CN1460336A - 用于与光纤合作的接收设备的传感器 - Google Patents
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Abstract
用于与光纤合作并包括传感器的接收设备，所述传感器用于将由光纤输出的调制光束形式的信号转换为电信号。传感器包括两个或多个相互分离的传感器元件。每个传感器元件的输出被耦合于放大元件，其被耦合于与该放大元件有关的模拟到数字转换器。传感器元件和被连接于其的放大元件在单个半导体芯片上被提供。模拟到数字转换器亦可被提供于半导体芯片上。半导体芯片上的集成电路是时钟控制的，并且用于集成电路(A、B、C、D)的时钟速率小于相应于调制光束比特传输速率的时钟速率。存在用于从传感器元件以集成电路时钟速率递送的信号来重构光束中信号的装置。
Description
本发明涉及用于与光纤合作的接收设备的传感器，其用于将由光纤输出的光束形式的信号转换为电信号，该传感器包括两个或多个相互分离的传感器元件。
本发明亦涉及与光纤合作的接收设备，包括用于将以离开光纤的调制光束为形式的信号转换为电信号的所述传感器。
这样的传感器从公开于公开检验的日本专利申请JP-A-11351818可得知。所述文档公开了二维传感器，在其中传感器元件为温度传感器，其在被离开光纤的光束照射的基础上经历温度变化，所述温度变化可由所提供的处理电子器件来检测。每个传感器元件包括第一和第二温度传感器。传感器元件被以行和列来安排。一行的所有第一温度传感器被互连，并且一列的所有第二温度传感器被互连。互连的温度传感器被耦合于电压检测器。通过检测哪一行和哪一列发送不同于其它行和列所发送信号的信号，可以确定光束照射在传感器的什么传感器位置。
这样的传感器根本不适合于将存在于光束中的信息转换为不同类型的信号。
纤维光学通信系统能够支持分别具有相对大宽度和高比特率的信号，例如用于SONET应用的2.5GHs到4GHs。在现有纤维光学通信系统中，电部件为位串行的：单个激光二极管或LED用于产生通过光纤传输的光学信号，单个PIN二极管用于检测离开光纤的光束，以及多路高速双极或GaAs电路用于处理控制激光二极管或LED或者源自PIN光电二极管的信号。这样的电部件是昂贵的，并且所述信号链不能通过使用制造它们所借助的处理技术而被进一步集成。
在现有的纤维光学接收器链中，已知在多路结构中实施了所述进一步的处理电子器件，在其中在光束已借助PIN光电二极管被检测到并且已通过初始双极或GaAs检测器芯片被耦合于所述进一步的处理电子器件之后，可进行信号的并行处理。
虽然有在进一步的通路中的并行处理，已知的接收器链仍被这样的事实所局限：仅存在一个PIN光电二极管用于检测由光纤输出的单个光束并将其转换为电信号。适合于与上述信号有关而工作的高速运行设备是昂贵的。
因此，本发明的目的是提供能够使用较便宜技术来处理所述信号的传感器。
依照本发明，此目的的实现在于每个传感器元件的输出被耦合于放大元件的输入，每个放大元件的输出被耦合于与该放大元件有关的模拟到数字转换器的输入，并且在于传感器元件和被耦合于其的放大元件在单个半导体芯片上被提供。
作为结果，获得了用于传感器的被以多个较小传感器元件细分的相同接收区域，对此至今为止一个大的PIN光电二极管被需要以产生足够强的信号，其固有的缺点是大电容导致了在高频率处的不良性能。每个所述较小传感器元件都具有其自身的放大元件，并且仅存在用于每个传感器元件的小电容，这样在高频率处亦有可能有令人满意的性能，而总的传感表面区域尺寸并不与已知PIN光电二极管的敏感表面区域尺寸有所不同。
在依照本发明的传感器的实施例中，模拟到数字转换器被安排于半导体芯片上。
作为结果，从离开纤维的光束中检测信号，包括电信号的数字化，被以相对高的速率、以高频率、在单个芯片上以及并行地实现。
在依照本发明的传感器的另一实施例中，传感器元件被安排在半导体芯片上的预定区域内，并且在所述预定区域内传感器元件的空间密度基本上为常数。
作为结果，来自各个传感器元件的输出信号表现出高度的均匀性。
另一结果是没有强加于对由光纤输出的光束的光学处理之上的较严格的要求。
在一实施例中，存在接收器设备，其被设计用于与光纤合作并包括用于转换由光纤输出的调制光束形式的信号的传感器。该设备包括如上所述的传感器，半导体芯片上的电路为钟控的，用于电路的时钟速率低于相应于调制光束比特传输速率的时钟速率，存在用于从传感器元件以电路时钟速率递送的信号来重构光束中信号的装置。
作为结果，对用于传感器单个半导体芯片上电路的技术的频率要求比对用于检测离开的调制光束中调制的每个单独传感器元件的要求较不严格。
在传感器的另一实施例中，元件被分组组织，重构装置包括被安排用于分组读取传感器元件的控制装置，并且组数基本上等于相应于调制光束比特传输速率的时钟速率与用于集成电路的时钟速率之间的比。
作为结果，有可能检测存在于输出光束中的处于大大高于第一最大频率的频率的信号，使用适合于所述第一最大频率的技术。
现在将参照附图来较为详细地描述本发明，在附图中：
图1以横截面视图图解地示出依照本发明的传感器；
图2图解地示出包括处理电子器件的传感器元件；
图3示出传感器第一实施例的几何结构；
图4示出传感器第二实施例的几何结构。
在图1中，参考数字1表示光纤。光束2由光纤1输出，所述光束受横向方向上的色散，其由箭头2a、2b、2c和2d来表示。传感器3包括许多传感器元件，其对光束2中的辐射敏感并由参考数字4a、4b、4c和4d来表示。在下文中，传感器元件亦将被称为传感器元件4。被光束2覆盖的传感器3的表面区域被整个覆盖以单独的传感器元件4。优选地，传感器元件4在光束2照射传感器3的预定区域内被以规则图形来安排。作为结果，所述预定区域中传感器元件的空间密度基本上为常数，并且光敏区域的尺度基本上与用于每个传感器元件4的相同。传感器3包括半导体芯片的基片5，在其中传感器元件4被提供。除了传感器元件4，被连接于其的放大元件和随后链的任何元件亦在该半导体芯片上被安排。
所有这些在图2中被图解地示出。传感器元件4被表示为“PD”，而用于将传感器元件PD上的电荷量转换为电压的放大元件被表示为“A”。放大元件A的输出随后被耦合于模拟到数字转换器B的输入。图2中所示的元件PD、A和B被以本身已知的方式集成于传感器3中，其将在下文中被称为半导体芯片3。与由光束2投影到半导体芯片3上的光斑相比，在下文中亦被称为传感器PD的传感器元件4在尺寸上是小的。
图3示出传感器元件PD的基本结构和被集成于半导体芯片3中的有关的后续电路。图3示出各个元件空间安排的原理。相当于术语电路的元件A、B、D和E的各个元件空间安排的优点是，有可能以所示配置来覆盖传感器元件PD的较大邻接“可平铺”区域。图3中所示的配置示出了半导体芯片3上电路集成的最广泛的形式，也就是传感器元件PD、放大元件A、数字到模拟转换器B、时延元件D、重构滤波器E和控制装置SM。如关于图2所指出的，每个传感器元件PD被耦合于放大元件A的输入，其输出被耦合于数字到模拟转换器B的输入，其输出被耦合于时延元件D的输入，时延元件D的输出被耦合于重构滤波器E的输入。如图3中所示，四个传感器元件PD导致四个链PD-A-B-D，并且所述四个链被耦合于重构滤波器E的四个输入。控制装置SM被耦合于每个链以及重构滤波器E。为了举例，明确地示出了到链A2、B2和C2的连接。当然，存在到其它链的可比连接，但为了清楚未示出它们。
如下为四个传感器和链以及被连接于其的重构滤波器的操作。四个传感器元件PD被光纤1输出的光束2照射。将为了举例而假定，由光束2产生的半导体芯片3上的光斑在形状上近似为圆形并且具有与图3中传感器元件PD所限定的区域近似相同的尺度。在此情况下，每个传感器元件PD递送所存电荷形式的电信号，其依赖于那个位置上光束的强度。如果传感器元件PD的敏感区域在尺寸上相同并且如果光束在传感器元件PD上是均匀分布的，则传感器元件PD所输出的信号基本上是相同的。光束2的调制需要每秒钟N个采样的采样速率以使得能完全重构为电信号。在以下将进一步说明，用于控制信号的时钟速率对应于每秒钟N/4个采样的采样速率，所述控制信号由控制装置SM供应给放大元件A、数字到模拟转换器B、时延元件D和重构滤波器E。这是以如下方式而实现的。控制装置SM相继并以循环方式在频率N/4处控制放大实施。作为结果，每个传感器元件PD可在四个采样周期1/N、总共四个1/N周期中实现将光束2转换为跨过电容上的电荷。在每个周期1/N之后，下一个传感器元件PD被有关的放大元件A读出。在四个周期1/N之后，首先被读出的传感器元件PD被再次读出。这个过程被连续重复。电压从放大元件A到数字到模拟转换器B的传递以相同速率N/4而进行。作为结果，四个不同信号存在于数字到模拟转换器B的输出处，这是因为有关的传感器元件PD已在四个不同时间点上被读出。来自数字到模拟转换器B的输出信号，每个都包含相应于光束2中信号的四个采样的信息。然而，不是所有在第一数字到模拟转换器输出处形成数字信号的四个不同采样都与存在于下一个数字到模拟转换器等输出处的数字信号中的四个采样相同，但的确有一定量的重叠。这意味着存在于第一数字到模拟转换器输出处数字信号中的光束2中的信号采样亦部分地存在于三个其它数字到模拟转换器中的每个的输出处的数字信号中。然而，所述其它数字到模拟转换器被读出得越迟，所述存在将越不明显。
时延电路D安排数字信号的结合总存在于时延电路D的输出处，所述信号不同于在相同时间点上存在于数字到模拟转换器输出处的数字信号，但其使本身已知的重构滤波器E能再次以正确方式重构存在于调制光束2中的信号。
通过在半导体芯片3上正确安排许多图3中所示的电路和传感器元件，有可能获得一设备：包括覆盖较大表面区域的八、十二、十六个等传感器元件PD，或者包括较大数量的传感器元件，其每个传感器元件具有相应较小的电容和随之较大的带宽以给出相同的表面区域。
图4示出依照本发明的传感器的第二实施例。再一次，字母PD表示敏感传感器元件，A表示放大元件，而B表示模拟到数字转换器。在这个实施例中，每个模拟到数字转换器的输出被耦合于移位寄存器C。在图4中所示的实施例中，十二个传感器元件PD被以两个传感器元件一行、四个传感器元件以两行及两个传感器另一行来安排。由传感器元件所限定的区域为近似圆形。通过增加传感器元件的数量，可实现比图4中所示十二个传感器元件所可能有的较为精确近似的圆形。
图4中所示电路的操作如下。存在十二个传感器元件PD。这意味着所示控制装置SM的时钟速率可以是与光束2中信号的采样频率相对应的时钟速率的1/12。传感器元件PD被有关放大元件A一个一个地读出。紧接着在被读出之后，每个传感器元件PD被重设到其起始状况。在与采样频率相对应的时钟速率的每十二个周期中，一个传感器元件仅被读出一次。此结果为每个传感器元件都可在十二个这样的周期内积分来自光束2的入射辐射量。在那个周期内，光束2中信号的十二个不同采样点已在所述的一个传感器元件中被组合。放大器A将电荷转换为电压，而所述电压随后通过有关的模拟到数字转换器被转换为所述电压的数字再现。模拟到数字转换的结果被存储于移位寄存器C中。每读出一个传感器元件PD，移位寄存器的内容被移动一个位置。在一个循环的十二个读出之后，移位寄存器包含了在那个循环期间已被读取并转换的十二个值。在下一个循环期间，先前值被覆盖，这样所述先前值必须在下一个信号处理链中被读取。传感器元件被读出的准确顺序遵循由移位寄存器强加的限定。所述链的信号处理部分即从传感器元件PD开始并包括模拟到数字转换器B，被以比光束中信号的采样频率相对应的时钟速率低12倍的时钟速率来控制。
在前述中，每个传感器元件PD都具有其自身的放大元件和其自身的数字到模拟转换器，随后为其自身的时延元件或移位寄存器。如果情况允许或需要这样，例如由于传感器是在比特传输速率比依照本发明的传感器所能处理的最大值小的环境中被使用的，两个或多个传感器元件PD可被互连以形成一个较大的传感器。这样的传感器元件被成组读出，而来自传感器元件PD组的信号被进一步以针对每组仅包括一个传感器元件的情况的、与上述相同的方式来处理。成组读出亦可发生在位于所述链的更下游的点，例如在放大元件之后或在数字到模拟转换之后。
在前述之后，对于本领域的技术人员，各种改动和实施例将是明显的。所有这样的实施例和改动被认为是在本发明的范围之内。
Claims (15)
1.一种用于与光纤(1)合作的接收设备的传感器(3)，用于将由光纤输出的光束形成的信号(2)转换为电信号，该传感器(3)包括两个或多个相互分离的传感器元件(4a、4b、4c、4d、PD)，所述传感器(3)的特征在于，每个传感器元件(4a、4b、4c、4d、PD)的输出被耦合于放大元件(A)的输入，每个放大元件(A)的输出被耦合于与该放大元件有关的模拟到数字转换器(B)的输入，所述传感器元件(4a、4b、4c、4d、PD)和被耦合于其的所述放大元件在单个半导体芯片上被提供。
2.权利要求1的传感器(3)，其中模拟到数字转换器(B)被安排于半导体芯片上。
3.权利要求1或2的传感器(3)，其中每个模拟到数字转换器(B)的输出被耦合于移位寄存器(C)。
4.权利要求1或2的传感器(3)，其中每个模拟到数字转换器(B)的输出被耦合于时延元件(D)的输入，该时延元件(D)的输出被耦合于重构滤波器(E)。
5.权利要求4的传感器(3)，其中时延元件(D)被集成于半导体芯片上。
6.权利要求4或5的传感器(3)，其中重构滤波器(E)被集成于半导体芯片上。
7.任何上述权利要求之一的传感器(3)，其中传感器元件(4a、4b、4c、4d、PD)被安排于半导体芯片上的预定区域内，所述预定区域内的传感器元件(4a、4b、4c、4d、PD)的空间密度基本上为常数。
8.权利要求7的传感器(3)，其中传感器元件(4a、4b、4c、4d、PD)被以规则图形来安排。
9.任何上述权利要求之一的传感器(3)，其中所有传感器元件(4a、4b、4c、4d、PD)的敏感区域彼此基本上相等。
10.一种与光纤(1)合作的接收设备，包括如任何上述权利要求之一的传感器(3)。
11.权利要求10的设备，其中半导体芯片上的电路(A、B、C、D)是钟控的，用于集成电路(A、B、C、D)的时钟速率小于相应于调制光束(2)比特传输速率的时钟速率，该设备提供了用于从传感器元件(4a、4b、4c、4d、PD)以集成电路(A、B、C、D)时钟速率递送的信号来重构光束(2)中信号的装置(E)。
12.权利要求11的设备，其中传感器元件(4a、4b、4c、4d、PD)被成组组织，重构装置(E)包括被安排用于成组读取传感器元件(4a、4b、4c、4d、PD)的控制装置(SM)，组数基本上等于相应于调制光束(2)比特传输速率的时钟速率与用于电路(A、B、C、D)的时钟速率之间的比。
13.权利要求12的设备，其中所述控制装置(SM)被安排用于在不同时间点上读出所述组。
14.权利要求12或13的设备，其中每组包括一个传感器元件(4a、4b、4c、4d、PD)。
15.权利要求12、13或14的设备，其中控制装置(SM)被安排于半导体芯片上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |