TW293203B - - Google Patents

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經濟部中央標準局男工消费合作社印製 A7 B7__ 五、發明説明（1 ) 技銜節圍 本發明通常係關於光學放大器且更特別者係關於提供 線性放大之光學放大器》 苯發明之背長 關於用來線性放大光學信號之所熟知設備涉及甚多困 難。當許多不同之光學信號必須經由相同增益因數予以放 大時此等問題特別難以克服例如當一陣烈.的光束欲被放大 時發生或欲將具有許多不同像素之影像放大時發生。此等 問題之發生係因爲難以製造均具有大體上相同增益因數之 許多分開之放大元件。 本發明之概略 依照本發明，一具光學放大器包括一只光電探測器例 如光電二極體用來接收欲被放大之光學輸入信號》—具電 吸收調制器回應於經由光電探測器所產生之光電流因此使 調制器吸收一部份的通經其中所傳輸之光束其數量與光電 流的所放大之複製品成比例》逋過該調制器所傅輸之光朿 的其餘部份形成一個信號它是輸入信號的一個倒轉之放大 之複製品。在本發明之一個特別具體實施例中，光m流係 經由一只電流放大器予以放大例如經電耦合至光電探測器 之一只放大電流鏡予以放大。由於此項設備之結果，本發 明提供一種光學放大器它能既線性放大光學信號又能提供 各放大器間大體上相同之增益因數。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐} 一 -4 - -"I裝 訂 (線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 __________B7 五、發明説明（2 ) 在本發明的另外具體實施例中，電吸收調制器是一種 自行線性化之調制器以便產生就它吸收之每一光子而論光 電流的一個電子。而且，該光電二極體可能屬於一種型式 ，就入射在其上之每一光子而論，此型式產生光電流的一 個電子。 圖式簡單敘沭 圖1顯示依照本發明之一具光學放木.器的一個具體實 施例。 圖2及3顯示所熟知之電流鏡電路的實例。 圖4顯示可被探用於本發明的光學放大器中之一具放 .大之電流鏡。 圖5顯示：採用加強模態F E T s之放大之電流鏡其 中輸入F E T的尺寸與輸出F E T的尺寸不同。 詳細敘沭 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖1舉例說明本發明的光學放大器2 0的一個具體實 施例。該放大器2 0包括經偶合至饱流放大器4之一具光 爾探測器2，舉例而言例如一只放大之饱流鏡。圖1中所 示之例示之光馏探測器2是一具反向偏壓之光電二極體。 電流放大器4復被偶合至電吸收調制器6上。該電吸收調 制器6吸收來自入射在其上之光束的光能其數量與通經它 之電流成比例。 於操作時，將欲被放大之光學信號入射在光電二極體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4坑格（210X297公釐） -5 - ^08203 A7 __ B7 經濟部中央梂準局員工消费合作社印製 五、發明説明（3 ) 2_h ·如眾所周知，經由典型之反向偏壓之光電二極體所 產生之光電流與入射之光電信號的功率成線性比例。就許 多光電二極體而論，光電流與輸入功率間之比例是使就每 —個入射光子而論，產生電流的一個電子，即： 1 〇〇 = - P in ( 1 ) h w . 其中I π是經由光二極體所產生之電流，hW是入射光子 能量而{是電荷。爲了清晰之故，下列討論將假定，本發 .明的光學放大器採用具有此種特性之二極體。然而，通常 精於該項技藝之人士會公認：本發明可採用具有入射功率 與所產生之電流間不同關係之代表光電二極體。 經由光電二極體2所產生之光電流充作電流放大器4 之輸入電流。下文將予以更詳細討論之一種型式的電流放 大器是電流鏡。具有單一增益之電流鏡是眾所周知並充作 複製自一個位置至一個或數個其他位置之電流。可將此等 所熟知之m流鏡以下文中所述之方式變更而形成產生輸入 電流的放大之複製品之饱流鏡。在本發明中，m流鏡4回 應於經由光電二極體2所產生之輸入電流I in產生輸出電 流I 。該輸出電流I 等於輸入電流I iri乘以增益 因數g ，即： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 線 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4現格（210X297公釐） 經濟部中央梯準局月工消费合作社印装 A7 _____B7 五、發明説明（4 ) I out = g I in ( 2 ) 將經由電流鏡4所產生之輸出電流I導向電吸收 調制器6 0如上所述及，電吸收調制器6吸收來自入射光 束之光能其數量與通經它之電流成比例。眾所周知：某些 電吸收調制器吸收一個光子（係就通經它之電流的每一電 子而論）。此種操作之模式被稱爲^自行線性化調制器〃 模式而以此模式操作之調制器被稱爲自行線性化之調制器 。可被採用於本發明中之自行線性化調制器的實例揭示於 參考文獻：D. A. B. M i 1 1 er等者：畺子雷子學的IEEE 期刊.Vol OE-21. N。· 9 (1985 年 9 月），Ρ· 1 4 6 2至1 4 7 6上。雖然圖1中所示之電吸收調制器 傳輸通經其中之光，但可採用其他調制器其中該調制器含 有一個反射表面用來反射光回轉通過調制器。而且，可以 採用具有自行緣性化之操作模式的其他電吸收調制器，舉 例而言例如利用Franz-Keldysh效應之大容量半導體二極 體。另外，雖然本發明在下文中將敘述爲採用自行線性化 之調制器，但是通常精於此項技藝之人士將了解可以使用 任何m吸收調制器，關於此調制器，所吸收之光能與迎經 調制器之電流成比例》 如圖1中所見，具有大體上恒定功率的供應射束P s 入射在電吸收調制器6上。該調制器6回應於通經調制器 6之電流1。^^而吸收一部份的供應射束P s。其餘的供 應射束Ps被傳輸通過調制器而形成光學輸出束ρ〇υτ 。 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） I-------f I裝------訂-----「線 (請先閏讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央樣準局貝工消費合作社印製 A7 _ __B7_ 五、發明説明（5 ) 如果調制器6以自行線性化模式操作，則輸出光束P ουτ 小於供應射速P s約相當於一個光子（就通經調制器之電 流的每一個電子而論）之數量，即： h w P out = P s · - I OUT ( 3 ) » · 因此，關於產生就每一個入射光子而論電流的一個電子之 光學二極體2的特殊情況， P OUT = P S - g P in (4) 如式（4 )所示，光學放大器2 0的光學輸出功率與 光學輸入功率乘以增益因數g成反比而減低。因此，本發 明的光學放大器2 0充作線性反相之放大器。 如上所述，本發明採用電流放大器。可被使用之電流 放大器的一種型式是放大之電流鏡。圓2至3顯示各自採 用雙極m晶體和加強模態f e τ s之單一增益m流鏡的过 例。各種爾流銳的挝例揭示於美國琢利案N 0 . s 5，134，358;5，166，553 和 4 ’ 896 ，121等中。可被採用於本發明中之另外電 流鏡揭示於1 9 9 4年7月7日向美國專利商標局所申請 2 D· A. B. Miller等同在申請程序之申請案其標題是' 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 一 8 - ------— ( I 裝— — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 「線 ^3203 A7 B7 五、發明説明（6 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 具有位準移動之乏模場效電晶體中之電流鏡'將它併入本 文以供參考。不管所採用之電晶體的型式如何，圖2 — 3 中所示之每一電流鏡具有一個輸入電晶體T in和一個輸出 電晶體T ουτ將其閘極（或圖2中所示之雙極電晶體的情 況中是基極）偶合在一起。亦將輸入和輸出電晶體Tin和 Τουτ的源極（或射極）偶合在一起而在各圖中所顯示之 例示電流鏡中，將各源極（或射極）連接至地。將輸入電 晶體Tin的吸極（_或集極）偶合至輸入和，輸出電晶體Tin 和Τουτ兩者之閘極（或基極）。於操作時，經供應至輸 入電晶體的吸極（或集極）之電流I in予以複製在輸出電 晶體τ ουτ的吸極（或集極）上。 經濟部中央橾準局貞工消费合作社印製 假定輸入電晶體和輸出電晶體相同，則圖2與3中所 顯示之電流鏡均產生單一增益。可將此等電路以任何適當 方式予以變更而提供可被採用於本發明中之放大之電流鏡 。舉例而言，一種簡單變更包括增加並聯之一個或多個附 加之輸出電晶體至圖2 - 3中所示之單一輸出電晶體上。 圖4顯示此種放大之電流鏡的贲例它採用加強模態場效電 晶體和三個輸出電晶體T 〇 υ τ ,、T 〇 υ τ 2和T 〇 u τ 3。此等三 個輸出m晶體每一者具有相同刚源極m壓而因此在一段所 指定之操作範圍內每一m晶體具有相同吸極m流。因此， 圖4之電路之總輸出電流I OUTM大致等於3倍的輸入電流 I i n，假定輸入電晶體T i „和每一個輸出電晶體τ 11， τ ’ τ QU1;3大致相同。 就大體而論，採用並聯之許多輸出電晶體之放大的電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 A7 _ B7 五、發明説明（7 ) 流鏡增益等於輸出電晶體之數目，再度假定所有的輸入和 輸出電晶體是大致相同。因此，增益並非基於任何電晶體 的特性之精確細節。圖4中所示之放大之電流鏡的此種特 徵特別有利因爲相當容易製造大體上相同之許多電晶體即 使不能立即控制其精確特性（例如場效電晶體之臨界電壓 或雙極電晶體中之電流增益）。其結果是，可以製成圖4 中所示之該型的電流鏡具有受精確控制之經預定之增益。 而且，該增益與可能影響電晶體特性之外.部參數無關，舉 例而言例如溫度》因此，可有利地採用此放大之電流鏡在 一陣列的光學放大器中其中將個別之放大單元均設計成具 有大致相同之增益。 與圖4中所示之放大之電流鏡不同之方式是僅使用單 一輸出電晶體例如圖2 - 3中所示。然而，在此情況中輸 出電晶體較輸入電晶體爲大。舉例而言，當雙極電晶體的 面積增加時（例如射極一基極和集極一基極等區域），就 指定之射極一基極電壓而言電流增加，至少歷一定操作之 範圍。典型，當增加雙極電晶體的尺寸時，其他設計參數 (例如摻雜位準及射極，越極，集極和其他適當層之厚度 )自其起始數值並未改變。相似地，關於場效m晶體，當 電晶體之寬度增加時，就指定之閘m壓而言吸極m流增加 至少歴一定操作之範圍並假定將摻雜位準，閘長度和吸極 ，閘極和源極間之各間隔均維持在恒定數值。如果此種放 大之電流鏡自圖2中所示之電路予以形成，則增益經由輸 出電晶體之面積與輸入電晶體面積的比率予以測定。如果 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4况格（210X297公釐） I I— I. ^ 批衣 II n ~~ 訂 n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A 7 B7 五、發明説明（8 ) 放大之電流鏡自圖3中所示之電路予以形成’則增益經由 輸出場效電晶體Τουτ的寬度WaUT與輸入場效電晶體 T i n的寬度W i n的比率予以測定。採用加強模態場效電晶 體之此種電路的實例顯示於圖5中因爲可將它 以便經由爲精於該項技藝之人士眾所週知之技術來石 牌印刷製造。在此情況，放大之電流鏡電路的增益是大概 w OUT/ w » 本發明的光學放大器可以自個別之組件予以製造或成 爲予以單片式稹體在半導體晶片上之單一組件》採用加強 模態F E T s之單片積體可以經由使用傳統式G a A s製 造技術予以實現例如半導體裝置的物理學，W i 1 ey ，紐約 ，第2版1981 ，p - 3 2 2 S. M. Sze所述。採用之 模FETs ，量子阱調制器和光電探測器之單片積體，舉 例而言可以經由下列文獻中所揭示之方法予以實現：L.A. D，Aararo等，量子電子學的IEEE期刊，V〇1> 2 9 -

No. 2， 1993 年 2 月號，p. 670 至 677。 —^—f · flm l^i^i 11 ^flu· ^^1 ^ 0¾ * (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

，1T 線. 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 11

Claims (1)

1. ^^S2〇3六、申請專利範圍 1 . 一種光 一具光電探 經電偶合至 光電探測器所產 經電偶合至 來自電流放大器 A8 B8 C8 D8 學放大器包括= 測器用來接收光學輸入信號： 光電探測器上之電流放大器用來接收經由 生之光電流：及 電流放大器之一具電吸收調制器用來接收 之電流。 2 .如申請專利範^第1項之放大器 器是一具光電二極體。\$， 專利範層^ 1項之放大器 其中光電探測 3 .如申請 器是一個放大之 4 .如申請 制器是自行線性 5 .如申請 制器是自行線性 其中電流放大 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 電流鏡 專利範圍項之放大器 化之調制詻％ 專利範圍第之放大器 其中電吸收調 其中 訂 化之調制器· 電流的一個電子（就入射在<其 電二極體成形 能的每一個 電吸收調 而產生光 光子而言 Γ >Λ 6. —種光學放大器包括： 一具光電探測器用來接收光學輸入信號； 回應於光m探測器，用來放大經由光m探測器所產生 之光m流之設備，及 設備用來吸收一部份的光束其數量與自放大設備所接 收之電流成比例。 7. 如申請專利範圍第6項之放大器*其中吸收設備 包括經電偶合至放大設備之一具電吸收調制器。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 線 經濟部中央梂隼局月工消费合作社印製 12 - 六、申請專利範圍 8 器是一 9 是一個 調制器 調制器

   光電流的一個電 言 A8 B8 C8 D8 圍第6項之放大器，其中光電探測 圍第6項之放大器，其中該放大器 項之放大器，其中電吸收 項之放大器，其中電吸收 使光電二極體成形而產生 上之光能的每一個光子而 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 經濟部中央標準局月工消费合作社印製 回 器因此 量與光 1 一具電 的經放 2 . —種 具光電探 應於經由 使該調制 電流的放 3 .如申 流放大器 大之複製 4 .如申 探測器是一具光 1 5 .如申 流放大器是一個 1 6 .如申 收調制器是自行 學輸入信號；及 生之光電流之電吸收調制 \ 傳輸之一部份的光束其數 例。 2項之放大器，另外包括 電探測器所產生之光電流 範圍第1 2項之放大器’典中光钳 體。 範圍第1 3項之放大器，其中該笵 電流鏡。 範圍第1 2項之放大器，其中電吸 之調制器。 訂 Γ 線 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 13 - A8 B8 C8 D8 夂、申請專利範圍 1 7 .如申請專利範圍第1 4項之放大器，其中電吸 收調制器是自行線性化之調制器並使光電二極體成形而產 生光電流的一個電子（就入射在其上之光能的每一個光子 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· ，va- 經濟部中央梯準局貞工消費合作社印製

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