專利名稱：激光二極管和其他半導(dǎo)體二極管的非線性補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及調(diào)制半導(dǎo)體二極管，特別是涉及減少半導(dǎo)體二極管光源的非線性失真。
隨著對光通信需求的增加，對有著更好性能、更低失真的光通信技術(shù)的需求也在增長。
光傳輸系統(tǒng)的核心在光源，發(fā)光二極管(LED)和激光二極管通常為這些系統(tǒng)提供光。然而，這些器件的內(nèi)在的非線性結(jié)電容導(dǎo)致了不希望有的諧波和交互調(diào)制，這就引起了失真，降低了產(chǎn)品性能。
在光傳輸系統(tǒng)中，光源的高線性度和低噪音是關(guān)鍵因素。人們試圖通過提高光源制造技術(shù)、降低預(yù)失真以及使用反饋控制來提高光源的線性度。然而，這些方法導(dǎo)致了成本的增加并且加大了制造工藝的難度。本發(fā)明者在一項(xiàng)在先發(fā)明(US 4,032,802)中，通過使用二極管的反串聯(lián)來降低二次和三次失真諧波，從而提高線性度。
本發(fā)明利用對半導(dǎo)體二極管的反并聯(lián)(其中一只二極管反向偏置)，來改進(jìn)本發(fā)明者較早的以反串聯(lián)結(jié)構(gòu)降低失真的系統(tǒng)，以降低諧波失真并且與反串聯(lián)系統(tǒng)相比降低了直流消耗，低頻噪音和發(fā)熱。
本發(fā)明提供了一個(gè)非線性補(bǔ)償電路，與A.C.信號(hào)源一起使用。在一個(gè)最優(yōu)實(shí)施例中，該電路包含第一和第二半導(dǎo)體二極管，這兩個(gè)二極管連接成反并聯(lián)形式，并且與信號(hào)源并聯(lián)。這些半導(dǎo)體二極管分別有第一和第二電壓可變電容特性。一個(gè)直流電源電路分別向該第一和第二半導(dǎo)體二極管提供第一和第二偏置電壓。通過調(diào)節(jié)這些半導(dǎo)體的相應(yīng)的偏置，電路電容也能被調(diào)整，以減少不希望有的諧波，提高電路的線性度。
在另一個(gè)最優(yōu)實(shí)施例中，第一半導(dǎo)體二極管是一個(gè)光源二極管，第二半導(dǎo)體二極管是一個(gè)補(bǔ)償二極管，電源向補(bǔ)償二極管加反向偏置，同時(shí)向光源半導(dǎo)體二極管加正向偏置。這種偏置方式只需要極少的直流功率消耗。而且，電源在電路中只產(chǎn)生極少的熱量，避免了與熱相關(guān)的失真。
在又一個(gè)最優(yōu)實(shí)施例中，第一電源向光源半導(dǎo)體二極管提供偏置，同時(shí)，第二電源向補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管提供偏置。這種安排同上一實(shí)施例中一樣，有著低直電耗的優(yōu)點(diǎn)。并且，第一和第二電源提供相互隔絕的直流偏置分路，能夠在不影響光源二極管的性能的情況下，允許對補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管進(jìn)行獨(dú)立的偏置調(diào)節(jié)。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)最優(yōu)實(shí)施例的示意圖；圖2是半導(dǎo)體二極管的等效電路圖；圖3是本發(fā)明的一個(gè)射頻(RF)/交流(A.C.)等效電路圖；圖4是本發(fā)明的一個(gè)直流等效電路圖；圖5是本發(fā)明的一個(gè)第二優(yōu)選實(shí)施例的示意圖；和圖6是本發(fā)明的一個(gè)第三實(shí)施例的示意圖。
圖1示出了本發(fā)明光電電路10的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。光源半導(dǎo)體二極管12的正極11與地38連接。光源半導(dǎo)體二極管12的負(fù)極13通過第二電容30與補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14的正極15相連。補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14的負(fù)極17通過第三電容32連接到地38。
圖2示出了施加有結(jié)電壓41的光源半導(dǎo)體二極管12和補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14的半導(dǎo)體二極管等效電路40。二極管的鍵合線導(dǎo)致了第一和第二電感42,44。結(jié)電容46取決于結(jié)耗盡層的結(jié)構(gòu)。結(jié)電阻48代表結(jié)電阻和擴(kuò)散。
再次參見圖1，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)看出這種連接是帶有A.C.信號(hào)源20的光源半導(dǎo)體二極管12與補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14反向并聯(lián)，圖3示出了光電電路10的交流等效電路50。圖3示出的反并聯(lián)連接方式形成了一個(gè)非線性補(bǔ)償電路(NCN)51。光源半導(dǎo)體二極管12可以是包括，但并不僅限于激光二極管(LD)和發(fā)光二極管(LED)的幾種之一。補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14也可以是任何幾種形式之一，只要其具有下面討論到的所需的等效電路。
回到圖1，該優(yōu)選實(shí)施例包含一個(gè)偏置電路，其包括分立的直流偏置加到光源半導(dǎo)體二極管12和補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14上，并且均與A.C.信號(hào)源20相隔絕。第一偏置源16為光源半導(dǎo)體二極管12提供直流偏置。第二電容30將第一偏置源16從總電路中隔絕在第二電容30的左邊，特別是第二偏置源18的左邊。這種隔絕在光電電路10的直等效電路中更易看出，更進(jìn)一步說，在光源二極管12的直偏置等效電路54(如圖4所示)，當(dāng)中，更易看出。從圖4當(dāng)中可以看出從補(bǔ)償二極管直偏置等效電路52可知，第二偏置源18為補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14提供了直流偏置。又回到圖1，第二偏置源18為補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14提供了一個(gè)反向偏置，該偏置可以通過調(diào)節(jié)可變電阻34來進(jìn)行調(diào)整。第一、第二和第三電感22、24、26用來將第一和第二偏置源16、18與A.C.信號(hào)源20隔絕開，因而得到等效電路圖3和圖4。
將交流等效電路50(圖3)中的光源半導(dǎo)體二極管12和補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14用半導(dǎo)二極管等效電路40代替后，分析圖50，顯示出減少諧波失真的可能性。一個(gè)二極管的電容在所加偏壓為VO和所加調(diào)制小信號(hào)電壓為V時(shí)，其表達(dá)式為C=C0(θ-V0)n(1-Vθ-V0)-n=K0+K1v+K2v2+K3v3+···----(1)]]>其中CO是一個(gè)與結(jié)電容46成正比的常數(shù)；θ表示二極管的擴(kuò)散電壓；和n是一個(gè)二極管結(jié)處摻雜分布相關(guān)的數(shù)。K0=C0(θ-V0)n----(2)]]>K1=nK0θ-V0---(3)]]>K2=n(n+1)K02(θ-V0)2----(4)]]>K3=n(n+1)(n+2)K06(θ-V0)3----(5)]]>等式(3)、(4)和(5)分別表示二次、三次和四次失真。其中，二次失真在失真中是最大的單一成分。如果一個(gè)電路能夠消除或減少這個(gè)級(jí)次的失真，并且可能的話也降低其他級(jí)次的失真，則光電電路10中的諧波失真和交調(diào)產(chǎn)物將會(huì)相應(yīng)減少。
本發(fā)明非線性補(bǔ)償電路51中(如圖3所示)，將補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14和光源半導(dǎo)體二極管12連接成反并聯(lián)關(guān)系，再與A.C.信號(hào)源20連接。偏置電路為每個(gè)二極管提供了一個(gè)直流偏置。任何由A.C.信號(hào)源20加到二極管上的遞增電壓V，將會(huì)對流過二極管的電流分別在它們各自的偏置點(diǎn)附近進(jìn)行調(diào)制。因?yàn)榇朔N反并聯(lián)，A.C.信號(hào)源20大小相等，方向相反地對光源半導(dǎo)體二極管12和補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14上的電壓施加影響。在本發(fā)明的最優(yōu)實(shí)施例中，光源半導(dǎo)體二極管12是正向偏置，而補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管是反向偏置。
在本發(fā)明的一個(gè)最優(yōu)實(shí)施例中，光源半導(dǎo)體二極管12和補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14都是具有以上所討論過的等效電路的半導(dǎo)體二極管。因此，光源半導(dǎo)體二極管12和補(bǔ)償二極管14的電容可以表述為C1=K10-K11V+K12V2-…(6)C2=K20+K21V+K22V2+…(7)其中，C1=光源半導(dǎo)體二極管12的電容C2=補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14的電容。
結(jié)合等式(6)和(7)，我們可以得到總電容為C∑=C1+C2=KΣ1-K∑2V+K∑2V2……(8)其中，KΣ0=C10(θ-V10)n+C20(θ-V20)n----(9)]]>KΣ1=nK10θ-V10-nK20θ-V20----(10)]]>KΣ2=n(n+1)K102(θ-V10)2+n(n+1)K202(θ-V20)2----(11)]]>本發(fā)明中光源半導(dǎo)體二極管12和補(bǔ)償半導(dǎo)體14的偏置電壓V10和V20可以被調(diào)節(jié)。因此，通過將K∑1調(diào)節(jié)為0，可以很容易的將二次非線性失真完全消除(見等式10)。
從等式(1)和(5)，如果我們使K10θ1-V10=K20θ2-V20----(12)]]>并且，(θ-V10)2=(θ-V20)2(13)所有的偶次波將被完全消除掉。因此，本發(fā)明能降低失真，提高性能。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，有著一些優(yōu)點(diǎn)，如降低成本，減少直流電耗，降低噪音，減少由于熱穩(wěn)定性帶來的問題。
而且，本發(fā)明與反串聯(lián)非線性補(bǔ)償結(jié)構(gòu)相比也有一些優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明消除了射頻(RF)和直流的連接，并且消除了低頻干擾。第二電容30將第二偏置源18與光源半導(dǎo)體二極管12隔絕開來，因?yàn)殡娙輰τ谥绷髟磥碚f，就象一個(gè)開路。這就減少了直流電源和射頻源的聯(lián)系。這種隔絕也幫助減少了低頻干涉。第一，第二和第三電感22,24和26阻止了低頻干擾。
本發(fā)明的反并聯(lián)非線性補(bǔ)償電路與反串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，減小了直流電耗，因此也就減少了發(fā)熱。反串聯(lián)非線性補(bǔ)償電路使用電流偏置，并且使二極管正向偏置，這就需要大量的直流電耗。本發(fā)明使用電壓偏置，并且將補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14反向偏置。反向偏置的二極管比正向偏置的二極管消耗更小的電流。更小電流和與反串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比相同或更小的電壓，導(dǎo)致了更少的直流電耗。因?yàn)楦俚闹绷麟姾模景l(fā)明中生熱就更少。因此，本發(fā)明與反串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，減少了熱穩(wěn)定性問題。
本發(fā)明中使用反并聯(lián)結(jié)構(gòu)也達(dá)到了更低的噪音水平。正向偏置的反串聯(lián)補(bǔ)償二極管的大偏置電流的變化，產(chǎn)生了反向偏置反并聯(lián)補(bǔ)償二極管的小偏置電流的變化所沒有的噪音。當(dāng)相關(guān)的變動(dòng)相似時(shí)，正向偏置反串聯(lián)的大電流放大了系統(tǒng)中的噪音。況且，在反并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，如上所述RF/D.C.耦合的減少與反串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比又降低了噪音。
本發(fā)明中的反并聯(lián)結(jié)構(gòu)與反串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，允許更高的工作頻率。對補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14的反向偏置與正向偏置相比，擴(kuò)大了它的耗盡層。在PN結(jié)二極管中，一個(gè)擴(kuò)大了的耗盡層，意味著P區(qū)和N區(qū)離得更遠(yuǎn)。這類似于將平板電容器的極板分開，與正向偏置二極管相比，這種效應(yīng)導(dǎo)致了電容的減少(根據(jù)眾所周知的公式C=(∈*A)/d)。電容的減少提高了二極管的截止頻率，因?yàn)閒C=1/(2·П·CO·RS)，其中fC是二極管的截止頻率，CO是二極管的零偏置電容，RS是二極管48的內(nèi)電阻。反向偏置半導(dǎo)體二極管14減少了電容，因而增加了其截止頻率。這就允許該電路，與在反串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，將補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14正向偏置相比，工作在更高的頻率上(達(dá)到10GHZ)。而且，在交流等效電路50中，將光源半導(dǎo)體二極管12和補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14分別用半導(dǎo)體等效電路40代替，得到一個(gè)低的等效電感(電感并聯(lián))，而反串聯(lián)將得到一個(gè)高的電感(電感串聯(lián))。反并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的這種更低的電感允許更高的工作頻率。
本發(fā)明的另一個(gè)改進(jìn)是光源半導(dǎo)體二極管12的工作狀態(tài)不隨補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14中的電流改變而改變。而在這些二極管的反串聯(lián)中，光源半導(dǎo)體二極管12的工作狀態(tài)隨著補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14中的電流的改變而改變。隔絕的直流偏置通路，能夠在不影響光源半導(dǎo)體二極管12的同時(shí)，允許對補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管中12的偏置電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，圖1所示的本發(fā)明的示意圖的幾種變形是可能的。例如，第一和第二偏置源16,18可以共同接地(如圖5所示)。補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管可以與第一第二偏置源16、18有共同的接地端(如圖6所示)。將圖1與圖6相比，一個(gè)熟練的技術(shù)人員能夠看出，圖6中已無須有第三電容32和第一電感22。
本發(fā)明也可包括其他的配置。例如，可以將光源半導(dǎo)體二極管12用其他半導(dǎo)體二極管，包括，但不限于RF和微波二極管來代替。也可以將光源半導(dǎo)體二極管12用光測器，包括，但不限于雪崩光二極管、場效應(yīng)管或者PIN二極管來代替。此外，補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管14能夠被用作信號(hào)探測器，同時(shí)光源半導(dǎo)體二極管12作為補(bǔ)償二極管，以獲得高線性度信號(hào)探測電路。圖7-9，分別與圖1,5,6類，示出了這樣的結(jié)構(gòu)。需要注意的是，由信號(hào)探測器接收到的信號(hào)帶動(dòng)了負(fù)載60，負(fù)載60在所示出的信號(hào)探測器結(jié)構(gòu)中代替了A.C.信號(hào)源20。
以上描述對本發(fā)明的最優(yōu)實(shí)施例進(jìn)行了充分完整的公開。不同的變形，替換的結(jié)構(gòu)，以及等效結(jié)構(gòu)對于有著相關(guān)技術(shù)的人員來說，是很清楚的。因此，本發(fā)明的(保護(hù))范圍僅僅由所附的權(quán)利要求中界限來限定。
權(quán)利要求
1．一種非線性補(bǔ)償電路，包括一個(gè)第一半導(dǎo)體二極管，它具有第一電壓可變電容特性，一個(gè)第二半導(dǎo)體二極管，它與第一半導(dǎo)體二極管連接成反并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該二極管具有第二電壓可變電容特性，和一個(gè)直流電源電路，該電路與第一和第二半導(dǎo)體二極管連接，分別為第一和第二半導(dǎo)體二極管提供第一和第二偏置電壓，這樣，第一和第二偏置電壓改變第一和第二電壓可變電容特性以減少在第一半導(dǎo)體二極管中的諧波失真。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，第二偏置電壓反向偏置第二半導(dǎo)體二極管。
3．如權(quán)利要求1所述的裝置，第一半導(dǎo)體二極管由一個(gè)光源半導(dǎo)體二極管構(gòu)成，該光源半導(dǎo)體二極管與A.C.信號(hào)源連接。
4．如權(quán)利要求1中的裝置，還包括一個(gè)電感和一個(gè)電容，它們均連接在A.C.信號(hào)源和直流電源電路中的直流電源之間，該電感用來阻止A.C.信號(hào)源的A.C.信號(hào)進(jìn)入直流電源電路中的直流電源中，該電容用來阻止直流電源電路中的直流電流進(jìn)入A.C.信號(hào)源中。
5．如權(quán)利要求1所述的裝置，直流電源電路包含有一個(gè)直流電源，該直流電源有第一端，第二端和一個(gè)接地端，第一端與第一半導(dǎo)體的第一端相連，第二端與第二半導(dǎo)體的第一端相連，接地端與第一半導(dǎo)體的第二端和第二半導(dǎo)體的第二端相連。
6．如權(quán)利要求1所述裝置，直流電源電路包含有第一和第二電源，第一電源與第一半導(dǎo)體二極管相連，為其提供第一偏置電壓，第二電源與第二半導(dǎo)體二極管相連，為其提供第二偏置電壓。
7．如權(quán)利要求6所述裝置，還包括有一個(gè)電容，它連接在第一和第二半導(dǎo)體二極管之間。
8．如權(quán)利要求1所述的裝置，第一半導(dǎo)體二極管由一個(gè)光測器構(gòu)成，該光測器與一個(gè)負(fù)載連接。
9．如權(quán)利要求1所述的裝置，第一半導(dǎo)體二極管由一個(gè)射頻(RF)二極管構(gòu)成。
10．如權(quán)利要求1所述的裝置中，第一半導(dǎo)體二極管由一個(gè)微波二極管構(gòu)成。
11．如權(quán)利要求1所述的裝置，還包含一個(gè)可變電阻，該電阻與直流電源電路中的直流電源以及第二半導(dǎo)體相串聯(lián)。
12．一種用在A.C.信號(hào)源上的低失真光電電路，該光電電路包括一個(gè)光源半導(dǎo)體二極管，它具有第一電壓相關(guān)的電容特性，一個(gè)補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管，它與光源半導(dǎo)體二極管以反并聯(lián)結(jié)構(gòu)相連，并與A.C．信號(hào)源并聯(lián)，該二極管具有第二電壓相關(guān)的電容特性，和一個(gè)直流電源電路，它與光源半導(dǎo)體二極管和補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管連接，分別向光源半導(dǎo)體二極管和補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管加第一和第二偏置電壓。
13．如權(quán)利要求12所述的裝置，光源二極管由一個(gè)激光二極管構(gòu)成。
14．如權(quán)利要求12所述的裝置，光源二極管由一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成。
15．如權(quán)利要求12所述的裝置，直電源電路反向偏置補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管，正向偏置光源半導(dǎo)體二極管。
16．如權(quán)利要求12所述的裝置，第一和第二電壓相關(guān)的電容特性大致相近。
17．一種用在A.C.信號(hào)源上的高線性度光電半導(dǎo)體二極管電路，該電路包括一個(gè)光源半導(dǎo)體二極管，該二極管具有第一電壓可變電容特性，一個(gè)補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管，該二極管與光源半導(dǎo)體二極管和A.C.信號(hào)源連接成反并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該二極管具有第二電壓可變電容特性，一個(gè)第一電源，它與光源半導(dǎo)體二極管連接，用來向第一光源半導(dǎo)體二極管加正向偏置電壓，一個(gè)第二電源，它與補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管連接，用來向補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管加反向偏置電壓，一個(gè)第一電容，它連接在第一和第二電源之間，用來隔絕第一和第二電源，一個(gè)第二電容，它連接在A.C.信號(hào)源和第一電源之間，用來阻止第一電源的直流電進(jìn)入A.C.信號(hào)源中，一個(gè)第三電容，它連接在A.C.信號(hào)源和第二電源之間，用來阻止第二電源的直電進(jìn)入A.C.信號(hào)源中，一個(gè)可變電阻，它與補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管以及第二電源相串聯(lián)，這樣，調(diào)節(jié)可變電阻來調(diào)整第二電壓可變電容特性，以減少光源半導(dǎo)體二極管中的諧波失真。
全文摘要
提供了一種高線性度的光源,它包含一個(gè)第一半導(dǎo)體二極管(例如,一個(gè)光源半導(dǎo)體二極管如激光二極管或者發(fā)光二極管,或者一個(gè)光接收二極管如光測器)和一個(gè)具有第二補(bǔ)償半導(dǎo)體二極管的非線性補(bǔ)償電路。第一和第二二極管以及A.C.信號(hào)源(用以發(fā)光)或者負(fù)載(用以接收光)連接成反并聯(lián)結(jié)構(gòu),并且第一和第二二極管各自有相隔離的直流偏置分路。
文檔編號(hào)H04B10/02GK1222012SQ9810052
公開日1999年7月7日 申請日期1998年2月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月12日
發(fā)明者潘精中 申請人:E-Tek動(dòng)力公司