应，所述第一增益响应产生小于所述第一带宽的第二带宽。所述光学接收器还包括均衡电路，其在操作中耦合到所述放大器。所述均衡电路具有第二增益响应，所述第二增益响应补偿所述放大器的所述第一增益响应，使得所述放大器和所述均衡电路通过所述第一带宽向所述电信号施加基本上恒定的净增益。根据本发明的一个方面，所述光接收元件可以是PIN光电二极管。
根据本发明的另一个方面，所述放大器可以是互阻抗放大器(TIA)。
根据本发明的另一个方面，所述第一带宽可以对应于2.5Gbps的信号比特速率，并且所述第二带宽可以对应于1.25Gbps的信号比特速率。
根据本发明的另一个方面，所述第二增益响应可以具有补充所述第一增益响应的频率依赖性的频率依赖性。
根据本发明的另一个方面，一种前向纠错单元可以在操作中耦合以从所述均衡电路接收输出信号。
根据本发明的另一个方面，所述均衡电路可以包括一对高阻抗跨导放大器，所述一对高阻抗跨导放大器被布置为产生相加在一起的输出电流。
根据本发明的另一个方面，所述均衡电路可以具有传递函数，所述传递函数是所述放大器的零极点传递函数的倒数。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于将光学信号转换为电信号的方法。所述方法包括：检测光学信号；将所述光学信号转换为电信号，并且向所述电信号施加增益。使用放大器来向所述电信号施加所述增益，所述放大器具有选定的增益电平，所述选定的增益电平大于其增益带宽乘积产生足以在所述选定的增益电平在其完整的频带上放大所述电信号的带宽的增益电平。均衡向所述电信号施加的所述增益使得在所述选定的增益电平在其完整的频带上放大所述增益。
附图说明
图1是根据在此所述的方法和技术构造的光学接收器的一个示例的示意框图。
图2示出用于图示在带宽和增益之间的关系的互阻抗放大器(TIA)的简化示例。
图3示出当所使用的TIA足以适应于2.5Gbps信号的全1.8GHz带宽时和当在仅能够适应于1.25Gbps信号的900MHz的带宽下使用TIA时的2.5Gbps信号的增益与频率。
图4示出图3的增益与频率图，在其上叠加了在图1中描述的光学接收器中使用的均衡电路的频率依赖增益响应。
图5示出可以在诸如在图1中描述的光学接收器的光学接收器中使用的均衡电路的一个示例。
图6示出适合于在高比特速率(例如，2.5Gbps)光学接收器中使用的TIA的一个示例。
图7是根据在此所述的方法和技术而构造的光学接收器的另一个示例的示意框图。
图8示出在图5中描述的均衡电路中使用的负反馈电路的极点和零点和整个频率依赖响应之间的关系。
图9示出光学接收器将光学信号转换为电信号的方法的一个示例。
具体实施方式
图1是根据在此描述的方法和技术构造的光学接收器的示意框图。来自光纤101的光照射在PIN光电二极管检测器102上，产生电流IPD。互阻抗放大器(TIA)103将由光电二极管检测器产生的较小的电流转换为大信号电压VTIA，通过均衡电路104进一步处理该大信号电压VTIA以产生输出到数字电路(未示出)的电压VEC。
互阻抗放大器103的两个重要的操作特性是其互阻抗增益和其带宽。在图2中示出较简单的说明性互阻抗放大器。互阻抗放大器10包括高速运算放大器U，该高速运算放大器U具有正(+)和负(-)输入和被标为Vo-和Vo+的差分输出。光电检测器PD(例如，PIN光电二极管102)连接在偏压源Vb和运算放大器U的负(-)输入之间。运算放大器U的正(+)输入连接到地。负输出Vo-包括向后处理放大器输出的电压，该后处理放大器包括公共电压放大器。反馈电阻器Rf连接在负输出Vo-和负(-)输入之间。互阻抗放大器电路10的带宽被定义为：
BW=1/(2π*Rf*Cin*A)
其中，Cin是输入电容，包括放大器输入电容和光电检测器PD的寄生电容，并且A是运算放大器U的开环增益。带宽的这个表达式表示放大器增益和带宽之间的公知逆关系的实例。通过表述放大器的闭环增益和截止频率的乘积恒定能够更精确地表达这种关系，其中所述乘积被称为放大器的增益带宽乘积。
如上所述，使用PIN光电二极管来取代APD的在图1中所示的类型的光学接收器经常不能满足灵敏度要求，特别是对于2.5Gbps和更高的比特速率而言。通过提高TIA103的增益来补偿在PIN光电二极管的部分上的降低的灵敏度将不足以解决这个问题，因为作为提高增益的结果，TIA103的带宽将小于用于适应于具有2.5Gbps或更高的比特速率的信号所需要的带宽。
图3示出当所使用的TIA足以适应于2.5Gbps信号的全1.8GHz带宽时对于2.5Gbps信号可以获得的增益。在图3中也示出了可以获得增大的增益，但这是以TIA的带宽上的降低为代价的。在该情况下，TIA的带宽被降低到900MHz，这足以适应于1.25Gbps信号，而不是2.5Gbps信号。
不管是否降低了带宽，通过进一步使用在图1中所示的均衡电路104，可以使用更高增益TIA来放大2.5Gbps信号。位于TIA103下游的均衡电路具有补充TIA103的频率依赖增益响应的频率依赖增益响应。
传统上使用诸如均衡电路104的均衡电路来补偿在穿过诸如电缆的传输介质时信号上的损耗。即，均衡电路用于抵消(neutralize)电缆的频率依赖性。因为这个原因，均衡电路有时也称为电缆或底板均衡器。这样的传输介质损耗通常在更高的频率最大。
替代使用均衡电路来补偿传输介质损耗，在这里，均衡电路用于补偿TIA的有限带宽。象在图3中那样，图4再一次示出了当在能够适应于2.5Gbps信号的全1.8GHz带宽的带宽的情况下使用TIA时和当在仅能够适应于1.25Gbps信号的900MHz的带宽的情况下使用TIA时的2.5Gbps信号的增益。在图4中还示出均衡电路104的增益响应。如图所示，均衡电路104的非线性增益响应补偿较高增益TIA的有限带宽，以便均等地放大2.5Gbps信号中的所有频率。
光学电路中的均衡电路的使用允许通过根据其增益带宽乘积牺牲带宽来在提高的增益的情况下使用TIA。均衡电路有效地纠正放大器施加到信号的频率依赖失真。TIA设置SNR(信噪比)，并且当你提高增益Z时，噪声仅随着增益Z的根而提高，因为反馈电阻器的热噪声看不到放大器的增益。另外，通过TIA来确定布置的信噪比(SNR)，因为均衡电路的使用不改变输入相关的电流噪声密度。
在图5中示出均衡电路的一个示例。均衡电路具有作为TIA的零极点传递函数的倒数的传递函数。该电路包括两个高阻抗跨导放大器。对互阻抗放大器的输出电流进行求和和缓冲。负反馈电路包含频率依赖元件，该频率依赖元件控制整个电路的频率依赖增益。在图8中示出负反馈电路的极点和零以及其整个频率依赖响应之间的关系。
图6示出适合于在2.5Gbps光学接收器中使用的TIA100的一个示例。TIA是多级放大器，可以在诸如CMOS、双极或GaAsMESFET技术的任何适当处理技术中实现该多级放大器。在TIA100中级联三个增益级10、20、30。当然，可以使用额外的或更少的增益级。由光电检测器170产生的输入电流lin被馈送到第一增益级10的输入，该第一增益级10的输出是第二增益级20的输入。第一无源反馈元件25被应用在第二增益级20周围，这降低了TIA100的输出阻抗。第一无源反馈元件25可通过电阻器实现，其可以被实现为例如n沟道器件或与电容器并联的n沟道器件。通过在第三增益级30周围添加第二无源反馈元件35，可以进一步降低TIA100的输出阻抗。这进一步改善了TIA100的稳定性。作为由第一无源反馈元件25和第二无源反馈元件35提供的局部负反馈(degeneration)的结果，可以降低输出阻抗，并且可以改善TIA100的稳定性。此外，通常的反馈元件85可以与第一增益级10、第二增益级20和第三增益级30并联耦合，以进一步改善TIA100的稳定性。
通过使用复制偏置级40来产生差分输出，复制偏置级40具有跟踪TIA100的DC点的DC点。复制偏置级40被自我偏置，并且复制反馈元件45位于复制偏置级40的输入和输出上。以这种方式，复制偏置级40作为偏压产生器。差分放大器95的第一输入可以从三个增益级10、20、30接收第一输出80。差分放大器95的第二输入可以从复制偏置级40接收第二输出90。差分放大器95可以作为输出缓冲器，该输出缓冲器提供图1的输出信号VTIA。通过在第一增益级10周围施加负反馈前馈元件来向图6的TIA添加自动增益控制(AGC)。该负反馈前馈元件可以由运算放大器的输出控制。
在一些实施中，可以期望在均衡电路的输出布置前向纠错(FEC)单元107，如图7中所示。FEC单元107可以用于通过下述方式进一步增强光学接收器的灵敏度：使用位于由光学接收器接收的数据流内的额外的数据来从错误恢复。在图1和7中，通过相同的附图标记来表示相似的元件。
图9示出光学接收器将光学信号转换为电信号的方法的一个示例。所述方法通过在步骤210检测光学信号而开始。在步骤220，光学信号被转换为电信号。在步骤230，诸如TIA的放大器的增益被设置为选定的增益电平，该选定的增益电平大于其增益带宽乘积产生下述带宽的增益电平，该带宽足以以选定的增益电平在其完整的频带上放大电信号。在步骤240中，通过放大器向电信号施加选定的增益电平。然后在步骤250中均衡施加给电信号的增益，使得电信号在其完整的频带上以均匀的增益电平进行放大。
已经描述了用于接收光学信号和将光学信号转换为电信号的方法和设备。通过将均衡电路与放大器结合使用，通过使用大于如果不使用均衡电路则可能的增益电平的放大器增益电平来提高该设备的灵敏度。以这种方式，可以在设计用于在诸如在例如2.5和10Gbps运行的网络的高速网络中使用的光学接收器中使用PIN光电二极管。
Claims (14)
1.一种光学接收器，包括：
光接收元件，用于将光学信号转换为具有第一带宽的电信号；
放大器，用于放大所述电信号，所述放大器具有第一增益响应，所述第一增益响应产生小于所述第一带宽的第二带宽；
均衡电路，所述均衡电路在操作中耦合到所述放大器，所述均衡电路具有第二增益响应，所述第二增益响应补偿所述放大器的所述第一增益响应，使得由所述放大器和所述均衡电路在所述第一带宽上向所述电信号施加基本上恒定的净增益，其中，所述均衡电路包括一对高阻抗跨导放大器，所述一对高阻抗跨导放大器被布置成产生相加在一起的输出电流。
2.根据权利要求1所述的光学接收器，其中，所述光接收元件是PIN光电二极管。
3.根据权利要求1所述的光学接收器，其中，所述放大器是互阻抗放大器(TIA)。
4.根据权利要求1所述的光学接收器，其中，所述第一带宽对应于2.5Gbps的信号比特速率，并且所述第二带宽对应于1.25Gbps的信号比特速率。
5.根据权利要求1所述的光学接收器，其中，所述第二增益响应具有的频率依赖性补充所述第一增益响应的频率依赖性。
6.根据权利要求1所述的光学接收器，进一步包括前向纠错单元，所述前向纠错单元在操作中被耦合用于接收来自所述均衡电路的输出信号。
7.根据权利要求1所述的光学接收器，其中，所述均衡电路具有传递函数，所述传递函数是所述放大器的零极点传递函数的倒数。
8.一种用于将光学信号转换为电信号的方法，包括：
将光信号转换为具有第一带宽的电信号；
利用具有第一增益响应的放大器，将增益施加到所述电信号，所述第一增益响应产生小于所述第一带宽的第二带宽；以及
通过使用均衡电路来均衡被施加到所述电信号的所述增益，所述均衡电路在操作中耦合到所述放大器，所述均衡电路具有第二增益响应，所述第二增益响应补偿所述放大器的所述第一增益响应，使得由所述放大器和所述均衡电路在所述第一带宽上向所述电信号施加基本上恒定的净增益，其中，所述均衡电路包括一对高阻抗跨导放大器，所述一对高阻抗跨导放大器被布置成产生相加在一起的输出电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，用于将光信号转换为具有第一带宽的电信号的光接收元件是PIN光电二极管。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述放大器是互阻抗放大器(TIA)。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一带宽对应于2.5Gbps的信号比特速率，并且所述第二带宽对应于1.25Gbps的信号比特速率。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二增益响应具有的频率依赖性补充所述第一增益响应的频率依赖性。
13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括前向纠错单元，所述前向纠错单元在操作中被耦合用于接收来自所述均衡电路的输出信号。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述均衡电路具有传递函数，所述传递函数是所述放大器的零极点传递函数的倒数。
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