TW201421926A - 用於提升光接收器靈敏度之檢光裝置 - Google Patents

用於提升光接收器靈敏度之檢光裝置 Download PDF

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本發明提供一種用於光接收器之檢光裝置，包含：PIN二極體，用以接收光訊號，產生對應該光訊號之第一電流訊號；一低雜訊電流放大器，耦接該PIN二極體，用以放大第一電流訊號以產生低雜訊的第二電流訊號；以及一轉阻放大模組，耦接該低雜訊電流放大器，該轉阻放大模組包含一轉阻放大器，轉阻放大該第二電流訊號，以產生一單端電壓訊號，該轉阻放大模組並包含自動增益控制放大電路以及單端轉差動放大器，以放大該單端電壓訊號，以產生一振幅受到控制之差動電壓訊號。本發明係藉由增加一低雜訊電流放大器以提升光接收器整體之靈敏度。

Description

用於提升光接收器靈敏度之檢光裝置
本發明係關於檢光裝置；特別是一種用於光接收器之檢光裝置。
近年來隨著網路的應用蓬勃發展，人們對頻寬的需求也愈來愈大，因而光纖到家的佈建也愈來愈普及，其中又以被動式光纖網路(PON)最受青睞。和點對點的光纖網路相比，點對多點的被動式光纖網路需要更多的連結預算(Link Budget)來滿足系統的需求。例如，1對32用戶的被動式光纖網路與點對點的光纖網路相比，至少需要額外的15dB連結預算。一般，為了增加連結預算，主要有兩種方式，一是增加發射端的輸出功率；另一種則為增加光接收器的靈敏度；增加發射端雷射的發射功率，除了會增加雷射的成本，也會耗費較多的能源，並且造成安全上的疑慮(eye safty)，所以改善光接收器的靈敏度會是系統設計的優先選擇。
關於增加光接收器靈敏度方面，目前在最新一代寬頻被動式光纖網路標準GPON(Gigabit-Capable PON)中，最普遍的類別Class B+光接收器的靈敏度規格是-28dBm，而Class C更需要-30dBm靈敏度之光接收器。為了達此規格，只有使用複雜、脆弱且昂貴的雪崩式檢光二極體(Avalanche Photo Diode,APD)來提高光接收器靈敏度。 然而雪崩式檢光二極體需要在30~50V的高壓下操作，其操作電壓需要隨溫度變化而設定，且雪崩式檢光二極體較容易受靜電或較高的操作電流(>3mA)而損壞，均增加其使用難度及提高其使用成本。
另一方面，使用P型-本質-N型二極體(PIN二極體)之光接收器，具有低成本和容易操作之優點，此類光接收器在應用上的限制，主要來自於較低的靈敏度。近年來為了改善使用PIN二極體光接收器靈敏度的研究，多集中在改良接收器後端矽材質轉阻放大模組低雜訊之特性，雖近年來已有長足的進步，但目前此類接收器，尚未能應用在GPON Class B+或更高規格的標準，因此對於進一步改良此類接收器靈敏度，目前市場仍持續有其需求。
為改良使用PIN二極體之光接收器，本發明提供一種檢光裝置，藉由一低雜訊放大器以壓抑光接收器中，低雜訊放大器之後所有電路所產生的雜訊，以提升光接收器整體之靈敏度。
第一圖所示，為一習知使用PIN二極體之檢光裝置100，該檢光裝置係為整個光接收器之前級。該檢光裝置包含一PIN二極體101以及一轉阻放大模組102，該PIN二極體為檢光元件，接收一光訊號並將其轉換為一電流訊號；該轉阻放大模組包含一轉阻放大器103，該轉阻放大器將該電流訊號放大轉換成一電壓訊號；該轉阻放大模組，尚包含自動增益控制電路104、放大器105、以及單端 轉差動放大器106等電路，以處理該電壓訊號，產生一訊號強度受到監控的差動電壓訊號，以供光接收器後級之其他電路所使用。
為標定一系統中，雜訊劣化的程度，我們使用雜訊指數(NF,Noise Factor)，其定義如下：NF=SNRin/SNRout其中SNRin為該系統輸入訊號之訊噪比(訊號功率與雜訊功率之比值)，而SNRout為該系統輸出訊號之訊噪比。以上述使用PIN二極體之檢光裝置為例，將PIN二極體之訊號電流定義為系統之輸入，則該檢光裝置之整體雜訊指數定義如下：NFtotal=SNRpin/SNRdiff其中SNRpin為PIN二極體輸出之訊噪比，而SNRdiff為輸出差動訊號之訊噪比，由第一圖可知，在此定義下，該檢光裝置之整體雜訊指數NFtotal即為該轉阻放大模組之雜訊指數NFTIA：NFtotal=NFTIA [1]根據習知技術，為降低製造成本，該轉阻放大模組通常為矽半導體所製成，而由矽半導體所製成之電路，通常較三五族化合物(III-V compound)所製成之電路，引入更多的雜訊，因而有著較高的雜訊指數。此外如第一圖所示，該轉阻放大模組包含多級放大器，每一級放大器，都將貢獻額外的雜訊，因而增加整體的雜訊指數。綜合上述兩個因素，由矽半導體所製成的轉阻放大模組，具有相當大的雜訊指數NFTIA，因而劣化光接收器的靈敏度。
本發明首先提出一種檢光裝置的新架構，請參照第二圖。考量與現有技術的相容性，在不更動既有轉阻放大模組的前提下，在PIN二極體201與轉阻放大模組202間，加入一低雜訊電流放大器208(Current-to-current Low Noise Amplifier,LNA)，其功率增益為GLNA，則根據Friss Equation，整體雜訊指數將成為：NFtotal=NFLNA+(NFTIA-1)/GLNA [2]其中，NFLNA為該低雜訊電流放大器之雜訊指數、NFTIA為該轉阻放大模組之雜訊指數，由第[2]式中可明顯看出，在本發明所提出之架構下，為了與APD的輸出電流相仿，該低雜訊電流放大器的電流增益設計在10~20倍左右，將大幅壓抑轉阻放大模組雜訊指數NFTIA對整體雜訊指數NFtotal之影響，因此，使用此架構檢光裝置之雜訊指數NFtotal將低於習知架構之NFtotal，整體光接受器之靈敏度因而得到提升。在靈敏度要求更高的光接收器中，更可考慮使用三五族化合物來製作該低雜訊放大器，以得到一較小的NFLNA值，以進一步降低整體檢光裝置的雜訊指數，提升光接收器之靈敏度。
本發明復提出另一種檢光裝置之架構，其不受既有轉阻放大器的限制，使得低雜訊放大器以及檢光裝置中其他放大器的設計具有更高彈性，各級放大器之增益可重新分配，做到檢光裝置整體雜訊指數最佳化的設計；該架構如第三圖所示，係將第一圖中之轉阻放大器，由轉阻放大模組中獨立出來，設計為一低雜訊轉阻放大器，並可進一步利用三五族化合物，設計製造此一低雜訊轉阻放大器，以 更進一步降低整體檢光裝置的雜訊指數。本架構之優點不但在於製程上所帶來的低雜訊優勢，另一方面，在電路設計方面，也具有更高的彈性；本發明可以針對低雜訊轉阻放大器的雜訊指數做最佳化設計，使其不受增益值大小的限制；且該低雜訊轉阻放大器的電壓輸出，也可設計成適合矽材質的CMOS製程，此架構的缺點在於不能重複利用既有的轉阻放大模組。此外在該低雜訊轉阻放大器的架構上，該低雜訊轉阻放大器可以為一單級轉阻放大器，亦可以為一電流放大器耦接一轉阻放大器之兩級架構；電路架構的選擇，或是電流放大器的增益，均可視所欲達成的雜訊指數、使用的製程、以及製造成本(半導體晶片的面積)，作一全面性的考量。
本發明在光接收器之檢光裝置中，使用低雜訊放大器，以達到降低檢光裝置雜訊指數之效果，整體光接收器之靈敏度因而得到提升，且隨著低雜訊放大器的技術演進，本發明的架構可以低成本的方式，持續改善光接收器的靈敏度；由於此改良，可擴大PIN二極體於光接收器之應用，因而可避免使用需要高壓且脆弱之APD元件，降低檢光裝置之製造成本。
以下將配合圖示詳細敘述例示實施例。然而，這些實施例可以包含於不同的形式中，且不應被解釋為用以限制本發明。這些實施例之提供使得本發明之揭露完整與完全，熟知此技術之人將能經由該些實施例了解本發明之範 疇。
本發明第一實施例請參閱第二圖，在本實施例中，用於被動式光纖網路之檢光裝置200，包含一PIN二極體201，用以接收光訊號，產生對應該光訊號之一第一電流訊號209；一低雜訊電流放大器208，耦接該PIN二極體，用以放大該第一電流訊號以產生一低雜訊的第二電流訊號210，以提升光接收器整體之靈敏度，該PIN二極體及該低雜訊電流放大器，組成一檢光模組207；該檢光裝置尚包含一轉阻放大模組202，耦接該低雜訊電流放大器，該轉阻放大模組之第一級為一轉阻放大器203，用以轉阻放大該第二電流訊號，以產生一單端電壓訊號，該轉阻放大模組並包含自動增益控制放大電路204、放大器205以及單端轉差動放大器206，以放大該單端電壓訊號，以產生一振幅受到控制之差動電壓訊號，基於成本之考量，該轉阻放大模組202係以矽半導體所製成；在本實施例中，該自動增益控制放大電路、該放大器以及該單端轉差動放大器等電路，僅用以例示說明該轉阻放大模組產生一振幅受到控制差動電壓訊號之功能，並非將本發明中之轉阻放大模組，限制如第二圖之架構，而本實施例中之低雜訊電流放大器，除上述放大訊號電流，以提升光接收器靈敏度之主要功能外，尚可提供監測PIN二極體訊號電流強度之功能，避免該檢光裝置200中之電路飽和。
在本實施例中，該低雜訊電流放大器，可在電路雜訊、偏壓方式、頻寬以及製程等考量下，選擇適當之架構來實現該低雜訊電流放大器。在一較具體的實施態樣中，為實 現本發明檢光裝置在被動式光纖網路(PON)的應用，該低雜訊電流放大器之電流增益設計在10~20倍，頻寬為30kHz~1.8GHz。在靈敏度需求較高的系統中，可使用三五族化合物來製作該低雜訊電流放大器，一方面是基於三五族化合物較佳的雜訊特性，另一方面，三五族化合物的電路元件，具有較高的頻寬，可以增加電路設計時的彈性，又因為異質接面雙極電晶體(Heterojunction Bipolar Transistor，HBT)具有電流介面直接放大的特性以及元件低閃變雜訊(flicker noise)之優點，特別適合用以製作本實施例中之低雜訊電流放大器。在本發明所提供之檢光裝置中，使用三五族化合物來製作該低雜訊電流放大器，提供了將檢光裝置中之PIN二極體與該低雜訊電流放大器整合於一單晶片之可能性，上述HBT製程，即可提供此種整合能力(Kyounghoon Yang,Augusto L.Gutieirez-Aitken,Xiangkun Zhang,George I.Haddad, Pallab Bhattacharya,“Design, modeling,and characterization of monolithically integrated InP-based(1.55 μm)high-speed(24 Gb/s)p-i-n/HBT front-end photoreceivers,”Journal of lightwave technology,Vol.14,No.8,pp.1831-1839,1996.)。
本實施例中，低雜訊電流放大器的設計可參考文獻而有多種可能性，不同的電路架構分別有其優缺點，而應以寬頻以及低雜訊為優先考量，第四圖即例示一種可用以實現本實施例中低雜訊電流放大器之電路架構；其中輸入電流401係由PIN二極體所產生。
承上所述，本發明檢光裝置中之PIN二極體與低雜訊電流放大器，可由兩獨立之晶片分別實現，亦可整合於一 單晶片之中。第五圖則例示將一PIN二極體晶片501、一低雜訊電流放大器晶片502以及一轉阻放大模組503以常用之電晶體外框封裝(Transistor Outline Package,TO Package)封裝於一電晶體外框罐(TO-CAN)500；第六圖則例示將一包含PIN二極體與低雜訊電流放大器之整合晶片601以及一轉阻放大模組602以常用之電晶體外框封裝(Transistor Outline Package,TO Package)封裝於一電晶體外框罐(TO-CAN)600。
本發明第二實施例請參閱第三圖，在本實施例中，用於被動式光纖網路之檢光裝置300，包含一PIN二極體301，用以接收光訊號，產生對應該光訊號之一電流訊號309；一低雜訊轉阻放大器303，耦接該PIN二極體，用以轉阻放大該電流訊號以產生一單端電壓訊號，該單端電壓訊號再通過一放大模組302，以產生一振幅受到控制之差動電壓訊號，基於成本之考量，該放大模組302係以矽半導體所製成，本實施例係藉由該低雜訊轉阻放大器較佳之雜訊指數，以降低整體檢光裝置之雜訊指數。在第三圖中，該放大模組包含自動增益控制放大電路304、放大器305以及單端轉差動放大器306，該等電路，係用以例示說明該放大模組產生一振幅受到控制差動電壓訊號之功能，並非將本發明中之放大模組，限制如第三圖之架構。在本實施例中，該低雜訊轉阻放大器，可由三五族化合物所製成，以透過三五族化合物元件低雜訊之特性，降低光接受器檢光裝置中，轉阻放大器之雜訊，藉以提升光接受器整體之靈敏度。該低雜訊轉阻放大器，可為一低雜訊電流放大器 耦接一轉阻放大器所構成，亦可單純為一對雜訊特性最佳化之轉阻放大器。本實施例檢光裝置中之PIN二極體與低雜訊轉阻放大器，可為兩獨立之晶片，亦可整合為單一晶片；本發明第一實施例中之HBT元件製程，亦可應用在本實施例中，其中，若使用單一晶片之架構，PIN與低雜訊轉阻放大器的連接，可使用直流耦合(DC coupling)的方式，透過轉阻放大器電路輸入端偏壓調整方式來給予PIN二極體適當的偏壓，而無需使用需要多餘的直流阻隔電容(dc decoupling capacitor)之交流耦合(AC coupling)方式。本實施例中之檢光裝置，通常係以常用之TO package方式封裝於TO-CAN。
100‧‧‧檢光裝置
101‧‧‧PIN二極體
102‧‧‧轉阻放大模組
103‧‧‧轉阻放大器
104‧‧‧自動增益控制電路
105‧‧‧放大器
106‧‧‧單端轉差動放大器
200‧‧‧檢光裝置
201‧‧‧PIN二極體
202‧‧‧轉阻放大模組
203‧‧‧轉阻放大器
204‧‧‧自動增益控制電路
205‧‧‧放大器
206‧‧‧單端轉差動放大器
207‧‧‧檢光模組
208‧‧‧低雜訊電流放大器
209‧‧‧第一電流訊號
210‧‧‧第二電流訊號
300‧‧‧檢光裝置
301‧‧‧PIN二極體
302‧‧‧放大模組
303‧‧‧低雜訊轉阻放大器
304‧‧‧自動增益控制電路
305‧‧‧放大器
306‧‧‧單端轉差動放大器
309‧‧‧電流訊號
400‧‧‧電流放大器
401‧‧‧輸入電流
500‧‧‧電晶體外框罐
501‧‧‧PIN二極體晶片
502‧‧‧低雜訊電流放大器晶片
503‧‧‧轉阻放大模組
600‧‧‧電晶體外框罐
601‧‧‧整合晶片
602‧‧‧轉阻放大模組
第一圖係一習知使用PIN二極體之檢光裝置。
第二圖係本發明所提出使用PIN二極體之檢光裝置之一架構。
第三圖係本發明所提出使用PIN二極體之檢光裝置之另一架構。
第四圖為一電流放大器，用以實現本發明第一實施例中之低雜訊電流放大器。
第五圖例示將本發明檢光放大裝置之PIN二極體晶片、低雜訊電流放大器晶片以及轉阻放大模組以常用之TO-CAN方式封裝。
第六圖例示將本發明檢光放大裝置之PIN二極體與低雜訊電流放大器整合單晶片以及轉阻放大模組以常用之 TO-CAN方式封裝。
200‧‧‧檢光裝置
201‧‧‧PIN二極體
202‧‧‧轉阻放大模組
203‧‧‧轉阻放大器
204‧‧‧自動增益控制電路
205‧‧‧放大器
206‧‧‧單端轉差動放大器
207‧‧‧檢光模組
208‧‧‧低雜訊電流放大器
209‧‧‧第一電流訊號
210‧‧‧第二電流訊號

Claims (11)

  1. 一種用於光接收器之檢光裝置，包含：一PIN二極體，用以接收光訊號，產生對應該光訊號之一第一電流訊號；一低雜訊電流放大器，耦接該PIN二極體，用以放大該第一電流訊號以產生一第二電流訊號，以提升光接收器整體之靈敏度；以及一轉阻放大模組，耦接該低雜訊電流放大器，該轉阻放大模組包含一轉阻放大器，轉阻放大該第二電流訊號，以產生一單端電壓訊號，該轉阻放大模組並包含自動增益控制放大電路以及單端轉差動放大器，以放大該單端電壓訊號，以產生一振幅受到控制之差動電壓訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之檢光裝置，其中該轉阻放大器為該轉阻放大模組之第一級。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之檢光裝置，其中該檢光裝置係封裝於電晶體外框罐(TO-CAN)，主要用於被動式光纖網路(PON)之光接收器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之檢光裝置，其中該轉阻放大模組係由矽半導體所製成。
  5. 如申請專利範圍第1項、第2項、第3項或第4項所述之檢光裝置，其中該低雜訊電流放大器為一獨立單晶片。
  6. 如申請專利範圍第1項、第2項、第3項或第4項所述之檢光裝置，其中該低雜訊電流放大器與該PIN二極體集成於一單晶片。
  7. 一種用於光接收器之檢光裝置，包含：一PIN二極體，用以接收光訊號，產生對應該光訊號之一第一電流訊號；一低雜訊轉阻放大器，耦接該PIN二極體，用以轉阻放大該第一電流訊號以產生一單端電壓訊號；以及一放大模組，耦接該低雜訊轉阻放大器，該放大模組包含自動增益控制放大電路以及單端轉差動放大器，以放大該單端電壓訊號，以產生一振幅受到控制之差動電壓訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之檢光裝置，其中該檢光裝置係封裝於電晶體外框罐(TO-CAN)，主要用於被動式光纖網路(PON)之光接收器。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之檢光裝置，其中該放大模組係由矽半導體所製成。
  10. 如申請專利範圍第7項、第8項或第9項所述之檢光裝置，其中該低雜訊轉阻放大器為一獨立單晶片。
  11. 如申請專利範圍第7項、第8項或第9項所述之檢光裝置，其中該低雜訊轉阻放大器與該PIN二極體集成於一單晶片。
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