專利名稱：雪崩光電二極管的光接收機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雪崩光電二極管裝置，更特別地指向一個用一個調(diào)制的功率信號作為偏壓的雪崩光電二極管裝置。
在通過某種發(fā)射媒質(zhì)如一條光纖發(fā)射一個光信號后，典型地用一個光探測器將該光信號變換到一個電信號。光探測器的一種類型是一個雪崩光電二極管。典型地，將光信號加到在一個電路中的一個雪崩光電二極管上，在該雪崩光電二極管的諸終端上加有一個dc偏壓。由雪崩光電二極管產(chǎn)生的和入射的光信號有關(guān)的諸信號電流通過一個放大器。為了降低噪聲可以在放大器前和/或在放大器后用一個電濾波器。雪崩光電二極管的這樣一種應(yīng)用導(dǎo)致對靈敏度特性的諸限制，這些限制和雪崩光電二極管及與雪崩光電二極管連同使用的信號放大器的諸特性有關(guān)。
加到雪崩光電二極管上的dc偏壓影響工作的諸不同的方面。例如，如果dc偏壓增加，則典型地增益和噪聲二者都增加。此外，當(dāng)dc偏壓增加時，一般地帶寬減小，這就限制了器件在需要一個大的帶寬的諸應(yīng)用中如諸高位率光發(fā)射系統(tǒng)中的有用性。
已經(jīng)用諸光前置放大器，為光信號提供在它被探測前的光增益。這能導(dǎo)致一個很高的電的信噪比和較好的靈敏度特性。然而，這些光前置放大器是非常昂貴的，要消耗很多的功率，并且可能是不可靠的。進一步，當(dāng)用一個光前置放大器時，常常需要一個光帶通濾波器，為了對光信號達到高的靈敏度可能需要這種濾波器跟蹤輸入信號。
如上所述，一個光帶通濾波器是一個移去或至少降低由光前置放大器在一個接收光信號中產(chǎn)生的光噪聲的器件。我們希望這樣一個光帶通濾波器能將伴隨所要信號的不想要的外來的諸頻率減至最少。然而，諸光帶通濾波器本身不應(yīng)是昂貴和笨重的。
所以本發(fā)明的一個目的是提供一個能克服現(xiàn)有技術(shù)的諸限制和諸缺點的雪崩光電二極管裝置。
本發(fā)明的又一個目的是提供這樣一個和一種用于提高裝置的增益，噪聲，帶寬和靈敏度諸特性的偏壓技術(shù)相關(guān)的雪崩光電二極管裝置。
本發(fā)明的又一個目的是提供這樣一個由一個迅速地進行調(diào)制的信號施加偏壓的雪崩光電二極管裝置。
本發(fā)明的又一個目的是提供這樣一個雪崩光電二極管，它致力于克服上面提出的現(xiàn)有技術(shù)的諸缺點，但是它可以用在一個常規(guī)的雪崩光電二極管放大器電路中。
本發(fā)明的另外一些其它的目的和優(yōu)點對于那些普通的熟練的技術(shù)人員來說在參照了下面的說明和它的諸附圖后將變得很清楚了。
本發(fā)明的優(yōu)先實施例包括一個由一個雪崩光電二極管組成的光電探測器電路，雪崩光電二極管有一個信號輸入端，用于接收一個要被變換到一個電信號的輸入光信號。光電探測器電路進一步包括耦合到雪崩光電二極管的偏壓電路，以便將一個偏壓加到雪崩光電二極管上，其中所說的偏壓包含一個dc分量，用于當(dāng)接收所說的輸入光信號時使所說的雪崩光電二極管保持在一個穩(wěn)定的雪崩增益條件中，和一個高頻調(diào)制分量，用于提高雪崩光電二極管的諸輸出特性。在本發(fā)明的優(yōu)先實施例中，高頻至少是1GHz，但是優(yōu)先地有10 GHz或更高的一個甚高頻的量級。
對當(dāng)探測到一個光信號時產(chǎn)生電流增益負(fù)責(zé)的雪崩倍增過程的諸特性受到在偏壓上加上高頻調(diào)制分量的影響。特別是，加到偏壓上的調(diào)制分量對于一個給定的dc偏壓，迅速地增加或減小在雪崩光電二極管中的一個信號的雪崩增益。這就對于一個給定的平均增益降低了雪崩光電二極管的信號輸出的噪聲，并且對于一個給定的平均增益增加了雪崩光電二極管的信號輸出的總帶寬。類似地，對于一個給定的帶寬或一個給定的噪聲，可以得到電路的一個增加了的平均增益。
為了對本發(fā)明和本發(fā)明的諸優(yōu)點有一個較全面的理解，我們結(jié)合所附的諸圖參照下面的諸描述，其中

圖1是一個表示一個用于將諸光信號變換到諸電信號的雪崩光電二極管電路的現(xiàn)有技術(shù)的實施例的方框圖；圖2是本發(fā)明的優(yōu)先實施例的一個方框圖；圖3是本發(fā)明的另一個實施例，它利用在一個被調(diào)制的光信號和對dc偏壓進行調(diào)制的調(diào)制信號之間的同步；
圖4是一組用于說明圖1,2和3的工作的波形；圖5包括一個表示對于本發(fā)明的一個實施例的諸相對的噪聲改善的曲線圖，其中我們將加到可用的雪崩光電二極管上的調(diào)制偏壓信號在形式上作了改變；圖6包括一個表示對于本發(fā)明的一個實施例的相對的噪聲改善的曲線圖，其中我們將加到可用的雪崩光電二極管上的調(diào)制偏壓信號在振幅上作了改變；圖7包括一個表示對于本發(fā)明的一個實施例的相對的噪聲改善的曲線圖，其中我們將加到可用的雪崩光電二極管上的調(diào)制偏壓信號在頻率上作了改變；圖8是一個用于說明對于諸不同的調(diào)制振幅在帶寬中的諸相對變化的曲線圖。
通過參照圖1到圖8的諸圖，我們能對本發(fā)明的優(yōu)先實施例和它的諸優(yōu)點有最好的了解。
圖1說明一個用于將諸光信號變換到諸電信號的雪崩光電二極管電路的現(xiàn)有技術(shù)的實施例的一個方框圖。在圖1中，一個方框10包括一個雪崩光電二極管12，一個光信號輸入14，和一條dc偏壓導(dǎo)線16 。方框10在導(dǎo)線17上提供一個到一個濾波器方框18的輸出信號。將經(jīng)過濾波的信號輸出到一個信號放大器20。放大器20向另一個濾波器22輸出經(jīng)過放大的信號，濾波器22在導(dǎo)線24上輸出一個電信號輸出。這兩個濾波器18和22可以是諸低通的，高通的，帶通的濾波器或諸匹配電路，如諸精明的設(shè)計實踐可以做到的那樣。我們應(yīng)該注意到當(dāng)諸濾波器18和22如圖1所示時，不是所有的應(yīng)用都需要它們，所以它們是可以任意選擇的。例如，可以從圖1的電路中略去濾波器18。為了較好地說明這一點，將諸濾波器18和22用虛線勾畫出來。
圖1的工作如下。將一個光信號加到包括雪崩光電二極管12的方框10上，這使一個給定的電輸出信號加到濾波器18。加到濾波器18的信號振幅依賴于通過導(dǎo)線16加到雪崩光電二極管12上的dc偏壓。dc偏壓影響輸出信號的電平，因此能將它看作是一個增益變化的器件。如以后將在圖5到圖8中證明的，當(dāng)dc偏壓增加時，增益增加，帶寬減小和噪聲增加。在大多數(shù)情形中帶寬減小和噪聲增加都是不希望有的副作用。當(dāng)諸濾波器18和22存在時，諸濾波器18和22會移去一些噪聲。為了得到較高的增益，可以在放大器20或在它后面的電路中插入更多的信號放大。為了增加對光信號輸入的靈敏度，能夠用一個光前置放大器如一個被稱為一個1610 OA(運算放大器)光放大器的Alcatel Network Systems公司的器件，來放大到雪崩光電二極管12的光信號輸入。換句話說，能夠用一個對于諸光信號的前置放大器。
圖2說明本發(fā)明的優(yōu)先實施例的一個方框圖。在優(yōu)先實施例的這個描述中，我們用術(shù)語濾波器包括諸匹配電路，其中一個匹配電路包含一個或多個與頻率有關(guān)的單元，將這些單元設(shè)計得能使諸希望的信號頻率分量在諸電路單元之間的傳遞實現(xiàn)最佳化，而同時令人信服地防止或阻止了諸不要的頻率分量的傳遞。
在圖2中，一個方框26，它可以和圖1的方框10類似，包括一個雪崩光電二極管28，一光信號輸入端30和一個dc偏壓導(dǎo)線31。此外，畫出了一個來自某種類型的調(diào)制發(fā)生器32的信號，調(diào)制發(fā)生器32通過一個調(diào)制信號濾波器34將一個信號加到在一條導(dǎo)線36上的方框26。在方框26中畫出了一個典型的雪崩光電二極管，它包括二條電導(dǎo)線?？梢詫c偏壓導(dǎo)線31和調(diào)制信號導(dǎo)線36加到同一個雪崩光電二極管的電導(dǎo)線上，或者可能對電路是合適的那樣將雪崩光電二極管的諸電導(dǎo)線分開。為了說明這種靈活性，在圖2中畫出了dc偏壓導(dǎo)線31和調(diào)制信號導(dǎo)線36作為到方框26的諸輸入，而不是作為連接到雪崩光電二極管的任何具體的電導(dǎo)線。
調(diào)制信號濾波器34可以是一個高通濾波器或帶通濾波器，適合于將調(diào)制信號傳遞到方框26。此外，調(diào)制信號濾波器34可以是一個匹配電路，將該匹配電路設(shè)計得能使調(diào)制信號到雪崩光電二極管的傳遞實現(xiàn)最佳化，而同時阻斷了要在導(dǎo)線38上輸出的諸雪崩光電二極管信號。
將由雪崩光電二極管28探測出的光信號變換到一個電信號并將該電信號從方框26輸出到一條導(dǎo)線38上。再一次，如果對于具體電路適合的話，可以將輸出導(dǎo)線38連接到雪崩光電二極管電路的無論那條電導(dǎo)線上。將來自導(dǎo)線38的輸出信號傳遞到濾波器40，然后將經(jīng)過濾波的信號加到一個信號放大器42。放大器42的輸出作為一個代表在30輸入的光信號功率的電信號輸出，它在導(dǎo)線46上輸出前，再次在一個濾波器44中對它進行濾波。
諸濾波器40和44，如果存在的話，可以是諸低通濾波器或諸帶通濾波器或諸帶阻濾波器，它們適合于從光信號中除去高頻調(diào)制信號。此外，諸濾波器40和44也可以是諸匹配電路，它們使信號的輸出功率實現(xiàn)最佳化。我們也應(yīng)注意到在圖2中，和在圖1中相同，諸濾波器都是諸任選的項目，所以用虛線表示它們。
我們可以和圖1相似的方式使用圖2，但是由于實施了諸創(chuàng)造性的改變，導(dǎo)致圖2有諸改進了的工作特性。在導(dǎo)線31上的dc偏壓使諸雪崩光電二極管28保持在一個穩(wěn)定的雪崩增益條件中。然而，和圖1相反，在圖2中將一個從調(diào)制發(fā)生器32得到的調(diào)制信號疊加到來自導(dǎo)線31的dc偏壓上。調(diào)制信號以一種可以和一個疊加在一個dc信號上的交流信號相比較的方式產(chǎn)生一個有效的附加信號。當(dāng)用圖2的放大器電路將一個光脈沖信號變換到一個電信號時，優(yōu)先地調(diào)制信號的頻率應(yīng)該大大高于要被變換的光信號的脈沖重復(fù)頻率。通常調(diào)制信號處在一個至少1GHz的高頻率上，這與脈沖重復(fù)頻率有關(guān)。對于一個2.5 GBS的光信號的脈沖重復(fù)頻率，優(yōu)先地調(diào)制頻率處在一個約10 GHz的甚高頻上。
參照圖2，在實驗室中已經(jīng)證明，對于一個給定的平均增益，如通過降低偏壓而同時增加偏壓調(diào)制信號所得到的，噪聲降低而帶寬增加。類似地，對于一個給定的噪聲或一個給定的帶寬，平均增益增加。
對于那些熟練的技術(shù)人員來說，顯然為了使諸任選的濾波器40和44能夠除去調(diào)制偏壓信號，在諸任選的濾波器40和44內(nèi)的電路可能要比圖1的現(xiàn)有技術(shù)的諸任選的濾波器18和22中需要的電路稍復(fù)雜一些，但是增益，帶寬，光信號靈敏度的增加和/或噪聲的降低是十分重要的，足夠保證和在經(jīng)濟上判斷用于諸濾波器40和44的附加電路以及用于調(diào)制發(fā)生器32和光調(diào)制信號濾波器34的電路是正確的選擇。與試驗的配置設(shè)立有關(guān)，增益中的諸顯著增加在從5到20分貝的范圍內(nèi)。如下面所討論的，圖4的諸波形92和100說明圖1和圖2之間在輸出中的諸變化，并指出對于圖2的兩個不同的調(diào)制偏壓電平。盡管噪聲的降低對于圖4的諸波形92和100當(dāng)和輸出86中的噪聲比較時從肉眼來看不是十分明顯，但是諸實驗室的測量和理論分析表明當(dāng)和現(xiàn)有技術(shù)比較時噪聲降低了和帶寬增加了。下面用在圖5,6,7和8中的諸曲線對這一點加以說明。
在圖2的工作中噪聲降低是由于這樣一個事實，即當(dāng)增益迅速地從一個小的值增加到一個大的值時，由在雪崩過程中的隨機性產(chǎn)生的噪聲落后于增益中的這種上升。所以對于一段短的時期，得到一個大的增益和一個比在諸正常的穩(wěn)態(tài)條件下發(fā)生的噪聲低的噪聲是可能的。為了利用這個效應(yīng)，需要重復(fù)地增加和降低增益。在諸界限內(nèi)，噪聲因子隨著調(diào)制偏壓的頻率的增加而下降。進一步，當(dāng)增益降低時，雪崩過程迅速地消失。因為現(xiàn)在從一個入射的光脈沖產(chǎn)生的一個電流脈沖的持續(xù)時間在很大的程度上受到增益調(diào)制周期的限制，所以導(dǎo)致帶寬中的一個相當(dāng)大的增加。
圖3說明本發(fā)明的另一個實施例，它利用在一個被調(diào)制的光信號和對于雪崩光電二極管的調(diào)制偏壓信號之間的同步。雖然圖3可以和許多類型的諸光信號一起使用，但是優(yōu)先地將圖3用于光信號正在以稱為一個光脈沖流的有諸規(guī)則間隔的多個脈沖的形式發(fā)射數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的情形。諸光脈沖流可以回到零(“RZ”)數(shù)據(jù)，不回到零(“NRZ”)數(shù)據(jù)，或孤子數(shù)據(jù)的形式發(fā)射數(shù)據(jù)。對于RZ數(shù)據(jù)，一個邏輯“1”數(shù)據(jù)脈沖在一個時鐘周期結(jié)束以前，典型地是在通過時鐘周期的半路上回到零。用不存在一個光脈沖代表一個邏輯“0”數(shù)據(jù)。對于第二種數(shù)據(jù)形式，NRZ數(shù)據(jù)，一個邏輯“1”數(shù)據(jù)脈沖在該周期中不回到零。第三種數(shù)據(jù)形式，孤子數(shù)據(jù)，包括諸特別成形的窄脈沖，其中諸脈沖的形狀通過平衡在光發(fā)射光纖中的色散和自相位調(diào)制的諸效應(yīng)，阻止畸變的發(fā)生。
參照圖3，以一種和圖2類似的方式，用在52的一個光信號輸入和在導(dǎo)線54上的一個dc偏壓表示一個方框50。方框50也包含一個雪崩光電二極管56并接收在一條導(dǎo)線58上的一個調(diào)制輸入。在導(dǎo)線58上的信號是在一個信號發(fā)生器60內(nèi)產(chǎn)生的，再次以一種和圖2類似的方式，信號發(fā)生器60通過一個任選的調(diào)制信號濾波器62傳遞它的輸出信號。和調(diào)制信號濾波器34類似，調(diào)制信號濾波器62可以是一個高通濾波器，帶通濾波器或一個匹配電路，它們適合于將調(diào)制信號傳遞到方框50。
由雪崩光電二極管56探測出的電信號通過一個濾波器64，以便移去由信號發(fā)生器60引入的諸分量。濾波器64進一步使信號到達一個信號放大器66，使信號放大器66的輸出通過另一個濾波器68。再次，濾波器64和濾波器68可以是諸低通或帶通或帶阻濾波器或諸匹配電路，它們適合于將由調(diào)制器60引入的諸調(diào)制分量濾去，并傳遞信號。將濾波器68的一個輸出加到一條通向一個時鐘和數(shù)據(jù)再生器72的導(dǎo)線70上，以及為了實現(xiàn)同步任選地使該輸出返回到信號發(fā)生器60。將方框72的輸出提供給二條導(dǎo)線，其中的一條是在導(dǎo)線74上的一個數(shù)據(jù)信號，而其中的另一條是在導(dǎo)線76上的一個時鐘信號。圖中畫出了一個任選的同步信號，它是從導(dǎo)線70和76取得的并到達信號發(fā)生器60，指出可以從無論哪個點得到一個適當(dāng)?shù)男盘?。然而，一個來自源70和76二者的信號是不需要的。回到信號發(fā)生器60的信號將必須以一種對那些熟練的技術(shù)人員已知的方式受到作用，以便提供信號發(fā)生器60和導(dǎo)線52的光脈沖信號的同步，從而將高探測器增益的諸周期和諸光數(shù)據(jù)脈沖入射到雪崩光電二極管56的諸時間協(xié)調(diào)起來。在工作中，在圖3中，光脈沖流的重復(fù)速率是或者從濾波器68或者從一個時鐘再生器72得到，并被反饋回到信號發(fā)生器60，以便稍稍在光脈沖流的功率發(fā)生上升之前產(chǎn)生偏壓的一個上升的電平。
盡管圖3表示一個電路，在該電路中用一個起源于在雪崩光電二極管56中探測出的信號的反饋信號實現(xiàn)同步，但是也可以用其它的諸方法。我們將圖3作為本發(fā)明的一個實施例的一個例子，在該實施例中使調(diào)制信號和光脈沖數(shù)據(jù)速率同步?？梢栽诒景l(fā)明的優(yōu)先實施例的工作中以任何方式實現(xiàn)同步。
圖4說明用于進一步解釋圖1,2和3的工作的一組波形。在圖4中，用標(biāo)有“GAIN(增益)”的垂直軸和標(biāo)有“BIAS VOLTAGE(偏壓)”的水平軸來表示一個曲線圖。一條畫出的曲線80代表對于諸不同的偏壓一個典型的雪崩光電二極管的光-電變換增益。一條虛線82代表一個不穩(wěn)定的偏壓條件，稱為雪崩光電二極管的反向偏壓擊穿電壓。在這個反向偏壓擊穿電壓82，通過雪崩光電二極管的電流急劇增加，并且在電壓中只要稍微增加一點就能流過相當(dāng)大的電流。此外，對光輸入作出響應(yīng)而產(chǎn)生的內(nèi)部電流甚至當(dāng)光輸入被移去后也將繼續(xù)流動。
參照圖1的現(xiàn)有技術(shù)和它與圖4的關(guān)系，圖4表示現(xiàn)有技術(shù)的雪崩光電二極管12的偏壓和相應(yīng)的輸出信號。特別是，一條第一條垂直線84代表對現(xiàn)有技術(shù)的雪崩光電二極管12的一個給定的dc偏壓，和一條寬的水平線86代表對于一個在導(dǎo)線14上的給定的功率輸入，在導(dǎo)線17上的一個電信號輸出的振幅。因為在方框10的輸出中固有的噪聲，所以線86顯得相當(dāng)?shù)膶挕?br> 參照在圖2中表示的本發(fā)明和它與圖4的關(guān)系，圖4進一步表示了包括雪崩光電二極管28的創(chuàng)造性的配置的偏壓和相應(yīng)的輸出信號。特別是，用一條偏壓線87表示雪崩光電二極管28的偏壓，一個調(diào)制信號88疊加在偏壓線87上。進一步，一條有疊加信號92的水平線90代表對于一個在導(dǎo)線30上的給定的光信號輸出在雪崩光電二極管28中的一個電信號的振幅。注意偏壓87有一個比現(xiàn)有技術(shù)的偏壓84低的dc值，但是偏壓87仍然產(chǎn)生和一個輸出信號相同的有效的增益，其中我們測得有效的電輸出信號，它和在現(xiàn)有技術(shù)的偏壓84的現(xiàn)有技術(shù)的只有dc的諸條件下，對于給定的光輸入提供的電輸出信號相同。我們應(yīng)一步注意到當(dāng)有疊加信號92的輸出線90包含一些噪聲時，已經(jīng)在諸試驗測量中發(fā)現(xiàn)在輸出信號92中的噪聲量遠(yuǎn)小于由現(xiàn)有技術(shù)的輸出86代表的輸出的噪聲量。在有疊加的調(diào)制信號88的偏壓87上，雪崩光電二極管正工作在它的特性曲線的一個雪崩區(qū)域。然而，雪崩光電二極管還沒有到達反向偏壓擊穿的點。
進一步參照在圖2中表示的本發(fā)明和它與圖4的關(guān)系，我們可以構(gòu)造另一個實施例，其中由有疊加的虛線調(diào)制信號96的虛線94表示的那樣，對雪崩光電二極管28施加偏壓。我們將注意到調(diào)制信號96的峰值在每個循環(huán)的一個短時間內(nèi)超過反向偏壓擊穿電壓82。用一條虛線98和一條虛線的調(diào)制輸出100代表由這種比較低的偏壓94和96產(chǎn)生的雪崩光電二極管的電輸出。調(diào)制輸出100甚至有比或者是諸波形86或者是92小的總的噪聲輸出。此外，對于輸入光信號振幅隨時間變化和對諸小量的光信號的靈敏度在92和100二者之間增加，超過在86中得到的靈敏度的諸情形，調(diào)制輸出100有一個較大的帶寬。
如果將諸疊加的調(diào)制信號88或96連同偏壓84一起使用，則有效增益比86的增益高是很明顯的。雖然人們可以設(shè)想通過如96的調(diào)制使偏壓增加到落入反向偏壓擊穿電壓82內(nèi)的一個值，可能會引起增益增加到無窮大，但是因為這是在調(diào)制信號的正半周的持續(xù)時間內(nèi)，所以這種情形是不會發(fā)生的，只有足夠的時間使增益上升到一個有限的值，并且當(dāng)負(fù)半周時再次下降。此外，在諸高頻處(換句話說，大于2 GHz)在噪聲建立中存在一個延遲。噪聲不得不在電流已經(jīng)增加后的一段時間內(nèi)建立起來。進一步，調(diào)制信號的諸負(fù)半周周期地使增益降低到一個低的值。從前面的討論我們相信噪聲將比在如果增加偏壓以便得到那個有效的增益的情形中的低，這是很顯然的。進一步，帶寬將比在如果增加偏壓到一個電平以便得到那個增益的情形中可以得到的寬。
圖5到圖7包含了諸組波型，它們表示對于本發(fā)明的諸不同的實施例，諸相對的噪聲改善，其中我們將加到可用的雪崩光電二極管上的調(diào)制偏壓信號在類型，振幅或頻率上作了改變。圖5到圖7的諸結(jié)果是用一個特殊的雪崩光電二極管模擬模型得到的，這樣對于任何特殊的雪崩光電二極管可能會有某些變化。然而，本發(fā)明的全部優(yōu)點應(yīng)該和任何特殊的雪崩光電二極管相一致。下面我們將分別對這些圖中的每一個和相應(yīng)的變化進行討論。
在圖5中，用垂直軸以對數(shù)的標(biāo)度代表噪聲的諸增長電平，畫出一個曲線圖。噪聲軸用了工業(yè)術(shù)語“過剩噪聲因子(EXCESS NOISEFACTOR)”(F)。水平軸也是對數(shù)的標(biāo)度，指出一個雪崩光電二極管的增益，但是具體地用“雪崩倍增因子(AVALANCHEMULTIPLICATION FACTOR)”(M)表示。一條粗線110說明對于諸不同的增益因子僅用dc偏壓(即沒有調(diào)制)時的噪聲。這條曲線在工業(yè)中是很著名的。典型地，我們對雪崩光電二極管施加偏壓，以便在一個增益3和一個增益約20之間使用雪崩光電二極管。在一個增益20以上，噪聲如此地高和帶寬如此地窄，使得大多數(shù)電路不能滿意地工作，典型地要用諸其它的方法來放大或者是光或者是電的諸信號。
參照圖5的其它二條曲線，用一條有小方框的數(shù)據(jù)點曲線112表示調(diào)制偏壓，而用一條有小圓圈的數(shù)據(jù)點曲線114表示一個調(diào)制偏壓，該調(diào)制偏壓進一步和輸入光脈沖流的調(diào)制同步(即如圖3所示)。有小方框的數(shù)據(jù)點曲線112指出雖然噪聲在開始的時候?qū)σ粋€給定的用調(diào)制的低增益可以稍高于用dc(即沒有調(diào)制)偏壓的曲線110，但是只有在標(biāo)度上一個約6的增益處對于被調(diào)制電路，噪聲電平才變得小于dc偏壓時的噪聲。從那里到指出的約36的增益處，噪聲電平幾乎一直保持著平坦。有小圓圈的數(shù)據(jù)點曲線114從小于一個增益2到它的指出一個增益大于50的最大數(shù)據(jù)點有比dc偏壓直線110低的噪聲。事實上，在指出的約55的增益處，噪聲要比在現(xiàn)有技術(shù)的用dc偏壓和沒有調(diào)制的直線110中產(chǎn)生的噪聲的1/10低。對于一個特殊的雪崩光電二極管，諸結(jié)果可能會有一些變化。
圖6說明了一個垂直軸和水平軸類似于圖5的曲線圖，再次畫出了標(biāo)準(zhǔn)的dc偏壓曲線110。如所說明的，用一條有小方框的數(shù)據(jù)點曲線118表示全調(diào)制，或100％調(diào)制，而用一條有×的數(shù)據(jù)點曲線116表示50％調(diào)制。圖6說明在諸較高的增益，對于最大調(diào)制的噪聲要比對于一個較小的調(diào)制值的噪聲低。然而，在小于9的諸增益，對于這個特殊的雪崩光電二極管，在較低的調(diào)制情形中的噪聲量要比在最大調(diào)制的情形稍稍降低一些。
圖7再次用和圖5相同的標(biāo)度并從調(diào)制頻率方面說明諸變化的噪聲電平，其中調(diào)制信號不和光信號同步，但是有一個比光信號的任何調(diào)制都高很多的頻率。一條有×的數(shù)據(jù)點曲線120代表對于一個高頻如5 GHz的頻率調(diào)制的噪聲。一條有小方框的數(shù)據(jù)點曲線122表示用甚高頻調(diào)制，如一個10 GHz的調(diào)制信號的諸噪聲情況。我們將注意到較高頻率的調(diào)制和比較低的調(diào)制頻率相比，產(chǎn)生較低的雪崩光電二極管噪聲。
圖8表示一條對數(shù)曲線，其中和上面的圖5到7相同，水平軸是雪崩倍增因子或增益，而垂直軸表示相對帶寬。一條有小方框-直線的曲線125表示沒有調(diào)制(或者換句話說，只有一個dc偏壓信號)的現(xiàn)有技術(shù)情形，顯示出當(dāng)增益增加時帶寬減小。一條有×的數(shù)據(jù)點曲線127表示一個有某些調(diào)制的情形，而一條有三角形的數(shù)據(jù)點曲線129表示一個調(diào)制大于曲線127的情形。如我們將注意到的，對于一個典型的現(xiàn)有技術(shù)的增益為20的情形，對于曲線129的調(diào)制的相對帶寬表示帶寬大于0.2，而對于曲線125的dc偏壓情形，相對帶寬為0.05。換句話說，帶寬對于用由曲線129指出的調(diào)制的情形大致是對于用現(xiàn)有技術(shù)的dc偏壓125的那個增益得到的帶寬的四倍。
本發(fā)明的諸實施例通過從整個電路產(chǎn)生提高了的諸特性對現(xiàn)有技術(shù)作出了改進。當(dāng)將一個各自的調(diào)制電壓波形加到一個雪崩光電二極管電路(一個光信號加到該電路上)的dc偏壓上時，在電路的諸光-電特性中發(fā)生一個變化。特別是，在一個實施例中，其中調(diào)制頻率是一個高頻率如至少1 GHz或在一個甚高頻，10 GHz或更高的頻率上，存在諸有益的效應(yīng)。變化的量和調(diào)制波形的振幅及頻率有關(guān)。當(dāng)調(diào)制振幅增加時，通常平均增益增加；然而，當(dāng)調(diào)制波形的頻率非常大時，增益中的增加可能減小或者甚至能夠在平均增益中有一個減小。對于雪崩光電二極管的偏壓信號的調(diào)制提高了雪崩光電二極管的諸特性，從而提高了雪崩光電二極管電路的輸出信號的諸特性。換句話說，當(dāng)和現(xiàn)有技術(shù)的沒有調(diào)制的雪崩光電二極管電路進行比較時，對于一個給定輸入信號的輸出信號至少是一個噪聲較低，振幅較高和帶寬較大的信號。
如果將一個現(xiàn)有技術(shù)的電路配置和本發(fā)明的一個電路配置在相同的平均變換增益進行比較，則我們發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的配置比現(xiàn)有技術(shù)的配置有較大的帶寬和較低的噪聲。
我們也注意到當(dāng)加到雪崩光電二極管上的對dc偏壓的調(diào)制改善了它的一個穩(wěn)定狀態(tài)或變化的光信號的諸特性時，在一個窄脈沖光信號的情形中，如一個回到零(RZ)的被調(diào)制的光信號或一個和一個偏壓信號的同步調(diào)制一起使用的孤子信號(即圖3的實施例)的情形中，增益的增加和噪聲的降低甚至更加明顯。在一個窄脈沖光信號的情形中，能夠提供調(diào)制信號和窄脈沖光信號的同步，以便在任何一個給定的周期中將信號脈沖和調(diào)制信號的諸峰值重疊在一起。為了實現(xiàn)重疊可能需要對調(diào)制信號的相位進行調(diào)整。優(yōu)先地，這樣調(diào)整調(diào)制信號的相位，使得諸窄的光脈沖和調(diào)制信號的諸峰值同時發(fā)生地或者近似或接近同時發(fā)生地到達雪崩光電二極管。因為在調(diào)制信號的諸峰值附近增益最明顯，所以窄信號脈沖將有最佳增益。在本發(fā)明的實施例中，增益中的改善是在20分貝附近，其中對于dc偏壓的調(diào)制信號是和光信號的調(diào)制同步的。
從上面所述的，我們可以了解到本發(fā)明的諸實施例極大地改善了現(xiàn)有技術(shù)的諸不同的缺點。然而，上面所述的證明了諸不同的可能的實施例，這些實施例描述了本發(fā)明的范疇，包括說明如何應(yīng)用諸概念的諸例子。作為另一個例子，當(dāng)將在優(yōu)先實施例中調(diào)制信號的波形描繪成一個正弦波時，在某些應(yīng)用中我們可以用任何其它的重復(fù)波形，如一個方波，三角波或其它什么波。因此，當(dāng)已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細(xì)描述后，可以對上面提出的諸描述實施諸不同的替換，修改或變化，而沒有偏離由下列的權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的精神和范疇。
權(quán)利要求
1．一個光電探測器電路，它包括一個雪崩光電二極管(28或56)，它有一個信號輸入端(30或52)用于接收一個要被變換到一個電信號的輸入光信號；施加偏壓的電路，它耦合到所說的雪崩光電二極管，以便將一個偏壓加到所說的雪崩光電二極管上；和其中所說的偏壓包括一個dc分量(31或54)，用于當(dāng)接收所說的輸入光信號時將所說的雪崩光電二極管保持在一個穩(wěn)定的雪崩增益條件下，和一個高頻調(diào)制分量(36或58)，用于提高雪崩光電二極管的諸輸出特性。
2．權(quán)利要求1的光電探測器電路，其中所說的輸入光信號包括一個工作在一個第一個脈沖重復(fù)頻率上的光脈沖流，和其中所說的高頻調(diào)制分量(58)工作在一個等于所說的第一個脈沖重復(fù)頻率的第二個頻率上。
3．權(quán)利要求1的光電探測器電路，其中所說的輸入光信號包括一個工作在一個第一個脈沖重復(fù)頻率上的光脈沖流，和其中所說的高頻調(diào)制分量(36)工作在一個遠(yuǎn)大于所說的第一個頻率的第二個頻率上。
4．權(quán)利要求2的光電探測器電路，其中所說的輸入光信號包括一個有諸窄脈沖的光脈沖流，和其中所說的高頻調(diào)制分量(58)有一個相位，使得諸窄脈沖和高頻調(diào)制分量的諸峰值重疊在一起。
5．權(quán)利要求1的光電探測器電路，其中所說的輸入光信號的強度調(diào)制的諸頻率分量工作在一個第一個頻率范圍上，和其中所說的高頻調(diào)制分量(36)工作在一個遠(yuǎn)大于所說的第一個頻率范圍的第二個頻率上。
6．權(quán)利要求1的光電探測器電路，其中所說的雪崩光電二極管有一個反向偏壓擊穿電壓，和其中包括所說的諸dc和高頻調(diào)制分量(36)的所說的偏壓周期性地超過所說的反向偏壓擊穿電壓。
7．權(quán)利要求1的光電探測器電路，它進一步包括連接到所說的雪崩光電二極管的一個輸出端的濾波電路(40或64)，用于在所說的雪崩光電二極管的一個信號輸出中移去諸調(diào)制頻率分量。
8．權(quán)利要求7的光電探測器電路，其中濾波電路(40或64)包括一個匹配電路。
9．權(quán)利要求1的光電探測器電路，其中所說的輸入信號有一個第一個脈沖寬度，和其中所說的高頻調(diào)制分量(58)有一個基本上等于所說的第一個脈沖寬度的第二個脈沖寬度。
10．權(quán)利要求9的光電探測器電路，其中所說的高頻調(diào)制分量(58)有一個相位，使得所說的輸入信號的第一個脈沖寬度和所說的高頻調(diào)制分量的第二個脈沖寬度重疊在一起。
11．權(quán)利要求1的光電探測器電路，其中所說的施加偏壓的電路包括一個dc偏壓電路(31或54)，用于向所說的偏壓提供dc分量；和一個調(diào)制電路(32或60)，用于向所說的偏壓提供高頻調(diào)制分量。
12．權(quán)利要求1的光電探測器電路，其中加到所說的偏壓上的所說的高頻調(diào)制分量(36或58)增加了雪崩光電二極管的一個信號輸出的增益。
13．權(quán)利要求12的光電探測器電路，其中加到所說的偏壓上的所說的高頻調(diào)制分量(36或58)增加了雪崩光電二極管的輸出信號的增益至少5分貝(decibel)。
14．權(quán)利要求1的光電探測器電路，其中加到所說的偏壓上的所說的高頻調(diào)制分量(36或58)對于雪崩光電二極管的一個輸出信號的一個給定的平均的增益降低了噪聲。
15．權(quán)利要求1的光電探測器電路，其中加到所說的偏壓上的所說的高頻調(diào)制分量(36或58)對于雪崩光電二極管的一個輸出信號的一個給定的增益增加了帶寬。
16．權(quán)利要求11的光電探測器電路，其中所說的調(diào)制電路包括一個調(diào)制源(32或60)，它有一個用于輸出一個調(diào)制信號的輸出端；和一個濾波器(34或62)，它連接到所說的調(diào)制源的所說的輸出端和所說的雪崩光電二極管。
17．權(quán)利要求11的光電探測器電路，它進一步包括用于使所說的高頻調(diào)制分量和所說的電信號同步的裝置。
18．權(quán)利要求1的光電探測器電路，它進一步包括一個信號放大器(42或66)，它被耦合進來，以便接收一個來自所說的雪崩光電二極管的信號輸出；和一個濾波器(44或68)，它被耦合進來，以便接收一個來自所說的信號放大器的信號輸出。
19．一個用于將一個輸入的光信號變換到一個輸出的電信號的光電探測器電路，它包括一個雪崩光電二極管(28或56)，它有一個信號接收端，用于接收要被變換到輸出的電信號的輸入的光信號；施加偏壓的電路，它耦合到所說的雪崩光電二極管，以便將一個偏壓加到所說的雪崩光電二極管上并且包括一個dc偏壓電路(31或54)，用于向所說的偏壓提供一個dc分量，以便當(dāng)接收所說的輸入光信號時將所說的雪崩光電二極管保持在一個穩(wěn)定的雪崩增益條件中；和一個調(diào)制電路(32或60)，用于向所說的偏壓提供一個調(diào)制分量，以便以一種提高雪崩光電二極管的輸出電信號的諸輸出特性的方式，對偏壓進行調(diào)制。
20．權(quán)利要求19的光電探測器電路，其中所說的輸入光信號包括一個工作在一個第一個脈沖重復(fù)頻率上的光脈沖流，和其中所說的調(diào)制分量(58)工作在一個等于所說的第一個脈沖重復(fù)頻率的第二個頻率上。
21．權(quán)利要求20的光電探測器電路，其中所說的輸入光信號包括一個有諸窄脈沖的光脈沖流，和其中所說的調(diào)制分量(58)有一個相位，使得諸窄脈沖和所說的調(diào)制分量的諸峰值重疊在一起。
22．權(quán)利要求19的光電探測器電路，其中所說的輸入光信號包括一個工作在一個第一個脈沖重復(fù)頻率上的光脈沖流，和其中所說的調(diào)制分量(36)工作在一個遠(yuǎn)大于所說的第一個脈沖重復(fù)頻率的第二個頻率上。
23．權(quán)利要求19的光電探測器電路，其中所說的輸入光信號的強度調(diào)制的頻率分量工作在一個第一個頻率范圍上，和其中所說的調(diào)制分量(36)工作在一個遠(yuǎn)大于所說的第一個頻率范圍的第二個頻率上。
24．權(quán)利要求19的光電探測器電路，其中所說的諸雪崩光電二極管有一個反向偏壓擊穿電壓，和其中所說的dc分量等于或小于所說的反向偏壓擊穿電壓，和所說的調(diào)制分量周期性地超過所說的反向偏壓擊穿電壓。
25．權(quán)利要求19的光電探測器電路，它進一步包括連接到所說的雪崩光電二極管的一個輸出端的濾波電路(40或64)，該濾波電路用于在所說的雪崩光電二極管的一個信號輸出中移去諸調(diào)制頻率分量。
26．權(quán)利要求19的光電探測器電路，其中對于一個給定的dc偏壓，所說偏壓的所說的調(diào)制分量(36或58)增加了一個到雪崩光電二極管的輸出信號的平均增益，對于到雪崩光電二極管的輸出信號的一個給定的平均的增益降低了噪聲，和對于雪崩光電二極管的一個輸出信號的一個給定的平均的增益增加了帶寬。
27．權(quán)利要求19的光電探測器電路，其中對于到雪崩光電二極管的輸出信號的一個給定的增益，噪聲作為加到所說的偏壓上的所說的調(diào)制分量的頻率的函數(shù)在某個工作范圍內(nèi)的增加而降低。
28．一個探測一個光信號的方法，它包括下列諸步驟用一個雪崩光電二極管電路(26或50)接收一個光信號；將一個偏壓加到雪崩光電二極管電路；和產(chǎn)生一個信號輸出；其中偏壓包括一個dc分量(31或54)，用于當(dāng)接收所說的輸入光信號時將所說的雪崩光電二極管電路保持在一個穩(wěn)定的雪崩增益條件中；和其中偏壓進一步包括一個高頻調(diào)制分量(36或58)，用于提高雪崩光電二極管的信號輸出的諸輸出特性。
29．權(quán)利要求28的光電探測器電路，其中所說的輸入光信號的強度調(diào)制的諸頻率分量工作在一個第一個頻率范圍上，和其中所說的高頻調(diào)制分量(36)工作在一個遠(yuǎn)大于所說的第一個頻率范圍的第二個頻率上。
30．權(quán)利要求29的方法，其中所說的偏壓的高頻調(diào)制分量(36或58)對于一個給定的增益降低了輸出信號的噪聲和增加了輸出信號的帶寬。
全文摘要
一個光電探測器電路包括一個雪崩光電二極管,雪崩光電二極管有一個信號輸入端用于接收一個要被變換到一個電信號的輸入光信號。光探測器電路進一步包括耦合到雪崩光電二極管的偏壓電路,用于將一個偏壓加到雪崩光電二極管上。偏壓電路包含:(1)一個dc偏壓電路,用于對偏壓提供一個dc分量,以便當(dāng)接收輸入光信號時使雪崩光電二極管保持在一個穩(wěn)定的雪崩增益條件中;和(2)一個調(diào)制電路,用于向偏壓提供一個高頻調(diào)制分量,以便以一種提高雪崩光電二極管的諸工作特性的方式,對偏壓進行調(diào)制。特別是,對偏壓進行調(diào)制的分量對于一個給定的平均增益降低了雪崩光電二極管的信號輸出的噪聲,并且對于一個給定的平均增益增加了雪崩光電二極管的信號輸出的帶寬。
文檔編號H01L31/02GK1225194SQ97196273
公開日1999年8月4日 申請日期1997年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月7日
發(fā)明者阿里斯特·約翰·普里斯 申請人:阿爾卡塔爾公司