CN103929252A - 一种基于雪崩光电二极管apd的相干接收机 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电通信器件技术领域，公开了一种基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，包括：多模干涉耦合器MMI、可变光衰减器VOA以及雪崩光电二极管APD；光信号通过入射波导进入所述多模干涉耦合器MMI；所述多模干涉耦合器MMI的输出端与所述可变光衰减器VOA的输入端相连；所述可变光衰减器VOA的输出端与所述雪崩光电二极管APD的输入端相连。本发明提供的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，通过APD的内部增益，与本振光共同作用，实现信号放大，降低了系统对本地激光器的发射光功率的要求，使相干接收机具有高灵敏度，低功耗的特点。

Description

一种基于雪崩光电二极管APD的相干接收机

技术领域

本发明涉及光电通信器件技术领域，特别涉及一种基于雪崩光电二极管APD的相干接收机。

背景技术

在光通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接收灵敏度，永远是光电通信技术的发展目标。采用相干光检测技术可以提高接收机的灵敏度，大大延长中继距离，选择性好，可采用多种调制方式，能充分发挥光波的带宽优势，极大地提高了通信容量，缓解了传统光通信带宽和功率受限的问题。

因此，作为相干光通信系统的核心器件，光学相干接收机在最近几年再一次成为通信技术领域的研究热点。光学相干接收机与传统直接接收机的最大区别在于，光学相干接收机需要一个本地激光光源和一个90°混频器，利用本振光混频实现信号放大，提高探测灵敏度，因此，现有的相干接收机为了达到高的灵敏度必须采用高功率的本地激光光源，这就要求探测器也必须采用高动态范围的高功率探测器，相干接收机的系统功耗很大，对系统相关器件要求较高，接收机实现起来相对困难，同时，由于相干检测中，只有混频交叉项是有用信号，而此部分能量相对于接收机接收整体能量很小的一部分，相干接收系统的能量利用率很低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种灵敏度高，功耗低的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，包括：多模干涉耦合器MMI、可变光衰减器VOA以及雪崩观点二极管APD；光信号通过入射波导进入所述多模干涉耦合器MMI；所述多模干涉耦合器MMI的输出端与所述可变光衰减器VOA的输入端相连；所述可变光衰减器VOA的输出端与所述雪崩光电二极管APD的输入端相连；所述多模干涉耦合器MMI、所述可变光衰减器VOA以及所述雪崩观点二极管APD器件间的光信号传递通过光波导实现。

进一步地，所述多模干涉耦合器MMI的入射波导芯层、多模区与输出波导芯层、可变光衰减器的衰减芯层以及雪崩光电二极管APD的光匹配层均采用InGaAsP系列材料。

进一步地，所述基于雪崩光电二极管APD的相干接收机的基底和上包层采用InP系列材料。

进一步地，所述可变光衰减器VOA与所述雪崩光电二极管APD间的连接波导的芯层采用P型重掺杂形成电隔离槽结构。

进一步地，所述结构还包括：光斑转换器SSC，且所述光斑转换器SSC设置于所述多模干涉耦合器MMI的入射波导前端。

进一步地，所述可变光衰减器VOA与所述雪崩光电二极管通过光波导相连。

进一步地，所述多模干涉耦合器MMI的输出端口为四个。

进一步地，所述雪崩光电二极管APD的倍增层采用InP材料构成的多层倍增单元级联结构；其中，倍增单元依次由第一n型InP材料层、第一本征InP材料层、第二n型InP材料层、第二本征InP材料层、p型InP材料层和第三本征InP材料层叠置而成。

进一步地，所述雪崩光电二极管采用低噪声高增益的e-APD。

本发明提供的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，通过雪崩光电二极管APD的内部增益与本振光共同作用实现信号放大，减小对本地激光源提供的本振光功率的需求，提高探测灵敏度，降低非线性效应引起的信号误差，提高探测器的能量利用率，减小系统的功耗，简化了相干接收机系统，降低了系统整体成本。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机示意图；

图2为本发明实施二例提供的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机示意图。

具体实施方式

实施例一

参见图1，本发明实施例提供的一种基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，其特征在于，包括：多模干涉耦合器MMI102、可变光衰减器VOA2以及雪崩观点二极管APD302；光信号通过入射波导101进入多模干涉耦合器MMI102；多模干涉耦合器MMI102的输出端与可变光衰减器VOA2的输入端相连；可变光衰减器VOA2的输出端与雪崩光电二极管APD302的输入端相连；多模干涉耦合器MMI102、可变光衰减器VOA2以及雪崩观点二极管APD302器件间的光信号传递通过光波导实现。采用APD代替现有接收机中的PIN探测器，以APD的固有内部增益来部分代替本振光功率的信号放大作用，降低本振光功率。采用可调光衰减器VOA2控制雪崩光电二极管的接收光功率，令APD工作于接近其饱和光功率条件下，通过雪崩光电二极管APD的内部增益与本振光共同作用，实现信号放大，减小对本地激光源提供的本振光功率的需求，提高探测灵敏度，降低非线性效应引起的信号误差，提高探测器的能量利用率，减小系统的功耗，简化了相干接收机系统，降低了系统整体成本。

现通过理论计算针对本实施例提出的雪崩光电二极管APD相干接收机芯片与传统的相干接收机区别。

引入可变光衰减器后，通过偏置电压控制VOA的光输出，在此情况下APD的响应度需乘以VOA的衰减因子

Γ＝(1-R_a)·η_a·exp(-Γ_a·α_a·L_a)            (1)

其中R_a为光衰减器界面反射率，η_a为光耦合进入衰减器的耦合效率，Г_a为光场限制因子，α_a为吸收系数，L_a吸收长度。

根据相干探测原理，相干混频所得两路混频光功率为：

这里，P_LO是本振光光功率，P_S是信号光光功率，是本振光位相，是信号光位相，ω_IF是中频频率，即本振光和信号光的频率差。

经平衡探测后，传统相干接收机获得信号输出电流为：

而APD相干接收机获得的信号输出电流为：

这里，为了区分传统相干接收机和APD相干接收机，用表示APD相干接收机的本振光光功率，用表示APD相干接收机的信号光光功率，R表示探测器响应度，M表示APD的雪崩增益。

在相干接收机中采用相同的相干信号处理电路，假设探测器的响应度一致，则APD相干接收机与传统相干接收机相比：

灵敏度

采用相同的相干信号处理电路，则对探测器输出电流的阈值要求一致，即差分电路放大器噪声为输出信号主要噪声来源，令APD相干接收机和传

统相干接收机输出电流相等，则灵敏度之比为：

因为在相干接收系统，本振光相比于信号光要大得多，探测器的饱和上限与本振光的大小相关，因此，APD探测器的光电流可简单表示为其值需要小于APD的击穿电流，当APD进行微弱信号探测时，VOA不工作，Γ的值为1，APD响应电流一定，则APD增益倍数M越大，则APD相干接收机的灵敏度越高。

当P_LO足够大或者M足够大，系统将以散粒噪声为主，但在实际应用很难实现以上条件，而相于对增加P_LO，提高散粒噪声比重，采用低噪声高增益APD，更容易实现散粒噪声比重提高，减小信噪比。

能量利用率

相干接收机探测所获得光电流为：

但可利用的只有混频部分，输出电流为：

则能量利用率为：

因相干接收系统中，本振光远大于信号光，则能量利用率可简化表示为而APD相干接收机采用APD的自增益性能对信号光进行放大，因此对本振光的功率要求没有传统相干接收机那么大，即远小于P_LO，在探测相同光功率的信号光时，APD相干接收机的能量利用率远大于传统相干接收机，从而大大减小探测器不平衡性引起的本振光噪声对输出信号的影响。

另一方面，减小本振光的光功率，可减小与信号光混频时的非线性效应，降低信号误差，同时，减小了本地激光器的功耗，降低了热损耗，便于集成。

从功耗角度来说，激光器的功耗等于光功率/电光转换效率，η_Laser表示半导体激光器的电光转换效率，不考虑光损耗，当本振光远大于信号光，则

传统相干接收机功耗可简单表示为：

$P_{e1}=\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{Laset}}}{P}_{\mathrm{Lo}}+{\mathrm{RP}}_{\mathrm{LO}}{V}_1---\left(10\right)$

APD相干接收机功耗可简单表示为：

$P_{e2}=\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{Laser}}}{P}_{\mathrm{LO}}^A+{\mathrm{RP}}_{\mathrm{LO}}^A\mathrm{M\Γ}{V}_2+P_{\mathrm{VOA}}---\left(11\right)$

这里，V₁表示传统相干接收机探测器的工作电压，V₂表示APD相干接收机探测器的工作电压，P_VOA为VOA的功耗，由于远小于P_LO，而在探测同样功率的信号光，RP_LO也是的MΓ倍，虽然V₂要比V₁要大，但只要不超过MΓ倍，特别是在微弱信号探测时VOA不工作，Γ的值为1，则APD相干接收机的功耗P_e2要远小于传统相干接收机的功耗P_e1，同时热损耗也远小于传统相干接收机，系统的散热成本将会下降。

从非线性效应角度来说，降低本振光的光功率，则可减小在混频过程中本振光对信号光的非线性作用，减小信号误差。以交叉相位调制为例，本振光对信号光的相位调制为：

这里，E_LO为本振光的电矢量，与光功率大小成正比；ω_S为信号光的角频率，n为波导折射率，z为波导中光传输距离。

由此可看出，当本振光光功率减小时，可大大减小的值，减小输出信号的相位误差。

综上，本发明提供的APD相干接收机装置，可提高探测灵敏度，降低系统功耗，减小非线性引起的信号误差。

雪崩光电二极管APD相干接收机中的多模干涉耦合器MMI102的入射波导101的芯层，MMI多模区以及MMI输出波导芯层，可变光衰减器VOA2衰减芯层和雪崩光电二极管APD的光匹配层均使用InGaAsP材料。以InP作为基底和上包层，因此可以实现三个器件的单片集成。

可变光衰减器VOA2与雪崩光电二极管APD302间的连接波导的芯层301采用P型重掺杂形成电隔离槽结构4；实现VOA2与APD302的电隔离。

可变光衰减器VOA2与所述多模干涉耦合器MMI102相集成；控制多模干涉耦合器MMI102的输出光功率。

多模干涉设耦合器MMI102的输出端口为四个。

在雪崩光电二极管APD前端的可变光衰减器VOA2对APD起保护作用，当信号光为微弱信号时，雪崩光电二极管APD工作电流在限定范围内，可变光衰减器VOA不工作；当信号光为强光信号时，雪崩光电二极管APD工作电流超出限定范围内，可变光衰减器VOA2根据雪崩光电二极管APD302的工作电流大小调整其工作电压，改变光衰减系数，使雪崩光电二极管APD302接收光功率下降，其工作电流保持在限定范围以内。

可变光衰减器VOA2主要起保护作用，使APD302工作在饱和状态附近，充分利用本振光和APD雪崩增益放大信号，同时，防止MMI102输出光强过大而损坏雪崩光电二极管APD；根据雪崩光电二极管APD的饱和工作电流设置可变光衰减器VOA2的工作阈值，由雪崩光电二极管APD输出电流的大小控制可变光衰减器VOA2的工作电压，当雪崩光电二极管APD输出光电流小于设置限定值时，可变光衰减器VOA2不工作，多模干涉设耦合器MMI输出光不会衰减减小，当雪崩光电二极管APD302输出光电流大于设置限定值时，则根据光电流超出限定值的多少，调整可变光衰减器VOA2的工作电压，从而降低可变光衰减器VOA2输出光强的功率，降低雪崩光电二极管APD的输出光电流，使雪崩光电二极管APD的光电流永远在限定电流值之下，保护雪崩光电二极管APD，延长其使用寿命。本实施例提出的一种相干接收机芯片实例，实施例中选择e-APD的工作电压为60V，雪崩增益为60，设置APD的限制电流为100uA，本振光功率为4uW，当输入光功率远小于本振光光功率时，APD的接收光功率由本振光决定，MMI输出的四路光功率大小相同，则单个APD的接收光功率为1uW，根据APD光电转换率和雪崩增益，输出光电流约为48uA，小于限定电流100uA，VOA不工作。传统相干接收机的本地激光器发射功率一般在mW量级，取本振光光功率10mW为例，接收探测器为pin，工作电压为5V，pin和APD的响应度均为80％。

在微弱信号下，对两者进行对比，采用平衡探测方式，不考虑噪声影响，假设激光器的电光转换效率均为50％：

如上表，选择合适APD和相应本地激光器，可以获得高灵敏度，低功耗的相干接收系统，而APD相干接收机的热损耗，不同于传统相干接收机由激光器和探测器共同决定，主要来源于APD探测器部分，激光器部分基本可忽略不计，在设计相干接收机的散热系统时，只需将APD探测器部分做好即可。而APD相干光接收机所需要的本振光很小，可以用一个相对独立的本振激光器同时对多个APD相干接收机提供本振光。

对可变光衰减器VOA的工作电压进行反馈控制的反馈电流由相干接收机中的一个雪崩光电二极管APD提供，其接收的光功率为混频后的相干相加光。

雪崩光电二极管APD的倍增层采用InP材料构成的多层倍增单元并将其级联；其中，倍增单元依次由第一n型InP材料层、第一本征InP材料层、第二n型InP材料层、第二本征InP材料层、p型InP材料层和第三本征InP材料层叠置而成。

居于倍增单元第二层的第一本征InP材料层，当通过该层后空穴的能量可以达到或者接近离化阈值能量的前提下，其厚度应尽可能的减小。居于倍增单元第四层的第二本征InP材料层，当通过该层后电子的能量不足以达到离化阈值能量的前提下，其厚度应尽可能的增大。居于倍增单元第六层的第三本征InP材料层，当通过该层后电子的能量可因为散射而损失大量能量的的前提下，其厚度应尽可能的减小。倍增单元中，第一层的第一n型InP材料层和第三层的第二n型InP材料层应通过厚度或掺杂浓度的调节，来调整本征InP材料所处的电场，使两个本征InP材料层的电子离化率有较大的差距。

实施例二

参见图2，本实施例在实施例一提出的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机的基础上增加光斑转换器SSC5。光斑转换器SSC5设置在多模干涉耦合器MMI102的前端；在多模干涉耦合器MMI102的入射波导前端集成光斑转换器SSC5，可以有效提高光纤到入射波导的光耦合效率。

雪崩光电二极管采用低噪声高增益，低偏压高速率的e-APD。

本发明提供的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，通过雪崩光电二极管APD的内部增益和本振光共同作用实现信号放大，减小对本地激光源提供的本振光功率的需求，提高探测灵敏度，降低非线性效应引起的信号误差，提高探测器的能量利用率，减小系统的功耗，简化了相干接收机系统，降低了系统整体成本。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，其特征在于，包括：多模干涉耦合器MMI、可变光衰减器VOA以及雪崩光电二极管APD；信号光和本振光通过入射波导进入所述多模干涉耦合器MMI；所述多模干涉耦合器MMI的输出端与所述可变光衰减器VOA的输入端相连；所述可变光衰减器VOA的输出端与所述雪崩光电二极管APD的输入端相连；所述多模干涉耦合器MMI、所述可变光衰减器VOA以及所述雪崩光电二极管APD器件间的光信号传递通过光波导实现。

2.如权利要求1所述的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，其特征在于：所述多模干涉耦合器MMI的入射波导芯层、多模区与输出波导芯层、可变光衰减器的衰减芯层以及雪崩光电二极管APD的光匹配层均采用InGaAsP系列材料。

3.如权利要求2所述的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，其特征在于：所述基于雪崩光电二极管APD相干接收机的基底和上包层采用InP系列材料。

4.如权利要求1所述的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，其特征在于：所述可变光衰减器VOA与所述雪崩光电二极管APD间的连接光波导的芯层采用P型重掺杂形成电隔离槽结构。

5.如权利要求1～4任一项所述的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，其特征在于：所述结构还包括：光斑转换器SSC，且所述光斑转换器SSC设置于所述多模干涉耦合器MMI的入射波导前端。

6.如权利要求5所述的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，其特征在于：所述可变光衰减器VOA与所述雪崩光电二极管通过光波导相连。

7.如权利要求5所述的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，其特征在于：所述多模干涉耦合器MMI的输出端口为四个。

8.如权利要求5所述的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，其特征在于：所述雪崩光电二极管APD的倍增层采用InP材料构成的多层倍增单元级联结构；其中，倍增单元依次由第一n型InP材料层、第一本征InP材料层、第二n型InP材料层、第二本征InP材料层、p型InP材料层和第三本征InP材料层叠置而成。

9.如权利要求8所述的基于雪崩光电二极管APD的相干接收机，其特征在于：所述雪崩光电二极管采用低噪声高增益的e-APD。