CN114942067B - 光电放大器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光电放大器及其工作方法，属于光电探测技术领域。其中，光电放大器包括：光信号处理通道模块，适于将光信号转换为电压信号；判决指示模块，与光信号处理通道模块连接，适于接收至少两个光信号处理通道模块所发送的电压信号，并基于预先设置的判决条件以生成判决指令；以及选通输出模块，接收至少两个光信号处理通道模块所发送的电压信号、及判决指示模块发送的判决指令；其中，每个光信号处理通道模块包括延迟电路，延迟电路适于将光信号处理通道模块发送至选通输出模块的电压信号延迟，以使选通输出模块能够基于判决指示模块发送的判决指令选取至少一个延迟后的电压信号并输出，以防止单次测量失效问题的发生，方便快捷。

Description

光电放大器及其工作方法

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种光电放大器及其工作方法。

背景技术

光电放大器广泛应用于光电探测领域，其功能为将接收到的光信号放大为电信号。光电放大器一般由光探测器与电放大器组成，其中光探测器完成光信号到电信号的转换，电放大器完成电信号的放大处理。在激光测量领域，光电放大器一般由一个光生电流探测器搭配一个跨阻放大器构成。光电放大器主要技术指标包括噪声、带宽、增益和动态范围等。

针对光电探测器动态范围指标，目前主要方法为通过增益控制进行时域调节，通过上次测量信息反馈控制下次放大增益控制，从而实现动态范围扩展。然而，在大动态范围光信号检测领域，由于检测的光信号变化范围很大，传统的时域调节可能引起光电放大器的单次测量失效等问题。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是如何保证光电放大器的单次测量有效。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光电放大器，包括：

光信号处理通道模块，设置有至少两个，每个所述光信号处理通道模块适于将光信号转换为电压信号；

判决指示模块，与所述光信号处理通道模块连接，适于接收至少两个所述光信号处理通道模块所发送的电压信号，并基于预先设置的判决条件以生成判决指令；以及

选通输出模块，分别与所述光信号处理通道模块和所述判决指示模块连接，适于接收至少两个所述光信号处理通道模块所发送的电压信号、及所述判决指示模块发送的判决指令；

其中，每个所述光信号处理通道模块包括延迟电路，所述延迟电路适于将所述光信号处理通道模块发送至所述选通输出模块的电压信号延迟，以使所述选通输出模块能够基于所述判决指示模块发送的判决指令，选取至少一个延迟后的所述电压信号并输出。

在其中一个实施例中，每个所述光信号处理通道模块还包括光电探测器及跨阻放大器，所述光电探测器适于将光信号转换为电流信号，所述跨阻放大器适于接收所述电流信号，并将所述电流信号转换为电压信号。

在其中一个实施例中，光电探测器可按照同像元一维方式、同像元二维方式、异像元一维方式及异像元二维方式进行排列。

在其中一个实施例中，所述光电放大器还包括供电模块，所述供电模块与所述光信号处理通道模块、判决指示模块及选通输出模块连接，以为所述光信号处理通道模块、判决指示模块及选通输出模块供电。

在其中一个实施例中，所述光信号处理通道模块、所述判决指示模块、所述选通输出模块及所述供电模块集成设置。

本发明还提供一种光电放大器的工作方法，采用如上所述的光电放大器，包括如下步骤：

接收光信号并将所述光信号转换为电压信号；

接收所述电压信号，并基于判决条件生成判决指令；

将所述电压信号延迟，接收延迟后所述电压信号和所述判决指令，以基于所述判决指令选取至少一个延迟后的所述电压信号并输出。

在其中一个实施例中，所述判决条件包括：

判断每个所述光信号处理通道模块所发送的电压信号的强度水平；

选取在强度范围内的一个或多个所述电压信号。

在其中一个实施例中，所述判断每个所述光信号处理通道模块所发送的电压信号的强度水平具体为：

采集每个所述光信号处理通道模块的电压信号的波形幅度信息；

或

采集每个所述光信号处理通道模块的电压信号的时域信息、波形上升的斜率或波形宽度信息，以获取所述电压信号的波形幅度信息。

在其中一个实施例中，各光信号处理通道模块的动态范围依据于绝对值大小进行排序，排序后的相邻两个所述光信号处理通道模块的动态范围存在交叠。

本发明提供的技术方案，具有以下优点：通过使得每个光信号处理通道模块设置有延迟电路，该延迟电路可将光信号处理通道模块发送至选通输出模块的电压信号延迟，以使选通输出模块能够在接收电压信号时能够将判决指令接收，并基于判决指示模块发送的判决指令，选取至少一个延迟后的电压信号并输出，从而使得选通输出模块能够输出每一次测量结果，防止单次测量失效问题的发生，方便快捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的光电放大器的结构示意图；

图2为本发明的光电放大器的信号接收动态范围；

图3为图1中的光电探测器的不同排布方式；

图4为本发明的光电放大器的工作方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

实施例1

请参见图1，本实施例提供一种光电放大器，包括光信号处理通道模块1、判断指示模块及选通输出模块3。其中，光信号处理通道模块1设置有至少两个，至少两个光信号处理通道模块1分别与判决指示模块2和选通输出模块3连接。在本实施例中，光信号处理通道模块1设置有多个，多个光信号处理通道模块1的结构相同。

其中，每个光信号处理通道模块1适于接收光信号，并将光信号转换为电压信号。而判决指示模块2适于接收至少两个光信号处理通道模块1所发送的电压信号，并基于预先设置的判决条件以生成判决指令。选通输出模块3则分别与光信号处理通道模块1和判决指示模块2连接，适于接收至少一个光信号处理通道模块1所发送的电压信号及判决指示模块发送的判决指令，并基于判决指令选取至少一个电压信号并输出。由前述可知，在本实施例中，光信号处理通道模块1设置有多个，则多个光信号处理通道模块1同时向判决指示模块2发送电压信号，判决指示模块2基于其内部预先设置的判决条件生成判决指令，并将判决指令发送至选通输出模块3，选通输出模块3基于判决指令选取一个或多个电压信号输出。

具体的，每个光信号处理通道模块1包括光电探测器11及跨阻放大器12，光电探测器11适于将光信号转换为电流信号，跨阻放大器12适于接收电流信号，并将电流信号转换为电压信号。其中，光电探测器11及跨阻放大器12在将信号进行转换的过程中，也可实现将信号放大的功能。

在本实施例中，光电探测器11为光电二极管、雪崩光电二极管及光电倍增管中的任一种。并且，光电探测器11的形状也不做具体限定，其可以为圆形、椭圆、方形、矩形或其他形状皆可。

跨阻放大器12的结构可为电阻反馈式、共栅结构及调节共源共栅结构中的任一种。同时，跨阻放大器12的配置也可为固定增益或可调增益等，且跨阻放大器12的放大体制可以为线性放大或指数放大等。

判决指示模块2可包括幅度采集器和ADC模数转换器，两者相配合以实时采集各光信号处理通道模块1的电压信号的波形幅度信息进行判别光信号处理通道模块1的状态，并根据状态做通道选择的指示和指令。或者，判决指示模块2也可包括高速比较器，以实时采集光信号处理通道模块1的电压信号的波形时域信息、波形上升斜率信息、宽度信息等以反推电压信号的波形幅度信息，从而对光信号处理通道模块1的状态进行判别，并根据状态做通道选择的指示和指令。

选通输出模块3包括数字电路译码器，其能够实现特定通道选通，可实现多选一或多选多的功能。

由前述可知，选通输出模块3可基于判决指示模块2发送的判决指令，在多个光信号处理通道模块1发送至选通输出模块3的多个电压信号中选取一个或多个并输出，因此，在本实施例中，选通输出模块3的功能不限于单路或多路输出。并且，选通输出模块3的输出缓冲功能不限于共射极或共集电极结构，也不限于差分或单端结构。

判决指示模块2在接收多个光信号处理通道模块1发送的电压信号后，基于其内部预先设置的判决条件，生成判决指令，并将该判决指令发送至选通输出模块3。然而，当判决指示模块2在基于其内部预先设置的判决条件对电压信号进行筛选时以即将生成判决指令时，多个光信号处理通道模块1的多个电压信号以发送至选通输出模块3，选通输出模块3无法基于判决指令输出相应的信号，从而导致光电放大器整体的单次测量失效的问题。

为了解决上述技术问题，在本申请中，每个光信号处理通道模块1包括延迟电路13，延迟电路13的设置需要满足判决指示模块2做出决断的处理时间，即，延迟电路13适于将光信号处理通道模块1发送至选通输出模块3的电压信号延迟，以使选通输出模块3能够在接收判决指示模块2发送的判决指令后，基于该判决指令选取至少一个延迟后的电压信号并输出。其中，该延迟电路13结构为常规结构，在此不做赘述。并且，在本实施例中，延迟电路13的结构包括但不限于增益和延迟为固定配置或可控配置。

具体的，上述的“延迟电路13适于将光信号处理通道模块1发送至选通输出模块3的电压信号延迟，以使选通输出模块3能够在接收判决指示模块2发送的判决指令后，基于该判决指令选取至少一个延迟后的电压信号并输出”具体为：延迟电路13设有延时时间，在判决指示模块2基于其判决条件生成判决指令时，光信号处理通道模块1发送至选通输出模块3的电压信号被延迟，以使选通输出模块3在接收电压信号时已接收判决指示模块2发送的判决指令，从而能基于该判决指令选取至少一个电压信号输出，进而能保证光电放大器整体在每次测量时都有信号输出，从而不会导致单次测量失效的问题。

而判决指示模块2内部预先设置的判决条件包括：判断每个光信号处理通道模块1所发送的电压信号的强度水平，选择在强度范围内的电压信号。其中，上述的强度范围可以为：电压信号不失真且信噪比在预设范围内，该预设范围根据实际情况进行设定。其中，可通过判断电压信号是否饱和以判断电压信号的强度水平等，在此不做具体限定。根据实际情况而定。

而判断电压信号的强度水平可通过：采集各光信号处理通道模块1的电压信号的波形幅度信息进行判别光信号处理通道模块1的状态；或者，判决指示模块2也可包括高速比较器，以采集光信号处理通道模块1的电压信号的波形时域信息、波形上升斜率信息、宽度信息等以反推电压信号的波形幅度信息等。

请参见图3，光电探测器11可按照同像元一维方式、同像元二维方式、异像元一维方式及异像元二维方式进行排列。以两个实施例对光电探测器11的排布方式做具体说明。

在其中一个实施例中，电压信号的强度水平与每个光信号处理通道模块1所接收的光能量息息相关。即，每个光信号处理通道模块1中的光电探测器11、跨阻放大器12及延迟电路13的结构及型号相同，使得每个光信号处理通道模块1能实现相同的增益。此时，通过分配至每个光信号处理通道模块1的光能量的不同，而使每个光信号处理通道模块1的处理结果产生差异。因此，在每个光信号处理通道模块1的增益相同的情况下，光能量影响电压信号的信号强度，即影响电压信号的动态范围。

在本实施例中，通过使得每个光信号处理通道模块1的光电探测器11的像元感光面积不同，以使分配至每个光信号处理通道模块1的光能量的不同。此时，多个光电探测器11可按照异像元方式进行排布。其中，异像元排布方式包括但不限于一维排布方式及二维排布方式。

在其他实施例中，分配至每个光信号处理通道模块1的光能量的不同时，也可通过其他分配方式，例如空间光、光纤等耦合方式，在此不做具体限定，根据实际情况而定。

在另一个实施例中，电压信号的强度水平与每个光信号处理通道模块1的增益息息相关。在该实施例中，每个光信号处理通道模块1所分配的光能量相等，而每个光信号处理通道模块1的光电探测器11、跨阻放大器12及延迟电路13的结构和型号不同，从而使得至少部分光信号处理通道模块1的增益不同。增益不同的光信号处理通道模块1影响其电压信号的信号强度，即影响电压信号的动态范围。

此时，多个光电探测器11可按照同像元进行排布，同像元的排布方式包括但不限于一维排布方式及二维排布方式。

光电放大器还包括供电模块4，供电模块4与光信号处理通道模块1、判决指示模块2及选通输出模块3连接，以为光信号处理通道模块1、判决指示模块2及选通输出模块3供电。在本实施例中，供电模块4的功能包括但不限于固定配置或可控配置等，在此不做具体限定，根据实际情况而定。

供电模块4为电流源或电压源。其中，电压源一般采用带隙基准电路产生的带隙电压结合LDO电路（低压差线性稳压器）实现；电流源通常采用带隙基准电路产生PTAT（与绝对温度成正比）电流或者恒温电流源实现。供电模块产生的电压信号或电流信号提供给上述的光信号处理通道模块1、判决指示模块2及选通输出模块3。

为了使得光信号处理通道模块1、判决指示模块2、选通输出模块3及供电模块4集成设置。在其中一个实施例中，光信号处理通道模块1、判决指示模块2、选通输出模块3及供电模块4的集成方式可以为：上述所有模块集成在一个芯片上。在另一个实施例中，光信号处理通道模块1、判决指示模块2、选通输出模块3及供电模块4的集成方式可以为：上述每个模块作为一个单独的芯片，集成在一个电路板上。亦或者，在其他实施例中，光信号处理通道模块1、判决指示模块2、选通输出模块3及供电模块4的集成方式可以为：上述的部分模块作为一个单独的芯片，剩余的模块集成在一个芯片上，然后将整体集成在一个电路板上等。

综上所述：通过使得每个光信号处理通道模块1设置有延迟电路13，该延迟电路13可将光信号处理通道模块1发送至选通输出模块3的电压信号延迟，以使选通输出模块3能够在接收电压信号时能够将判决指令接收，并基于判决指示模块2发送的判决指令，选取至少一个延迟后的电压信号并输出，从而使得选通输出模块3能够输出每一次测量结果，防止单次测量失效问题的发生，方便快捷。

实施例2

请结合图1，本实施例提供一种光电放大器的工作方法，采用上述实施例1中的光电放大器，包括如下步骤：

步骤401：接收光信号并将光信号转换为电压信号；

步骤402：接收所述电压信号，并基于判决条件生成判决指令；

步骤403：将所述电压信号延迟，接收延迟后所述电压信号和所述判决指令，以基于所述判决指令选取至少一个延迟后的所述电压信号并输出。

通过将电压信号延迟，以使得光电放大器整体每次测量皆有测量结果输出，不会引起单次测量失效的问题。其中，将电压信号延迟由上述实施例1中的延迟电路13实现，具体为：延迟电路13设有延时时间，在判决指示模块2基于其判决条件生成判决指令时，光信号处理通道模块1发送至选通输出模块3的电压信号得到延迟，以使选通输出模块3在接收到电压信号时也已接收判决指示模块发送的判决指令，选通输出模块3基于判决指令选取一个或多个电压信号输出。

判决条件设置在判决指示模块2内。具体的，判决条件包括：判断每个光信号处理通道模块1所发送的电压信号的强度水平；

选取在强度范围内的一个或多个所述电压信号。

而判断每个光信号处理通道模块1所发送的电压信号的强度水平具体为：

测量每个光信号处理通道模块1的电压信号的幅度信息；或，获取每个光信号处理通道模块1的电压信号的时间信息，以反推每个光信号处理通道模块1的电压信号的幅度信息。

请参见图2，为了防止多档位增益控制下可能出现的增益控制适配、测量失效的问题的发生，在本实施例中，各光信号处理通道模块1的动态范围依据于绝对值大小进行排序，排序后的相邻两个光信号处理通道模块1的动态范围存在交叠。在其中一个实施例中，依据于绝对值大小进行排序后的相邻两个光信号处理通道模块1的动态范围会存在交叠，从而合成一个连续的等效动态范围。在另一个实施例中，合成两个或多个子等效动态范围，每个子等效动态范围内的相邻两个光信号处理通道模块1的动态范围存在交叠，而两个或多个子等效动态范围合成后的总等效范围存在间隔，实际为非连续。

各光信号处理通道模块1之间的动态范围存在非交叠范围，则依据于绝对值大小排序后的相邻两个光信号处理通道模块1的动态范围也需存在交叠。

这样设置的目的在于：相邻两个光信号处理模块通道的动态范围存在交叠，从而使得多个光信号处理通道模块1的动态范围融合全覆盖。即，在本实施例中，最终可合成等效总动态范围DR_EQ，满足DR_EQ＜DR_1+……+DR_N。其中，DR_1至DR_N为多个光信号处理通道模块1的动态范围，DR_EQ为光电放大器的等效总动态范围。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，可以做出其它不同形式的变化或变动，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种可芯片化集成的光电放大器，其特征在于，包括可集成在芯片上的：

光信号处理通道模块，设置有至少两个，每个所述光信号处理通道模块适于将光信号转换为电压信号；

判决指示模块，与所述光信号处理通道模块连接，适于接收至少两个所述光信号处理通道模块所发送的电压信号，并基于预先设置的判决条件以生成判决指令，所述判决指示模块内部预先设置的判决条件包括：判断每个光信号处理通道模块所发送的电压信号的强度水平，选择在强度范围内的电压信号；其中，强度范围为：电压信号不失真且信噪比在预设范围内；判断电压信号的强度水平可通过：所述判决指示模中的幅度采集器和ADC模数转换器相配合以实时采集各光信号处理通道模块的电压信号的波形幅度信息进行判别光信号处理通道模块的状态；或者，判决指示模块也可包括高速比较器，以采集光信号处理通道模块的电压信号的波形时域信息、波形上升斜率信息、或波形宽度信息以反推电压信号的波形幅度信息；以及

选通输出模块，分别与所述光信号处理通道模块和所述判决指示模块连接，适于接收至少两个所述光信号处理通道模块所发送的电压信号、及所述判决指示模块发送的判决指令；

其中，每个所述光信号处理通道模块包括延迟电路，所述延迟电路设有延时时间，适于将所述光信号处理通道模块发送至所述选通输出模块的电压信号延迟，以使所述选通输出模块能够基于所述判决指示模块发送的判决指令，选取一个或多个延迟后的所述电压信号并输出；

每个所述光信号处理通道模块还包括光电探测器及跨阻放大器，每个光信号处理通道模块中的光电探测器、跨阻放大器及延迟电路的结构及型号相同，分配至每个光信号处理通道模块的光能量的不同；或者，每个光信号处理通道模块所分配的光能量相等，而每个光信号处理通道模块的光电探测器、跨阻放大器及延迟电路的结构和型号不同，结构和型号不同的跨阻放大器的结构包括电阻反馈式、共栅结构及调节共源共栅结构中的任一种，同时跨阻放大器的配置可为固定增益或可调增益，且跨阻放大器的放大体制可以为线性放大或指数放大。

2.如权利要求1所述的光电放大器，其特征在于，所述光电探测器适于将光信号转换为电流信号，所述跨阻放大器适于接收所述电流信号，并将所述电流信号转换为电压信号。

3.如权利要求2所述的光电放大器，其特征在于，光电探测器可按照同像元一维方式、同像元二维方式、异像元一维方式及异像元二维方式进行排列。

4.如权利要求1所述的光电放大器，其特征在于，所述光电放大器还包括供电模块，所述供电模块与所述光信号处理通道模块、判决指示模块及选通输出模块连接，以为所述光信号处理通道模块、判决指示模块及选通输出模块供电。

5.如权利要求4所述的光电放大器，其特征在于，所述光信号处理通道模块、所述判决指示模块、所述选通输出模块及所述供电模块集成设置。

6.一种光电放大器的工作方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中任一项所述的光电放大器，包括如下步骤：

接收光信号并将所述光信号转换为电压信号；

接收所述电压信号，并基于判决条件生成判决指令；

将所述电压信号延迟，接收延迟后所述电压信号和所述判决指令，以基于所述判决指令选取至少一个延迟后的所述电压信号并输出；

所述判决条件包括：

采集每个所述光信号处理通道模块的电压信号的波形幅度信息；或采集每个所述光信号处理通道模块的电压信号的时域信息、波形上升的斜率或波形宽度信息，以获取所述电压信号的波形幅度信息；

选取在强度范围内的一个或多个所述电压信号，其中，强度范围为：电压信号不失真且信噪比在预设范围内。

7.如权利要求6所述的光电放大器的工作方法，其特征在于，各光信号处理通道模块的动态范围依据于绝对值大小进行排序，排序后的相邻两个所述光信号处理通道模块的动态范围存在交叠。

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