CN114362119B

CN114362119B - 一种apd保护电路结构

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Publication number: CN114362119B
Application number: CN202210004296.9A
Authority: CN
Inventors: 张德玲; 盛于邦; 王红亚; 付永安
Original assignee: Accelink Technologies Co Ltd; Wuhan Telecommunication Devices Co Ltd
Current assignee: Accelink Technologies Co Ltd; Wuhan Telecommunication Devices Co Ltd
Priority date: 2022-01-04
Filing date: 2022-01-04
Publication date: 2024-05-14
Anticipated expiration: 2042-01-04
Also published as: CN114362119A

Abstract

本发明涉及光通信技术领域，提供了一种APD保护电路结构。其中在APD的旁路电路上设置RC旁通电路，其中，电阻R串联在所述APD的驱动电源供电线路上，电容C并联在所述电阻R与驱动电源连接的一端，并且，电容C的另一端接地。本发明对所述旁路电容处于限流电阻和高压产生芯片或者高压产生电路之间。其一端接于高压电路，另一端接高压电路地网络，用于高压启动瞬间充电。在RC充电常数内，使APD阴极达到雪崩电压点，快速释放掉累积的静态载流子。

Description

一种APD保护电路结构

【技术领域】

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种APD保护电路结构。

【背景技术】

现有的光模块中，通常使用到的光电信号转换器件为雪崩光电二极管APD。在使用APD进行光电转换时，需要在APD的一端施加较高的偏置电压。如果有一定数量的光载流子存在于感应区域，这种较高的偏置电压会使APD瞬间产生较大的光电流脉冲。在光电流脉冲超过APD管芯所允许的最大电流时，将会导致APD发生损坏，或者导致后端TIA器件发生损坏。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是分析光模块在实际使用中存在的一种损坏隐患模式，和提供一种APD保护电路的设计方法，以保护APD使用过程中可能造成的损伤。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种APD保护电路结构，包括：

在APD的旁路电路上设置RC旁通电路，其中，电阻R串联在所述APD的驱动电源供电线路上，电容C并联在所述电阻R与驱动电源连接的一端，并且，电容C的另一端接地。

优选的，所述电阻R的最大值取决于负载在最大光功率状态下的输出信号质量，具体的：

光网络灵敏度响应水平为-26dBm，表明此时的光功率P＝0.0025mW；

因灵敏度附近，APD的特性决定此时增益M＝10，光电转换效率η＝0.6，本发明控制整个RC网路电压下降0.2V以内，确保APD的灵敏度特性，因此，I*R＜0.2，I＝P*M*η，进而得出R＜13.33K。

优选的，还包括：

当APD接收到的光电流为5dBm时，即对应此时的光功率为3.1623mW；因大光附近APD的特性决定此时增益M＝1，光电转换效率为0.2，控制整个RC网络下降大于6V，则I*R＞6，I＝P*M*η，进而得出R＞9.5K；

因此，9.5K＜R＜13.33K。

优选的，当耗尽区的电场达到饱和时，载流子以最大的漂移速度V_d运动,设定耗尽层宽度为W，则渡越时间为T_tr＝W/V_d；

对于典型的雪崩二极管，增益可以计算如下：M＝1/(2π*t_e)/BW，其中，t_e是有效传递时间，t_e＝K_A*T_tr,K_A是空穴和电子的冲击离化系数，T_tr是渡越时间，BW是带宽。

优选的，为了保证整个网络最大限度减少对灵敏度的影响，所述电阻R为10K。

优选的，引起雪崩的最小电压称为雪崩电压V_st；如果反向高压超过特定值，会使雪崩噪声迅速变大，所述特定值电压称为击穿电压V_br，结构包括：

在雪崩电压V_st和击穿电压V_br之间选一个工作电压V_op；

所述的电容C充电公式V_t＝V_s+V_e*exp(-t/RC)，其中，V_s为电容C上的初始电压值，Ve为电容C最终电压值，t是充电时间；

对于APD电路来说，上电后电容C开始充电，开始充电时候电容C的初始电压V_s＝0V；经过时间t1，电容电压达到V_st，经过时间t2，电容电压达到V_op，为了使静态载流子充分释放，t2-t1的时间大于渡越时间。

优选的，在所述APD采用InGaAs材料制作，相应耗尽区宽度W为2um，载流子饱和漂移速度V_d为10⁵m/s,则渡越时间为T_tr＝W/V_d＝2/10⁵＝20ps。

优选的，若电容ESR＝10mΩ，并且，APD击穿电压V_br＝30V，V_op＝0.9*V_br，V_st＝0.7V_br，根据27＝21+27*exp(-t/RC)则得出旁路C最小为1.33nf；其中，V_t＝27V，V_s＝21V，V_e＝27V。

优选的，电阻为10K，所以C选择nf级别，因此旁路C最大值为1uf。

优选的，本案同时考虑电容的温度和电压特性，在考虑足够裕量的情况下，在电阻R为10K时，选电容为10nf。

本发明对所述旁路电容处于限流电阻和高压产生芯片或者高压产生电路之间。其一端接于高压电路，另一端接高压电路地网络，用于高压启动瞬间充电。在RC充电常数内，使APD阴极达到雪崩电压点，快速释放掉累积的静态载流子。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种APD无电压时载流子在有源区的位置；

图2是本发明实施例提供的一种APD上电瞬间载流子快速流向两级示意图；

图3是本发明实施实例提供的一种APD保护电路示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

APD是非常高效的光电转换器件。在没有施加电压的时候，入射光也会中器件的吸收区域产生光载流子并保持在相当长的时间，且这种静态的光载流子会一直累积。不施加电压时，光载流子将缓慢扩散到器件边缘或与相反电荷的光载体重新中和，但这种扩散和重组过程相对较慢。因此在APD上电之前有光入射，会建立很强的载流子群体，如果此时APD被迅速上电，载流子会迅速响应，形成强电流脉冲，由于这种脉冲电流不依赖于外加电源电流，所以不会被外部监控电路监控到，这种强电流脉冲可能会损坏APD或者外接的TIA电路。

参考图1，本发明分析载流子的产生。在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下空位(空穴引)，不论N型半导体的自由电子还是P型半导体的空穴，它们都参与导电，统称为“载流子”。APD接收器件就是具有特定晶格结构的半导体，在没有APD电压的情况下，光照在半导体时，若光子的能量大于半导体的禁带带宽，则价带中的电子吸收光子后进入导带，产生电子-空穴对，统称光载流子。这些光载流子积聚在吸收区，由于没有电位差，这些光载流子缓慢的扩散到器件边缘或者与相反电荷的光载体重新中和，这种扩散或者中和的影响因素不在本发明讨论中，但这种扩散和重组过程非常缓慢，且有累积效应，这就为大电流脉冲提供了可能性。

参考图2，如果APD电压被瞬间加到雪崩电压门限以上，这些光载流子在强大电场的作用下会迅速响应，并且再流到阳极或者阴极的过程中会叠加雪崩电流，形成非常强的电流脉冲，极端情况下，可以破坏APD的晶格结构。

本发明提出瞬间光脉冲产生条件和如何设计RC网络来达到静态光载流子进行提前释放，实现APD的保护。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种APD保护电路结构一种APD保护电路结构，如图3所示，包括：

本发明实施例所在的光网络灵敏度响应水平为-26dBm，即0.0025mW，也就是此时的光功率P为0.0025mW。因灵敏度附近，APD的特性决定此时M＝10，光电转换效率η＝0.6，本发明控制整个RC网路电压下降0.2V以内，确保APD的灵敏度特性。综上，则，I*R＜0.2，I＝P*M*η，进而得出R＜13.33K；

当APD接收到的光电流为5dBm时，即对应此时的光功率为3.1623mW；因大光附近APD的特性决定此时M＝1，光电转换效率为0.2，本发明控制整个RC网络下降6V以上(Vop-Vst)，则I*R＞6，I＝P*M*η，进而得出R＞9.5K；

因此，9.5K＜R＜13.33K，为了保证整个网络最大限度减少对灵敏度的影响，同时也为本发明解释下面C的取值计算，以及为了保证整个网络最大限度减少对灵敏度的影响，故而取R＝10K。

其中，增益M的获取方式可以具体阐述为如下：当耗尽区的电场达到饱和时，载流子以最大的漂移速度V_d运动,设定耗尽层宽度为W，则渡越时间为T_tr＝W/V_d；

在本发明实施例中，引起雪崩的最小电压称为雪崩电压V_st；如果反向高压超过特定值，会使雪崩噪声迅速变大，所述特定值电压称为击穿电压V_br，结构包括：

在雪崩电压V_st和击穿电压V_br之间选一个工作电压V_op；

在所述APD采用InGaAs材料制作，相应耗尽区宽度W为2um，载流子饱和漂移速度V_d为10⁵m/s,则渡越时间为T_tr＝W/V_d＝2/10⁵＝20ps。

若电容ESR＝10mΩ，并且，APD击穿电压V_br＝30V，V_op＝0.9*V_br，V_st＝0.7V_br，根据27＝21+27*exp(-t/RC)则得出旁路C最小为1.33nf；其中，V_t＝27V，V_s＝21V，V_e＝27V。

因此，电阻为10K，所以C选择nf级别，旁路C最大值为1uf。本发明实施例同时考虑电容的温度和电压特性，在考虑足够裕量的情况下，在电阻R为10K时，选电容为10nf。

实施例2:

本发明实施例APD保护电路的具体实施示例中，本发明实施例首先要明确APD失效的模型。相比较实施例1，本发明实施例兼容了实施例1中各个扩展实现细节，使得整体阐述逻辑基于特定实例场景更为连贯和紧凑。

参考图3，在这一实施例中，APD电路包括高压输出电路、限流电阻R、旁路电容C和负载APD等效二极管。高压输出电路接于系统电源端，也就是模块的专有供电端，高压输出电路负责产生特定的高压，一般会有开关控制。限流电阻R主要用来限制APD大电流的产生，R的最小值取决于负载允许的最大过载光电流，负载最大过载光电流是APD和TIA过载光电流的最小值。R的最大值取决于负载在最大光功率状态下的输出信号质量。由于这个范围比较宽，本发明实施例取值为10K。旁路电容C的选择尤为关键，既要保证充电时间足够长，静态光载流子可以有效释放，又要保证在皮秒级别使APD处于正常工作状态，本发明实施例从理论角度进行计算电容C的取值。

进一步的，为了说明载流子释放时间，本发明实施例引入耗尽层的概念。耗尽层是指PN结中漂移运动和扩散运动共同影响下载流子数量非常少的一个高电阻区域。耗尽层的电容是影响这种速度的主要因素。加大探测器本征层的宽度对提高量子效率和减小耗尽层的电容是一致的，而增大宽度意味着载流子在吸收区的渡越时间(对于双极型晶体管，少数载流子渡越中性基区的时间τB即称为基区渡越时间)将会增加。减小探测器的面积可以有效减小结电容和暗电流，但是小面积的探测器给光纤的有效耦合带来了难度。因此，为了优化响应速度，需要选择适当的吸收深度和探测器面积。当耗尽区的电场达到饱和时，载流子以最大的漂移速度V_d运动,设定耗尽层宽度为W，则渡越时间为T_tr＝W/V_d

进一步的，本发明实施例引入增益-带宽的概念。耗尽层宽度不仅影响渡越时间，也影响APD本身的RC参数。对于雪崩二极管的带宽，由于雪崩二极管引入放大，那么该雪崩二极管的最一般特征就是增益-带宽积：M*BW，其中，M为增益因子，BW为带宽。对于典型的雪崩二极管，增益-带宽积可以计算如下：M*BW＝1/(2π*t_e),其中，t_e是有效传递时间，它等于t_e＝K_A*T_tr,K_A是空穴和电子的冲击离化系数，T_tr就是渡越时间。通过公式本发明实施例可以发现，耗尽层宽度与带宽成反比，为了提高工作带宽，就需要减小耗尽层宽度，但是过窄的耗尽层降低量子效率，影响增益。另外耗尽层的宽度与材料、温度和偏置电压都有关系，对于耗尽层的物理特性本发明实施例不做过多分析。作为本发明实施例推导计算，本发明实施例假设采用InGaAs材料某款APD耗尽区宽度为2um，载流子饱和漂移速度为10⁵m/s,则渡越时间可以近似为2/10⁵＝20ps。

所述的雪崩条件，也就是APD工作条件。首先APD的工作条件就是必须有外部反向高压，引起载流子的雪崩，本发明实施例把引起雪崩的最小电压称为雪崩电压V_st。如果反向高压过高，就会使雪崩噪声迅速变大，这个电压本发明实施例称为击穿电压V_br。为了获得一定的增益，同时保证噪声足够小，就需要在V_st和V_br之间选一个工作电压V_op。作为本发明实施例简化的计算，本发明实施例假设只有电压达到V_st后静态载流子才可以运动。

所述的旁路电容C充电公式Vt＝Vs+Ve*exp(-t/RC)，其中Vs为电容上的初始电压值，Ve为电容最终电压值，t是充电时间。那么对于APD电路来说，上电后电容开始充电，这时候Vs＝0V，经过时间t1，电容电压达到V_st，经过时间t2，电容电压达到V_op，为了使静态载流子充分释放，t2-t1的时间必须大于20ps。

该发明中，RC网络则有效确保了静态载流子被充分释放，进而确保APD在快速上电过程中不会因固有载流子的迅速叠加而被损伤。

进一步的，电容充电忽略限流电阻影响，假设电容ESR＝10mΩ，如果APD击穿电压V_br＝30V，V_op＝0.9*V_br，V_st＝0.7V_br。则本发明实施例可以得出旁路C最小为1.33nf。

进一步的，对于雪崩二极管来说，增益因子M取为一个均值，事实上M是一个变量，所以因为M是一个变量，则对应光电流是一个变化量；为了减小波动，不引起电路震荡，需要减小电容充放电时间，本发明实施例电容充放电时间要求控制在皮秒级别。

进一步的，本案例电阻为10K，所以C选择nf级别，不能超过nf级别，故最大控制为1uf；同时考虑电容的温度和电压特性，在考虑足够裕量的情况下，本案选电容为10nf。注：关于电容的充放电理论不在本发明实施例涉及范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种APD保护电路结构，其特征在于，包括：

在APD的旁路电路上设置RC旁通电路，其中，电阻R串联在所述APD的驱动电源供电线路上，电容C并联在所述电阻R与驱动电源连接的一端，并且，电容C的另一端接地；

所述电阻R的最大值取决于负载在最大光功率状态下的输出信号质量，具体的：

光网络灵敏度响应水平为-26dBm，表明此时的光功率P=0.0025mW；

因灵敏度附近，APD的特性决定此时增益M=10，光电转换效率η=0.6，控制整个RC网路电压下降0.2V以内，确保APD的灵敏度特性，因此，I*R＜0.2，I=P*M*η，进而得出R＜13.33K；当APD接收到的光电流为5dBm时，即对应此时的光功率为3.1623mW；因大光附近APD的特性决定此时增益M=1，光电转换效率为0.2，控制整个RC网络下降大于6V，则I*R＞6，I=P*M*η，得出R＞9.5K；因此，9.5K＜R＜13.33K；

引起雪崩的最小电压称为雪崩电压V_st；如果反向高压超过特定值，会使雪崩噪声迅速变大，所述特定值电压称为击穿电压V_br，结构包括：

在雪崩电压V_st和击穿电压V_br之间选一个工作电压V_op；

所述的电容C充电公式V_t=V_s+V_e*exp(-t/RC)，其中，V_s为电容C上的初始电压值，Ve为电容C最终电压值，t是充电时间；

对于APD电路来说，上电后电容C开始充电，开始充电时候电容C的初始电压V_s=0V；经过时间t1，电容电压达到V_st，经过时间t2，电容电压达到V_op，为了使静态载流子充分释放，t2-t1的时间大于渡越时间；

若电容ESR=10mΩ，并且，APD击穿电压V_br=30V，V_op=0.9*V_br，V_st=0.7V_br，根据27=21+27*exp(-t/RC)则得出旁路C最小为1.33nf；其中，V_t=27V，V_s=21V，V_e=27V。

2.根据权利要求1所述的APD保护电路结构，其特征在于，当耗尽区的电场达到饱和时，载流子以最大的漂移速度V_d运动,设定耗尽层宽度为W，则渡越时间为T_tr=W/V_d；

对于典型的雪崩二极管，增益计算如下：M=1/(2π*t_e)/BW，其中，t_e是有效传递时间，t_e=K_A*T_tr,K_A是空穴和电子的冲击离化系数，T_tr是渡越时间，BW是带宽。

3.根据权利要求1所述的APD保护电路结构，其特征在于，为了保证整个网络最大限度减少对灵敏度的影响，所述电阻R为10K。

4.根据权利要求1所述的APD保护电路结构，其特征在于，在所述APD采用InGaAs材料制作，相应耗尽区宽度W为2um，载流子饱和漂移速度V_d为10⁵m/s,则渡越时间为T_tr=W/V_d=2/10⁵=20ps。

5.根据权利要求1所述的APD保护电路结构，其特征在于，电阻为10K，所以C选择nf级别，因此旁路C最大值为1uf。

6.根据权利要求5所述的APD保护电路结构，其特征在于，同时考虑电容的温度和电压特性，在考虑足够裕量的情况下，在电阻R为10K时，选电容为10nf。