CN104049193A - 雪崩光电二极管检测器系统 - Google Patents

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Abstract

一种雪崩光电二极管检测器，包含雪崩光电二极管、可调整电压源、耦合至所述可调整电压源的电压源输出端并且具有电流测量输出端的电流镜、以及耦合至所述可调整电压源和所述电流镜的处理器。所述处理器实施以下处理：从所述电流镜获得信号电流测量，根据所述信号电流测量来计算输入光学功率水平的估计，以及基于所述输入光学功率水平的所述估计来调整所述可调整电压源的输出。

Description

雪崩光电二极管检测器系统
背景技术
在包含低水平光检测、激光测距仪、LIDAR、光子计数、光学断层摄影、荧光检测、粒子筛选和计数、以及通信系统的广泛应用中利用了雪崩光电二极管检测器（APD）。APD在基于光纤的网络通信系统中特别有用，具体地在长距离（long-reach）/高灵敏度光学接收器中特别有用。
典型地，在工作期间，通过相对高的电压将ADP反向偏置。当以适当波长的光子照明时，二极管经历创建大信号电流的雪崩击穿。在无照明下流动的电流（“暗”电流）和光子引起的雪崩击穿期间流动的信号电流之间的比率是APD增益，典型地被称为称作倍增因子（M）的无量纲的常数。
图1是典型的APD固定偏置电压控制器100的电路图示。图2是作为偏置电压的函数的倍增因子M的图表200。绘图202指示M随着偏置电压增大而增大。诸如图1中示例的电路的现有技术的许多电路被设计为以固定的电压Vtarget对APD进行偏置，以以倍增因子Mopt实现高的工作增益。这最大化了光灵敏度，使得甚至能够可靠地检测弱的光学信号。
参照图1和图2，直流电压源106对将偏置电压供应至APD116的电压调节器102进行供给。典型的电压调节器102使直流源106的电压水平升高（boost），因为许多APD需要单片式IC系统中不通常可用的高的电压（30-100V）。流动通过APD116的电流（Iapd）受到电流镜104的监控，电流镜104产生被供给至模数转换器（ADC）112的电流输入端的缩放的（scaled）电流输出（Iapd/k）。当相比于偏置电压Vbias时，假定跨电流镜104的电压降是可以忽略的。信号电流Iapd也流入将信号电流转换为输出信号电压的跨阻抗放大器（TIA）118中。
将电阻器RL114放置为与APD116串联，以限制在高的照明水平下的电流。由电阻器120和电阻器122（Rd1，Rd2）组成的分压器在线124上提供被供给至模拟控制器108的与Vbias成比例的缩放的电压Vfb，在模拟控制器108中，将Vfb与被输入至系统的期望的固定偏置电压设定点126（Vtarget）进行相比。将来自模拟控制器108的数字误差校正输出128（Vctrl）输入至电压调节器102以校正Vbias中的任何偏差。
将表示Iapd的值的A/D转换器112的数字输出130发送至估计传入的光学功率水平Prx的水平的电路模块110。这能够通过使用公式Prx=Iapd/（M*R0）来实现，其中，M是倍增因子，以及R0是响应度。经由电流镜104测量Iapd，并且能够从图表200估计M，因为跨RL（=Iapd*RL）的电压降也是已知的。能够作为波长和/或其它变量的函数来估计R0。
虽然图1的APD固定偏置电压控制器100具有简单的潜在优点，但是其遭受若干重要的缺点。例如，APD固定偏置电压控制器100的缺点是对串联电阻器114（RL）的需求，以限制在高的输入光学功率水平Prx下通过APD的电流。
图3是对于图1的电路的光学功率与M因子和系统功率消耗的关系的图表300。绘图304示例了以dB标度（scale）绘制为log（Prx）的输入光学功率对M因子的影响（impact）。在非常低的光学功率水平下，Iapd保持低的，并且相比于Vbias（其由调节器102固定），Iapd通过RL的电压降是小的。随着光学功率Prx增大，Iapd由于不断增大的雪崩电流而增大，并且跨RL的电压降增大。这降低了跨APD的有效的偏置电压，减小了M因子。在相对低的Prx水平下，更期望将M因子保持在其最适宜的水平，以降低当M因子（和偏置电压）下降时发生的比特误差率。然而，由于（with）固定的串联电阻器（RL）114，随着不断增大的Prx，M因子的下降是不可避免的。
图1的100的另一个缺点是功率消耗。如图3中所看到的，绘图302示例了当Prx增大时功率消耗的大致趋势。独立于Iapd电流水平将来自调节器102的输出电压保持固定。因为必须被输送的电功率至少为Vbias×Iapd（不考虑调节器102中的效率），Iapd的显著的增大将导致由图1的电路消耗的功率的显著增大。功率损耗在具有高的端口密度的通信系统或电池备份的通信系统中越来越关键。
APD固定偏置电压控制器100的进一步的缺点在于，在高的Prx水平下，必须将M因子保持在低的值，以限制通过APD的信号电流。考虑到图1的电路的运行机制，实际的M因子由通过调节器102输出的电压和跨RL114的电压降来确定，调节器102输出的电压和跨RL114的电压降两者确定跨APD116的实际的偏置电压。M因子可以不是精确控制的，因为其受到包含APD的特定特性和RL以及其它组件的电路容差的许多变量的影响。M因子的可变性能够导致比特误差率的显著增大，该比特误差率是不期望的。
一旦阅读了下面的描述和研究图样的数个图，现有技术的这些和其它限制对于本领域技术人员就将变得明显。
发明内容
在通过范例方式而非限制地阐述的实施例中，一种用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，包含：提供光学耦合至光源的雪崩光电二极管，由此所述光源向所述雪崩光电二极管提供输入光学功率水平；测量响应所述输入光学功率水平而流动通过所述雪崩光电二极管的信号电流；根据所述信号电流的测量来计算所述输入光学功率水平的估计；以及基于所述输入光学功率水平的所述估计来调整施加至所述雪崩光电二极管的电压偏置。
在通过范例方式而非限制地阐述的实施例中，一种雪崩光电二极管检测器包含：雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管光学耦合至光源，由此所述光源向所述雪崩光电二极管提供输入光学功率；可调整电压源，所述可调整电压源具有电压调整输入端和电压源输出端；电流镜，所述电流镜耦合至所述可调整电压源的所述电压源输出端并且具有电流测量输出端；以及处理器，所述处理器耦合至所述可调整电压源和所述电流镜。在此非限制性的范例中，所述处理器实施以下处理：从所述电流镜获得信号电流测量；根据所述信号电流测量来计算输入光学功率水平的估计；以及基于所述输入光学功率水平的所述估计来调整所述可调整电压源的输出。
范例实施例提供在偏置稳定性、较低的比特误差率以及较低的电路功率消耗上的提高。一旦阅读了下面的描述和研究了图样中的数个图，这些和其它实施例、特征以及优点对本领域技术人员就将变得明显。
附图说明
现在将参照图样描述数个范例实施例，其中，给相似的组件提供了相似的参考标号。范例实施例旨在示例本发明，而非限制本发明。图样包含下面的图：
图1是现有技术APD固定偏置电压控制器的电路图示；
图2是对于图1的电路的作为APD偏置电压的函数的倍增因子M的图表；
图3是对于图1的电路的光学功率与M因子和系统功率消耗的关系的图表；
图4是对于范例控制系统实施例的作为APD偏置电压的函数的倍增因子M的图表；
图5是对于范例控制系统实施例的作为光学功率的函数的倍增因子M的图表；以及
图6是根据范例控制系统实施例的恒定电压、恒定电流、恒定电压APD偏置系统的电路图示。
具体实施方式
参照现有技术讨论了图1-3。图4是对于范例控制系统实施例的作为APD偏置电压的函数的倍增因子M的图表400。绘图402示例了M因子随着施加的用于APD的偏置电压的变化。绘图402上的点404选定产生最期望的工作M因子Mopt的高电压（VH）工作点。对于在最低适合的输入光学功率水平下的工作，选择此M因子，并且此M因子给出了足够的输出数据信号水平。对于在高输入功率水平Mmin，绘图402上对应于较低的偏置电压VL的点406，下的工作，选择第二M因子。针对若干考虑，选择了较低的M因子Mmin。在高输入光学功率水平下，由于较高的照明水平，APD将产生大电流，并且不需要大的M因子来产生足够高的输出信号水平。事实上，在大的M因子和高输入光学功率下使APD工作能够破坏APD（由于大的Iapd水平）并且使图1中的跨阻放大器118饱和。大的APD电流也增大电路功率消耗并且增大不必要的热耗散。在M因子范围的低的一端，APD可以呈现增大的比特误差率（BER），比特误差率能够随着低于Mmin的M因子的小的改变而迅速地攀升。因此，保持由控制电路施加的M因子的范围牢固地（hard）停止在Mmin以上以避免过量的比特误差率是重要的。这样做的直接方式是VL的调节的电压控制。
在通过范例方式而非限制地阐述的实施例中，雪崩光电二极管检测器系统具有其中将跨APD的偏置电压保持固定的两个范围。在较低的输入光学功率水平（Prx）下，将偏置电压保持在VH，其产生高的M因子Mopt。在高的Prx水平下，将APD偏置电压保持在VL，其产生低的M因子Mmin。在中间Prx水平中，控制系统使恒定的电流模式成为可能，其使流动通过APD信号电流（Iapd）保持恒定。此模式的净效果是随着伴随的从Mopt过渡至Mmin的M因子的变化而从VH过渡至VL的变化的偏置电压。使用等式Prx=Iapd/（M*Ro）和M=Iapd/（Prx*Ro），将意识到，对于恒定的Iapd和恒定的Ro，M与1/Prx大致成比例。
图5包含作为光学功率的函数的倍增因子M的图表500。绘图的左上部分502示例了低Prx区域，其中，将偏置电压保持在VH并且M因子为Mopt。绘图的右下部分506示例了高Prx区域，其中，将偏置电压保持在VL并且M因子为Mmin。低Prx区域终止于第一功率水平Prx(1)处，而高Prx区域终止于第二功率水平Prx(2)处。绘图的中间部分504定位于Prx(1)和Prx(2)之间。在低Prx区域502中使恒定的电压偏置控制在VH处成为可能。在高Prx区域506中使恒定的电压偏置控制在VL处成为可能。在Prx(1)和Prx(2)之间（区域508）使恒定的电流控制成为可能，其中，M因子（和偏置电压）随着Prx增大而减小。如果Icc是恒定电流值，则能够根据等式Prx(1)=Icc/(Mopt*Ro)和Prx(2)=Icc/(Mmin*Ro)来估计Prx(1)和Prx(2)。通过改变Icc的特定值，设计者能够使中间的过渡部分504偏移至左边（较低的Icc）或右边（较高的Icc），以适应不同的功率耗散需求或者使电流水平适用（tailor）于APD参数或特定的输入光学功率需求。
图6是通过范例方式而非限制地阐述的雪崩光电二极管检测器系统600。在此范例中，通过电压供应电路模块602（Vsupply）将偏置电压提供至APD616。模块602耦合至直流源606。典型地，由直流源606输送的电压低于APD616需要的偏置电压，所以模块602必须将电压升高（和调节）至需要的水平。
如本领域技术人员将意识到的，直流源606也能够被配置为供应大于偏置APD616所需要的电压的电压，其中，模块602简单地将其输出电压调节至需要的偏置电压水平。如本领域技术人员将意识到的，为了阐明，已经从图6中省略了诸如滤波电容器、感应器、以及电阻器的组件。模块602被配置为接收数字控制输入Vctrl，电压供应模块使用数字控制输入Vctrl以确定模拟偏置电压输出。
将电压供应模块602的偏置电压输出提供至电阻分压网络Rd1620和Rd2622。将电阻分压网络的输出供给至模数转换器（ADC）612a的电压输入端。使来自电压供应模块602的信号电流输出Iapd在被输送至APD616之前通过电流镜604。电流镜604产生Iapd的缩放的“副本”Iapd/k，Iapd/k被供给至ADC612b的电流输入端。假设与跨APD616的偏置电压相比，跨电流镜604的电压降是可以忽略的。否则，能够将分压器Rd1/Rd2重新定位至电流镜604的输出侧（未示出），以更好地反映跨APD616的实际偏置电压。
通过使用光源（未示出）对APD616进行照明来将光学功率（Prx）输送至控制电路600。这可以通过光纤缆线、透镜、光圈或前述的任何或所有的组合（未示出）来实现。将流出APD616的信号电流Iapd供给至将信号电流转换为电压输出的跨阻抗放大器（TIA）618。
能够通过由处理器608储存在非易失性存储器中的已编程的例程或“代码段”来实施范例恒定电压、恒定电流、恒定电压APD偏置算法。如本领域技术人员将意识到的，能够以包含微控制器、状态机以及微处理器技术的若干技术来实施处理器608，以实施如于此描述的处理。
在此非限制性的范例中，处理器608接收三个设定点数字变量：VH,ctrl、VL,ctrl以及Ictrl。VH,ctrl是如以上描述的高偏置电压VH的数字表示。VL,ctrl是如以上描述的低偏置电压VL的数字表示。Ictrl是恒定电流Icc的数字表示。给处理器608供给三个反馈数字输入：Prx、Ifb以及Vfb。Vfb是ADC612a的数字输出630，并且表示施加至APD616的偏置电压的数字反馈。Ifb是ADC612b的数字输出632，并且表示信号电流Iapd的数字反馈。Prx是Prx校正模块610的数字输出634，其中，根据信号电流Iapd来计算估计的光学功率。
在替代范例实施例中，将Prx校正模块610的功能并入至处理器608（未示出）中。在该情况下，仅仅要求将Vfb和Ifb输入至控制器608中，因为Prx由控制器608内在地计算。
电路600内的处理器608的非限制性的范例工作如下。在任何给定的偏置电压和信号电流下，计算输入光学功率Prx。如果Prx小于或等于Prx(1)，则将跨APD616的偏置电压保持恒定在VH。如果Prx大于或等于Prx(2)，那么将跨APD616的偏置电压保持固定在VL。如果输入光学功率大于Prx(1)但是小于Prx(2)，那么控制器608通过以可变的方式调整偏置电压来保持Iapd恒定，以便维持Ifb等于其电流设定点输入Ictrl。典型地，设计者或用户将Ictrl设定为等于Icc。
尽管已经使用特定术语和器件描述了各个实施例，但是该描述仅仅是为了示例性的目的。所使用的词语是描述的词语而不是限制的词语。应当理解的是，本领域技术人员可以作出改变和变化而不脱离由书面公开和图样支撑的各个发明的精神和范围。另外，应当理解的是，可以整体地或部分地交换各个其它实施例的方面。因此旨在根据本发明的真实精神和范围而无限制和禁止地解释权利要求。

Claims (20)

1.一种用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，包括：
提供光学耦合至光源的雪崩光电二极管，由此所述光源向所述雪崩光电二极管提供输入光学功率水平；
测量响应所述输入光学功率水平而流动通过所述雪崩光电二极管的信号电流；
根据所述信号电流的测量来计算所述输入光学功率水平的估计；以及
基于所述输入光学功率水平的所述估计来调整施加至所述雪崩光电二极管的电压偏置。
2.如权利要求1所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，对于等于或低于第一光学输入功率水平的输入光学功率水平，将所述电压偏置调整为高电压水平VH。
3.如权利要求2所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，对于等于或高于第二光学功率水平的输入光学功率水平，将所述电压偏置调整为低电压水平VL。
4.如权利要求1所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中：
对于等于或小于第一光学输入功率水平的输入光学功率水平，将所述电压偏置调整为高电压水平VH；
对于等于或大于第二光学功率水平的输入光学功率水平，将所述电压偏置调整为低电压水平VL；
所述第一输入光学功率水平小于所述第二输入光学功率水平；以及
所述高电压水平VH大于所述低电压水平VL。
5.如权利要求4所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，对于所述第一输入光学功率水平和所述第二输入光学功率水平之间的输入光学功率水平，使通过所述雪崩二极管的所述信号电流保持恒定。
6.如权利要求5所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，对于所述第一输入光学功率水平和所述第二输入光学功率水平之间的输入光学功率水平，将所述电压偏置调整为在VH和VL之间。
7.如权利要求6所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，所述雪崩光电二极管在所述高电压水平VH下呈现第一M因子。
8.如权利要求7所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，所述雪崩光电二极管在所述低电压水平VL下呈现第二M因子。
9.如权利要求8所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，所述第一M因子大于所述第二M因子。
10.如权利要求9所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，在光学功率输入在所述第一光学功率输入和所述第二光学功率输入之间时，所述雪崩光电二极管呈现所述第一M因子和所述第二M因子之间的M因子。
11.如权利要求3所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，VH大于VL。
12.如权利要求11所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，所述第二光学输入功率水平大于所述第一光学功率水平。
13.如权利要求12所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，对于所述第一输入光学功率水平和所述第二输入光学功率水平之间的输入光学功率水平，使通过所述雪崩二极管的所述信号电流保持恒定。
14.如权利要求13所述的用于对雪崩光电二极管进行偏置的方法，其中，在小于所述第一光学输入功率水平的输入光学功率水平下由所述雪崩二极管呈现的第一M因子大于在大于所述第二输入光学功率水平的输入光学功率水平下由所述雪崩二极管呈现的第二M因子。
15.一种雪崩光电二极管检测器系统，包括：
雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管光学耦合至光源，由此所述光源向所述雪崩光电二极管提供输入光学功率；
可调整电压源，所述可调整电压源具有电压调整输入端和电压源输出端；
电流镜，所述电流镜耦合至所述可调整电压源的所述电压源输出端并且具有电流测量输出端；
处理器，所述处理器耦合至所述可调整电压源和所述电流镜，并且所述处理器实施以下处理：
从所述电流镜获得信号电流测量；
根据所述信号电流测量来计算输入光学功率水平的估计；以及
基于所述输入光学功率水平的所述估计来调整所述可调整电压源的输出。
16.如权利要求15所述的雪崩光电二极管检测器系统，其中，给所述处理器提供有高偏置电压设定点输入端、低偏置电压设定点输入端以及恒定信号电流设定点输入端。
17.如权利要求16所述的雪崩光电二极管检测器系统，其中，对于等于或低于第一光学输入功率水平的输入光学功率水平，通过所述处理器将所述可调整电压源的所述输出调整至所述高偏置电压设定点。
18.如权利要求17所述的雪崩光电二极管检测器系统，其中，对于等于或高于第二光学输入功率水平的输入光学功率水平，通过所述处理器将所述可调整电压源的所述输出调整至所述低偏置电压设定点。
19.如权利要求18所述的雪崩光电二极管检测器系统，其中，对于所述第一光学输入功率水平和所述第二光学输入功率水平之间的输入光学功率水平，通过所述处理器调整所述可调整电压源的所述输出，以将恒定的信号电流水平保持在所述恒定的信号电流设定点处。
20.如权利要求15所述的雪崩光电二极管检测器系统，其中，通过由所述处理器执行的代码段来实现根据所述信号电流测量对所述输入光学功率水平的所述估计的计算。
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