具有在溫度變化時穩定雪崩光電二極體增益的擴展範圍的現場功率監控器的製作方法

2023-06-20 14:04:36 2

專利名稱：具有在溫度變化時穩定雪崩光電二極體增益的擴展範圍的現場功率監控器的製作方法
具有在溫度變化時穩定雪崩光電二極體增益的擴展範圍的現場功率監控器發明領域[OOOl]本發明通常涉及在線(in-line)功率監控器，更特別地，涉及 用於監控諸如雪崩光電二極體("APD")的光信號檢測器的輸入功率 的在線功率監控器。通過對輸入功率進行在線監控，能夠實時地確定 和控制光信號檢測器的工作參數。例如，當APD的溫度變化時，能 夠控制作為其工作參數的增益。
背景技術：
光接收器通過檢測在光通信網絡中的光纖電纜上發送的光信 號，而使數據的傳輸更便利。在這樣的網絡中，光發送器在高頻調製 光信號，以便使用一個或者多個光波長將它們在光纖上發送。為了接 收發送信號，光接收器一般使用雪崩光電二極體("APD")來檢測光 信號。眾所周知，APD是具有在內部生成的倍增層的光電二極體， 初始光電流的倍增發生在倍增層。然而，APD運行時對噪聲和溫度 變化敏感。這樣，測量光電流和調節偏壓兩者對於確保正常的APD 運行來說都是必需的。但是用於光電流測量和偏壓調節的傳統結構和 技術存在多個缺點。
圖1是用於長距離通信的傳統配置網絡100。通常，光網絡包 括多個發送器和接收器。為了進行說明，圖1中示出表示一個或者多 個發送器的多路復用器("MUX") 106。多路復用器將在光纖108上 傳輸的"n"個不同波長的光信號104合併成調製光信號。表示一個 或者多個接收器的解復用器("DEMUX") 110將之前合併的信號分 離成光信號112。為了監控光網絡的運行和質量，外部功率監控器120 用來測量光信號112的任意給定波長的輸入光功率。外部功率監控器120 —般放在容納光接收器器件的機體的外部。這種監控功率的方法 的缺點是很明顯的。構造包括外部功率監控器120的這種配置100需 要另外的外部裝置和資源(例如，勞動力、時間、等等)。雖然配置 100能夠用於準確地測量功率，但是它通常只能使用一次，諸如在光 接收器的製造期間。.這樣，在APD的正常運行期間，尤其當它用於 通信網絡中時，在線APD增益調節通常是不可行的。配置100的另 一缺點是外部功率監控器120引入了導致光路徑中信號損失的另外 的部件，從而惡化了光功率監控。
圖2A描繪了在內部監控輸入光功率的光信號功率監控的方法。 在該方法中，在跨阻抗放大器("TIA")的輸出端執行從測量光電流 導出輸入光功率。如圖所示，結構200包括檢測光信號206的APD 202、以及根據電壓208測量光電流的跨阻抗放大器204。但是這種 監控輸入光功率的方法有多個缺點。 一個缺點是在不幹擾主輸出信號 208的高頻特性的情況下，技術上難以進行精確的信號分割。特別地， 包括電阻器R和電容器C的元件231和233用來從主輸出信號208 中分離出部分來形成信號部分209。在該方法中，信號部分209用來 測量光功率。但是由於主輸出信號208通常處於高頻以及高數據傳輸 速率，諸如10Gbps或者更高，因此難以有效地分割用於準確監控功 率的信號。圖2B示出結構200在監控功率時的另一缺點是，它具有 相對高的非線性度，這顯著地縮小了監控光功率的總範圍。
圖2B是描繪光電流和跨阻抗放大器204 (圖2A)之間的關係 的曲線圖250。範圍254是非線性範圍；光電流的微小的線性變化導 致跨阻抗放大器輸出的急劇變化。它在跨阻抗放大器204 (圖2A) 通常處於高度飽和的這個範圍之內。非線性範圍254縮小了高輸入光 功率值的監控功率的有效範圍(例如，-18(18111至-3(18111)。例如，由 於我們希望設置報警極限(例如，-3dBm)以保護APD不出現過電 流事件，所以範圍254致使跨阻抗放大器204 (圖2A)不可用於檢 測不安全運行狀況。
圖3描繪另一功率監控方法，其中在內部監控功率，更具體地 說，在電流到達跨阻抗放大器之前監控功率。為了APD 320容易在內部監控光功率，配置300包括偏壓設置電路301 、輸入級放大器302、 電流鏡像304、和對數放大器("log amp") 310。偏壓設置電路301 在輸入級放大器302的輸入311生成偏壓，輸入級放大器302生成輸 出313以偏置結點303的輸入APD電壓。不同於圖2A和2B中描述 的方法，跨阻抗放大器("TIA") 312僅僅用於放大表示將要傳送的 數據的電信號；它不用於進行功率監控。但是注意，電流鏡像304包 括在通向用於功率監控的對數放大器("logamp")310的電流測量中。 在另一些用於配置300的結構中，電流鏡像304包括高壓電晶體("HV Trans") 306。
由上文看來，人們希望提供一種將上述缺點減到最少的設備和 方法，從而便於使用擴展範圍調節增益以及控制不安全狀況的功率監 控等，尤其當在不同溫度運行時。發明內容
本發明公開了一種具有溫度補償器的在線監控設備、 一種用於 在溫度變化時在輸入功率值的擴展範圍上穩定雪崩光電二極體 ("APD")的增益的光接收器和方法。具有溫度補償器的在線監控設 備包括一個或者多個與APD並聯到輸入端的功率監控級，用於現場 生成一個或者多個測量信號。在一個實施例中，範圍選取器從一個或 者多個功率監控級中選取將要提供指示輸入光功率的測量信號的功 率監控級。設備還包括用於根據溫度和測量信號調節APD的工作參 數的溫度補償器。溫度補償器調節偏壓，以便在溫度變化時使增益保 持基本均勻。與溫度補償器不響應於溫度而調節偏壓時相比，隨溫度變化保持基本均勻的增益能夠使得在較低電平時提高輸入功率的監 控靈敏度。
在具體實施例中，溫度補償器包括用於生成表示溫度的溫度值 的溫度傳感器，以及用於基於溫度值和與輸入功率相對應的電流(基 於APD偏壓)而確定調節量的溫度補償控制器。溫度補償控制器還 能夠使用調節量來修正偏壓以便將APD的增益設置為預定增益值。 溫度補償器還可以包括數據儲存庫，用於提供溫度值和與電流的預定增益值有關的電壓值之間的關係。在一個實施例中，溫度補償控制器 還用於通過在至少兩個目標電壓值之間進行外推來確立所述關係，每 個目標電壓值都與不同溫度時的目標增益相對應。在另一實施例中， 溫度補償控制器還用於外推通過與特定溫度相對應的單個目標電壓 值的溫度係數曲線，來確立所述關係。此外，能夠移動溫度係數曲線，以提供防止APD運行在擊穿區的容差。


結合附圖連同以下詳細描述可以更充分地理解本發明，其中 [OOll]圖1是用於在光網絡中監控光信號的功率時測量光電流以及調 節偏壓的傳統配置100。
圖2A和2B分別描繪一種內部監控輸入光功率的功率監控的傳 統方法的結構和曲線。
圖3描寫內部監控功率的另一傳統功率監控方法。
圖4是根據本發明的至少一個具體實施例在線監控輸入光功率的設備的方框圖。
圖5A是根據本發明的至少一個具體實施例，至少包括兩個用於監控輸入光功率的功率監控級的設備的方框圖。
圖5B是根據本發明的至少一個具體實施例，描寫圖5A的功率監控級的示例的方框圖。[OOH]圖6根據本發明的實施例，說明用於監控輸入光功率的圖5A 的每個功率監控級的貢獻。
圖7是根據本發明的實施例，示出偏置和APD增益之間的關 系的曲線。
圖8是根據本發明的至少一個實施例，說明用於響應在線功率 監控測量而控制APD的運行的在線反饋控制器的示例的方框圖。
圖9是依照本發明的一個實施例的溫度補償器的示圖。
圖10是根據本發明的一個實施例，描寫使溫度變化時的增益 相對於目標增益穩定的溫度補償器所具有的準確度的曲線。 [Q022]圖11表示根據本發明的一個實施例，確立溫度和目標偏壓之間的關係的一種方法。
圖12說明依照本發明的實施例用於實施形成APD溫度係數曲 線的方法的示例性流程。
圖13表示根據本發明的一個實施例，確立溫度和目標偏壓之 間的關係的另一方法。
圖14是根據本發明的實施例，用於溫度變化時解復用光通信 信號的光接收器的示例。
相同的附圖標記表示貫穿附圖的多個視圖的相對應部分。注 意，大部分附圖標記最左邊一兩位通常標識首先引入該標記的附圖。
具體實施方式
圖4是根據本發明的至少一個具體實施例在線監控輸入光功率 的設備的方框圖。設備400包括用於監控光信號420的在線功率監控 器402。從偏置源("偏置電源")406流出的感應電流408提供可調 節的偏壓。在一個實施例中，光信號檢測器是APD418。有時，例如， 電阻416和/或電容器414過濾電流408，以減少噪聲效應。為了檢測 以及監控電流408，設備400還包括能夠代替416的無源元件403。
注意，經過APD的電流408可以用公式(l)表示I(APD—current)=Ip X APD(responsitivity) X APD(gain)， 公式(1)其中Ip表示流入APD 418的光通量，APD(responsitivity)表示APD 418 的響應度，APD(gain)表示APD的增益(或者倍增)。注意，IpX APD(responsitivity)的乘積可以稱為APD光電流，或者光電流。應該 理解，術語電流可以指APD電流或者光電流光子，或者兩者，因為 兩個電流都可以表現為輸入光功率。在一些實施例中，因為兩者之間 存在相依性，所以測量APD電流和測量光電流同義，如公式(l)所示。 通過測量電流408，設備400能夠監控APD 418的輸入光功率。
顯然，在線功率監控器("ffl-Z在線功率監控器")402是與APD 418並聯的監控輸入光功率的並聯功率監視器。在線功率監控器("HI-Z在線功率監控器")402具有將洩漏電流限制為相對小值的高 阻抗輸入401a和401b，特別是在APD 418的偏壓能夠達到76伏或 者更高的應用中。用於監控功率的電流本質上與流過APD 418的電 流相同。在線功率監控器402通過檢測和測量電流408來監控輸入光 功率，而不是例如重新生成將要饋入對數放大器的電流，其在一些傳 統的內部功率監控器中是常見的。另外，例如，在線功率監控器402 提供一個擴展範圍，在此擴展範圍內能夠測量光信號的輸入光功率 420。這樣，擴展範圍包括在線功率監控器402能夠在其上線性地監 控電流408的電流值的增加範圍。優選地，這使在線功率監控器402 能夠參與增益穩定化和APD安全保護(例如，確定輸入光功率是否 突破了報警極限)兩者。在一個實施例中，擴展範圍具有至少從 -45<18111至-3(18111的擴展輸入功率範圍。在一些實施例中，在線功率 監控器402能夠由任意多個功率監控級組成，其中只有一個必需用於 測量相對小的電流值(因此輸入光功率電平相對低)。其它每個功率 監控級可以用於提供線性監控功率的擴展範圍，或者用於一些其它的 目的。優選地，任意多個功率監控級的使用可以允許電流測量的範圍 更寬，同時使與低功率光輸入信號一致的可測量低電流降低，這與一 些傳統內部功率監控器技術的使用不同。
在線反饋控制器404用於從在線功率監控器402接收測量信 號，以及執行調節功能以便保持作為光信號檢測器的最優APD運行。 例如，在線反饋控制器404能夠調節偏壓電源406的偏壓("Vbias")。 優選地，這樣就能為穩定目的而進行實時增益控制，特別是在運行溫 度時。即，在線反饋控制器404能夠在例如-20至+50攝氏度的光功 率測量期間最小化光測量的溫度效應，以便提供相對好的溫度穩定性 (例如，大約0.2dB的峰值-峰值變化)。作為另一示例，在線反饋控 制器404可包括用於生成警報信號的安全控制器，所述警報信號要麼 指示光信號420洩露，要麼指示它的功率突破了正常運行極限，可能 會對APD 418造成不可挽回的損害。洩露光信號會危害人類。洩露 光信號能夠由很小的或者不存在的光信號檢測到。光纖中的開口會洩 露光信號。還有，超過某一閾值的輸入光功率信號會破壞APD418。因而，我們希望在一些實施例中實施在線功率監控，以便在它們能夠破壞APD 418之前檢測並且防止輸入光功率信號電平。
在一些實施例中，在線功率監控器402能夠向功率監控器輸出 413提供測量信號422，其中測量信號422通常表示光信號的輸入光 功率420。優選地，功率監控器輸出413實時地，諸如當APD418主 動參與網絡內的光通信時，訪問在線(或者現場)功率測量。當光接 收器和它的機體包括設備400和APD 418兩者時，不需要監控功率 的外部功率監控器或者其它裝置，諸如信道分割器。另外，功率監控 器輸出413並不力圖與阻抗嚴格地匹配。在一些實施例中，術語"在 線(in-line)"和"現場(in-situ)"同義，可用於描述在起始位置並 且沒有移動來實行輸入光功率測量的功率監控器。
圖5A是根據本發明的至少一個具體實施例，至少包括兩個用 於監控輸入光功率的功率監控級的設備500的方框圖。如圖所示，在線功率監控器502包括兩個功率監控器級---級2 ("M2") 514a和級l ("Ml") 514b，其兩者都包括用於感應流過無源元件516a和 516b的APD電流408的電流感應放大器。在至少一個實施例中，無 源元件516a和516b是具有相同或者不同電阻的電阻器。為了根據本 發明的各個實施例確立擴展範圍，功率監控級514a和514b分別用於 感應輸入光功率值的第一範圍和第二範圍。優選地，實現兩個或者更 多的功率監控級514能確立一個擴展輸入功率範圍以使光電流的線 性變化能夠在此範圍內導致偏壓測量的線性變化，同時提供對低功率 光輸入信號的檢測和監控，這與各傳統的內部APD功率監控技術不 同。例如，功率監控級514a能夠用於檢測和監控低功率光輸入信號， 而功率監控級514b能夠用於提供線性運行範圍。如後面所解釋的， 反饋控制器("FC")504用於選取功率監控級514a和514b中的一個， 來(全部或者部分地)根據偏壓提供電流測量。設備500可選地包括 模數轉換器("ADC") 590。
圖5B是根據本發明的至少一個具體實施例，描寫圖5A的功率 監控級的示例的方框圖。功率監控級550用於檢測和監控經過可能是 電阻器的無源元件516的電流，諸如APD電流(例如，如公式(l)所示)。這一點由功率監控級550通過感應無源元件516兩端的電壓來 完成。如圖所示，功率監控級550包括高阻抗放大器("Hi-ZAmp") 552，其以低電流和輸入光功率電平提供對噪聲的免疫力。在它的輸 入端，高阻抗放大器("Hi-ZAmp") 552包括輸入電阻器("RG1") 560和("RG2") 562。本領域普通技術人員理解如何確定用於設置功 率監控級550的運行範圍的輸入電阻560和562的值。在一些實施例 中，功率監控級550用於接收高至76伏的電壓。功率監控級550可 選地包括並行的電晶體("Q1") 564和並行的電流鏡像566，其兩者 都與促成生成數據信號的光電流並聯，這與實施電流鏡像與用於生成 數據信號的電流串聯的一些傳統的功率監控技術不同。另外，功率監 控級550還可以包括電流-電壓放大器("I-to-V amp") 568和電壓放 大器570，以便最後生成表示數據的電信號。優選地，到高阻抗放大 器552的輸入具有高阻抗，因此，消耗的電流量相對小。這在偏置 APD所要求的高電壓的情況下尤其如此。因此，為了生成數據信號， 流過監控電路(例如，無源元件516)的所有(或者幾乎所有)負載 電流將流向APD。這與一些僅僅使用部分APD電流來監控功率的傳 統在線功率監控電路不同，傳統在線功率監控電路可能因此喪失精確 測量電流的更好的粒度。
在一個具體實施例中，在線功率監控器502僅僅包括一個功率 監控級，諸如功率監控級514a。在這種情況下，功率監控級514a用 作低噪聲、高阻抗的放大器，足以將可測量電流量減少到測量下限。 功率監控級514a能夠提供例如，從25dB至30dB的範圍(例如，從 -30dBm至0dBm)。作為示例，可以看出，390 ohms的電阻器值能夠 減少諸如由放大器生成的噪聲的噪聲效應，以提供大約0.1微安或者 更低的測量下限(即，最小可測量電流)。因此，功率監控級514a能 夠檢測到生成低至下限0.1微安或者更低的APD電流水平的低功率 光信號，而不受噪聲的不利影響。實現每個功率監控級514a和514b 的適當器件是由加州森尼韋爾的美信集成產品公司製造的電壓增益 等於60的MAX4080S電流感應放大器。
在另一實施例中，在線功率監控器502包括兩個或者更多的功率監控級，諸如功率監控級514a和514b，其中無源元件516a和516b 具有不同電阻值。在這種情況下，至少一個功率監控級用於檢測和監 控低功率光信號。注意，在各個實施例中，所選取的用來提供低的可 測量電流的功率監控級還能夠用於提供線性運行範圍，但這不是必需 的。另一個或更多的功率監控級能夠用於提供測量光功率的更寬的線 性範圍。
例如，假設功率監控級514a用於在相對低的可測量電流的極限 內檢測和監控APD電流(以及光電流)。因而，無源元件516a的 390ohms的電阻器值適合於在下限測量光功率，而與功率監控級514a 是否提供電流測量值的線性範圍無關。還有，假設390ohms由功率 監控級514a設置測量電流的下限為大約0.1微安或者更少。其次， 假設功率監控級514b用於提供一個或多個線性運行範圍。在這種情 況下，選取無源元件516b使相對小的電阻值能獲取較高的電流測量 上限。例如，假設無源元件516b具有50ohms的電阻值，其設置在 該實施例中的電流測量的示例性上限為大約2000微安或更多。因此 如果無源元件516a和516b分別具有390和50ohms的電阻值，則功 率監控級514a和514b的合併運行能夠提供-46dBm至-3dBm的輸入 光功率的可測量總範圍。該範圍與大約0.1至大約2000微安的APD 電流值(即，公式(l)中的I (APD—currenf))相對應。
圖6根據本發明的實施例，說明用於監控輸入光功率的圖5A 中的每個放大器的貢獻。曲線圖600描寫由每個功率監控器測量的輸 入光功率與由在線功率監控器502生成的一個或多個輸出信號之間 的關係。例如，第一功率監控級能夠用於提供在其中測量第一組輸入 光功率值的範圍("R2") 620 (例如，大約-45dBm至大約-22dBm)。 在一些實施例中，範圍620可以是線性的或者大體上線性的。第二功 率監控級能夠用於提供在其中測量第二組輸入光功率值的線性(或者 大體上線性)範圍("R1") 610 (例如，大約-22dBm至大約-ldBm)。 因此合併範圍610和620組成擴展範圍的示例，其中大約有10dB的 重疊由範圍610和620共用。另外對於該示例，擴展範圍650能夠分 解為包括第一線性範圍部分和第二線性範圍部分的兩個或者更多的線性範圍部分。或者，擴展範圍650能夠分解為一個用於測量低功率 輸入光功率的非線性範圍部分和一個或多個確立相對寬的監控功率 的電流測量值的範圍的線性範圍部分。
在線功率監控器能夠使用第一範圍部分測量APD電流，在有 些情況下，第一範圍部分包括一組用來校準或者穩定增益的值。例如， 第一範圍部分能夠位於範圍620和/或部分範圍610 (或更多)上。在 線功率監控器還可以使用第二範圍部分測量APD電流，第二範圍部 分包括另一組用來檢測超出安全報警器水平630的值。在該示例中， 第二範圍部分位於範圍610內，包括是-3dBm的安全報警器水平630。
在各個實施例中，反饋控制器502 (圖5A)還包括用於存儲轉 折點660的存儲器和/或數據結構。設備500 (圖5A)在範圍("R1") 610和("R2") 620內的輸入光功率電平之間的轉折點660切換，以 確保指示使用各個曲線("Ml") 680禾B ("M2") 670的適當的功率 監控。回頭參考圖5A，注意，反饋控制器502可包括用於選取範圍 610或者範圍620的範圍選取器580。範圍選取器580包括用於存儲 表示轉折點660的數據作為轉折點數據("S.O.P.") 581的存儲器。 存儲器也能夠存儲第一功率監控級的測量信號電壓與監控輸入光功 率電平之間的第一關係作為相應的曲線("C1" )583，其能夠相當於 圖6中的曲線("Ml" )680。它還能夠存儲第一功率監控級的第二關 系作為("C2") 584。在啟動設備500時和/或在將光施加到APD581 上的應用(例如，-45dBm或者更少的輸入光功率)之前，範圍選取 器580能夠使用曲線("M2") 670首先在範圍620內開始運行。然後， 範圍選取器580繼續使用曲線670直到來自功率監控級514a的測量 信號移過轉折點660時為止。然後，範圍選取器使用功率監控級514b 監控功率使用曲線("Ml") 680。因此，如果範圍選取器580在已知 狀態開始(即，當知道應用於APD的光的水平時使用某一功率監控 級)，則當它越過轉折點660時，它能夠適當地運行。優選地，反饋 控制器502和它的存儲器能夠存儲輸入光功率電平和測量信號540 (圖5A)之間的非線性關係，其顯示為圖6中的"監控信號"。例如， 假設範圍620包括介於-45與大約-32dBm之間的相對非線性區以及從-32至大約-22犯111的相對線性區，其與轉折點660 —致。再次，範圍 602能夠是本質上完全線性的或者本質上完全非線性的，或者其組合。 另外，對於每種APD和/或APD廠商來說，反饋控制器502能夠存 儲被描寫成曲線("Ml") 680和("M2") 670的唯一關係。
回頭參考圖5A，設備500使用在線功率監控器502以利於APD 518的增益校正。這裡，在線反饋控制器("FC") 504包括用於存儲 偏壓偏移量或者增益調節值522的局部數據存儲器。偏壓偏移量用於 偏移由偏置源("APD電源")506生成的偏壓("Vbias")。在運行中， 外部校準器可用於從放大器514a或者514b中接收測量信號540。然 後，外部校準器520能夠在生成增益調節值522之前確定與輸入光功 率相對應的電流的測量值。這包括選取將提供測量信號的特定功率監 控級。外部校準器520與在線反饋控制器504協作，將增益調節值 522存儲到數據存儲器中。因此，當設備500從外部校準器520中移 除並且放到網絡中時，在線反饋控制器504能夠從由偏置源506生成 的偏壓中加上或者減去該值，從而現場設置增益為預定值。預定值通 常是為APD 518的最優運行提供的目標增益值。在一些實施例中， 增益調節值522存儲在外部校準器520中或者存儲在其它地方(未示 出)。在一些實施例中， 一個或多個測量信號是具有指示APD518光 功率的值的電壓。
圖7是根據本發明的實施例，示出能夠用於校準APD增益的 偏置和APD增益之間的關係的曲線。如圖所示，當偏置電壓設置為 最小偏壓"Vapd (min)"時，APD的增益是單一的。但是當偏置電 壓設置在最優偏壓704 "Vapd (op)"時，增益在目標增益值("增益 (op)") 702運行。在運行期間，當APD正在接收光信號時，如果 增益是點B，則在一些實施例中，在線反饋控制器504能夠用於將增 益調節回點A。這樣，在線反饋控制器504能夠包括執行現場APD 增益校正的外部校準器520的功能。注意，電阻516能夠代替電阻 414。優選地，這使得每個電阻516起到雙重角色一過濾和電流感應 的作用，因此將電阻分別用於過濾以及電流感應。這有助於最小化根 據本發明的各個實施例實施光接收器所必需的電器部件。
圖8是根據本發明的至少一個實施例，說明用於響應在線功率 監控器測量而控制APD的運行的在線反饋控制器的示例的方框圖。 在線反饋控制器800包括板上(on-board)的校準器802、範圍選取器 804、溫度補償器806和安全控制器808。例如，校準器802用於通 過調節該APD的偏壓來校準APD的增益。範圍選取器804用於確定 以及選取用於監控輸入光功率的擴展範圍中的範圍。例如，假設第一 範圍和第二範圍包括從大約-45dBm至大約-22dBm以及從大約 -22dBm至大約-ldbm的各個輸入光功率值。其次，假設範圍選取器 804確定在線功率監控器正在測量與大約-25dBm的輸入光功率相關 聯的光電流。然後，範圍選取器804將選取測量光電流的第一範圍， 以及例如，為了正確校準APD增益，將向校準器802提供測量光電 流值。
對於APD上以及它周圍的溫度效應，溫度補償器806用於補 償諸如增益的工作參數。在一些實施例中，溫度補償器806指示校準 器802調節偏壓以補償溫度，然而在其它實施例中，溫度補償器806 包括校準邏輯，以直接與APD電源交互來調節偏壓。在線反饋控制 器800還可以包括用於確保APD運行的光接收器的安全運行的安全 控制器808。例如，如果輸入光功率信號降低到某一閾值以下長達一 些時段，則光纖電纜可以開路，從而向人類洩露有害的光。因此安全 控制器808能夠開始關閉與開路相關聯的光發送器。但是安全控制器 808還可以用於保護APD遠離危險狀況，諸如可能破壞APD的過電 流事件。在這種情況下，設置報警極限，諸如-3dBm，以便當輸入光 功率信號突破警報極限時關閉APD電源。在本發明的各個實施例中， 在線反饋控制器800能夠實現圖8中示出的元件的任意組合，因此可 以添加、刪除或者代替那些元件的任何一個。
圖9是根據本發明的一個實施例的溫度補償器的示圖。溫度補 償器900包括溫度補償控制器902、模數("A/D")轉換器904、數 據儲存庫卯6和溫度傳感器908。通常，例如，通過調整APD偏壓 以隨溫度保持大體上均勻的增益作為目標增益，溫度補償控制器902 使基於APD的光信號檢測器的增益穩定。優選地，隨溫度大體穩定的增益能提高輸入光功率的監控靈敏度，特別在低電平時。在沒有溫度補償控制器卯2的情況下，如果為了溫度波動而進行增益補償，則 光接收器的靈敏度將降低。
溫度補償控制器902用於調節諸如APD偏壓的工作參數，調 整量根據表示例如光電流的溫度和測量信號來確定。在運行中，溫度 補償控制器902接收光電流測量結果和溫度值。在一些實施例中，模 數轉換器904使表示測量光電流的模擬電壓值數位化，特別是在在線 功率監控器由多個電流-電壓放大器組成的情況下。在至少一個實施 例中，已知類型熱敏電阻器的實現溫度傳感器908，由此熱敏電阻器 生成表示測量溫度的信號。接下來，溫度補償控制器902測量偏壓(即，預調的偏壓)。在一些實施例中，溫度補償控制器902直接在 APD電源測量偏壓。在其它實施例中，溫度補償控制器902能夠根 據模數轉換器904提供的光電流測量結果計算測量偏壓。為了隨溫度 保持增益一致，溫度補償控制器902確定目標偏壓，以將APD增益 穩定在所測量溫度的目標增益。數據儲存庫906通常包括各個目標偏 壓(對於特定目標增益)和各個溫度值之間的關係。這些關係能夠是"査找表"的形式。在至少一個實施例中，APD偏壓和溫度之間的 最優關係能夠通過最優化特定溫度範圍內的APD靈敏度水平或者光 信道比特誤差率("BER")來確定。然後，溫度補償控制器902計算 測量偏壓和目標偏壓之差以形成調節量，調節量用來修正偏壓，以使 它與目標偏壓對準。注意，溫度補償控制器902能夠直接調節偏壓， 或者它能夠指示校準器802如此做。無論如何，溫度補償控制器902 保持APD偏壓的適當調節，以傳遞特定溫度的目標APD增益。
圖10是根據本發明的一個實施例，描寫相對於目標增益穩定 溫度變化時的增益的溫度補償器所具有的準確度的曲線。具體而言， 溫度補償器能夠應用目標偏壓和溫度之間的關係，以確保目標增益 1002周圍的準確度大約為士O.ldB，在該示例中大約為7.8。該準確 度能夠在運行溫度的多個範圍中提高最優器件靈敏度。因而，由於偏 壓、溫度和目標增益值之間的關係可以比較準確地進行確定(這不同 於傳統上形成的關係)，所以，本發明的各個實施例的溫度補償器能夠相對容易地穩定APD的運行。具體而言，偏壓和溫度之間的傳統 表達方式可以根據APD的擊穿電壓，而不是根據目標偏壓表示為固 定溫度係數曲線。這是因為，相比確定溫度對最優增益水平的影響， 更加強調APD保護(例如，避免擊穿電壓)。溫度係數曲線是基於溫 度係數的偏壓和溫度之間的關係，其表示每單位溫度對應的電壓變化 幅度(例如，AV相對於AT)。另外，傳統的溫度係數和它們的曲線 通常描述不同溫度時各個最小靈敏度測量結果的APD偏壓，而不是 根據最優增益值。另外，用這樣的方式生成傳統的溫度係數需要過多 的時間和昂貴的裝置來實施比特差錯("BER")試驗系統，例如，為 了確立靈敏度的最小水平。因此，使用溫度係數來使溫度和APD偏 壓有關的傳統技術難以用於使溫度和穩定增益的目標偏壓有關。注 意，在一些實施例中，溫度補償器能夠確保至少在-20至+50攝氏度 的溫度範圍內的準確度為大約士0.1dB。該監控功率的準確度(例如， 峰值-峰值大約為0.2dB)與APD增益設置的準確度相對應，諸如偏 離平均值1002的±3%。在有些情況下，通過保持APD增益與溫度 的關係恆定來確定APD增益設置的準確度。
回頭參考圖9，根據本發明的各個實施例，數據儲存庫906用 於保存用來調節工作參數的多個關係。在至少一個實施例中，數據儲 存庫906提供的數據表示溫度值和與目標增益值相關聯的目標電壓 值之間的關係。例如，假設溫度補償控制器902通過至少兩個目標電 壓值之間的外推處理，確立和/或確定這些關係，所述兩個目標電壓 值中的每一個都與不同溫度時的目標增益相對應。在另一實施例中， 數據儲存庫卯6提供確立關系所必需的數據。例如，假設溫度補償控 制器902外推通過與特定溫度相對應的單個目標電壓值的溫度係數 曲線，從而確立所述關係。如果溫度係數是傳統的係數曲線，則溫度 補償控制器902能夠偏移溫度係數曲線來提供容差，以便防止相關的 APD在擊穿區或者擊穿區附近運行。
圖11表示根據本發明的一個實施例，確立溫度和目標偏壓之間 的關係的一種方法。具體地，曲線圖1100描寫溫度和各個目標偏壓 Vapd (T)之間的關係1108。關係1108能夠通過確定不同溫度時的兩個或者更多個目標偏壓來形成，其中每個目標偏壓是在相應的溫度 時提供最優增益(即，目標增益)的偏壓。在圖11中，三個點組成關係函，其中點1102、 1104和1106分別是溫度T1 (例如，10 C)、 TO (例如，40 C)以及T2 (例如，65 C)時的目標偏壓。給定關係 1108後，溫度補償控制器就能在任意兩點之間進行外推，以確定任 意目標偏壓。或者，能夠將點1102、 1104和1106之間插入的任意多 個目標電壓存儲到例如，由溫度補償控制器存取的數據儲存庫中的查 找表("LUT")中。在一些實施例中，關係1108能夠表示APD溫度 係數曲線，其使特定最優增益值的最優APD偏壓、或者Vapd與溫度 相聯繫。通過使最優APD電壓值(因此最優增益值)精確地相關聯， APD溫度係數曲線使得光接收器有能力在溫度變化時運行的期間獲 取準確的靈敏度水平。
圖12說明根據本發明的實施例實施形成APD溫度係數曲線的 方法的示例性流程。通常，流程1200通過調節偏壓V(bias)直到抵達 目標增益值G為止，來生成APD溫度係數曲線。在這種情況下，V(bias) 是V(in)。在一些實施例中，能夠實施在此描述的在線功率監控器來 測量流程1200期間的V(bias)。例如，流程1200在1202中設置用於 與預期增益值G進行比較的V(out)/V(in)的比率。在1204，流程1200 設置溫度為特定溫度值。然後通過在1206中比較比率V(out)/V(in) 與G(例如，或者精確的或者近似的G值)，流程1200在1206和1208 之間循環，如果比較結果是假，則流程1200繼續在1208中調節 V(bias)。 一旦確定出特定值V(bias)提供的比率等於G，在1212中就 將偏壓存儲為在1204中設置的特定溫度的目標電壓值。注意，APD 偏壓源能夠逐漸地從最小值調整至與目標APD增益(或者最優增益) 相對應的值。雖然APD器件的廠商通常指定具有高準確度的APD增 益，但是廠商提供的增益值是對它所製造的大量器件進行統計而確定 的，在不同器件之間會有所不同。與此相比，流程1200使APD器件 的用戶能夠更精確地使用每個獨特器件的APD溫度係數曲線。
圖13表示根據本發明的一個實施例確立溫度和目標偏壓之間 的關係的另一方法。具體地，曲線圖1300描寫溫度和各個移位目標偏壓Vapd (T)之間的移位關係1310。移位關係1310能夠通過首先 確定在特定溫度(例如，40度C)時的至少一個目標偏壓1306來形 成，所述目標偏壓是在該溫度時提供最優增益(即，目標增益)的目 標偏壓。通常，APD器件的廠商基於它們在一個溫度(例如，室溫) 執行的靈敏度測量，而提供單個目標偏壓1306。另外對於該方法， 移位關係1310的生成方式可以是，應用預定溫度係數，來形成作為 關係1302的溫度係數曲線，其經過表示為一個目標偏壓1306的點。 APD的廠商一般都提供溫度係數作為統計確定的斜率，其表示每單 位溫度對應的電壓改變。典型溫度係數的示例是0.05。但是可以改變 該值。例如，溫度係數能夠在諸如0.04的最小值和諸如0.06的最大 值之間變化。能夠設置容差範圍1320，以排除由於不精確的溫度系 數而導致不確定性的Vapd可能變化。為了避免該不確定性，該方法 通過將關係1302移動量("V—sh") 1304形成移位關係1310以確立 移位關係1310，其表示具有預期容差的溫度係數曲線。優選地，移 位關係1310的容差提供防止APD進入故障的安全特徵，同時使用移 位關係1310上的目標偏壓來將增益穩定為隨溫度而變的最優值。
圖14是根據本發明的實施例，用於在溫度變化時解復用光通 信信號的光接收器的示例。光接收器1400包括用於形成光信號1403 的解復用器，每個光信號1403都具有來自多路復用光信號1405的特 定波長。光接收器1400還包括位於多個偏壓源和多個APD(其兩者都 未示出)之間的多個在線功率監控器("ILPM") 1404。在線功率監控 器("ILPM") 1404用於在擴展範圍內監控輸入功率，有些情況下， 調節多個偏壓源之一的偏壓，以將APD的增益設置為預定值。光接 收器1400包括安全控制器1406，當一個APD的相對應的輸入功率 超出警報極限時，安全控制器1406停止在光接收器1400或者在光發 送器(未示出)中生成光信號。通常，光接收器1400和它的多個在 線功率監控器1404容納在機體1420中。
為了便於說明，以上描述使用特定名稱來提供對本發明的徹底 了解。然而，很明顯，對於本領域專業技術人員，實施本發明不需要 具體的細節。事實上，該描述並不意在將本發明的任意特徵或者方面限制於任意實施例；而是一個實施例的特徵和方面可以容易地與其它 實施例互換。例如，儘管上述各個實施例涉及APD，但是本發明也 可以應用於任意其它類型的光電二極體。
因此，為了進行說明和描述，提出了本發明的上述具體實施例。 它們並不意圖窮舉或者將本發明限制為所公開的精確形式；很明顯， 鑑於上述教導可以進行多種更改和改變。為了最好地說明本發明的原 則和它的實際應用，選取以及描述了這些實施例；因此，它們使本領 域其它專業技術人員能夠最好地使用本發明，對於能想像到的特定用 途，多個更改的各個實施例會比較適合。特別地，並不需要由本發明 的每個實施例實現本文描述的每個優點；而是任意具體實施例能夠提 供以上論述的一個或多個優點。本發明的保護範圍意圖用權利要求以 及它們的等同物來限定。
權利要求
1、一種在線監控設備，在溫度變化時監控由光信號檢測器接收的光信號的輸入功率，所述在線監控設備包括雪崩光電二極體(「APD」)，用於接收所述光信號；輸入端，用於為所述APD提供偏置電壓；功率監控級，與所述APD並行地耦合到所述輸入端，用於現場生成測量信號；溫度補償器，根據溫度和所述測量信號調節所述APD的工作參數，其中，所述測量信號表示所述輸入功率。
2、 權利要求1的在線監控設備，其中，所述測量信號表示APD 電流。
3、 權利要求2的在線監控設備，其中，所述溫度補償器在溫度 變化時調節所述偏置電壓，以使增益保持基本均勻。
4、 權利要求3的在線監控設備，其中，與如果所述溫度補償器 不響應於所述溫度變化而調節所述偏置電壓相比，所述增益隨溫度基 本均勻有利於在較低的電平時提高所述輸入功率的監控靈敏度。
5、 權利要求1的在線監控設備，其中，所述功率監控級包括兩 個或者更多個功率監控級，用於確立一個擴展輸入功率範圍以使所述 功率監控級能夠在所述擴展輸入功率範圍內測量所述輸入功率，所述 兩個或者更多個功率監控級中的每一個都用於在所述擴展輸入功率 範圍的相應分段內測量輸入功率值。
6、 權利要求5的在線監控設備，其中，所述兩個或者更多個功 率監控級還包括第一功率監控級，用於檢測低功率光信號以作為所述輸入功率； 第二功率監控級，用於提供輸入光功率電平的線性範圍。
7、 權利要求1的在線監控設備，其中，所述溫度補償器包括-溫度傳感器，用於生成表示所述溫度的溫度值； 溫度補償控制器，根據所述溫度值和所述電流而確定調節量，並使用所述調節量修正所述偏置電壓，以將所述APD的增益設置為預 定增益值。
8、 權利要求7的在線監控設備，其中，所述溫度補償器還包括: 數據儲存庫，用於提供與所述電流的所述預定增益值相關聯的電壓值和所述溫度值之間的關係。
9、 權利要求8的在線監控設備，其中，所述溫度補償控制器還 用於-通過至少兩個目標電壓值之間的外推處理，確立所述關係，其中 每個目標電壓值都與不同溫度時的目標增益相對應。
10、 權利要求8的在線監控設備，其中，所述溫度補償控制器還 用於外推通過與特定溫度相對應的單個目標電壓值的溫度係數曲線， 確立所述關係。
11、 權利要求IO的在線監控設備，其中，移動所述溫度係數曲 線，以提供防止所述APD運行在擊穿區的容差。
12、 一種調節雪崩光電二極體("APD")的偏壓以便在溫度變化 時使增益保持基本穩定的方法，包括監控與一組電流值相關聯的所述APD的電流，其中，多組電流 值構成監控輸入光功率的擴展範圍；監控與所述APD相關聯的溫度； 調節所述偏壓為目標偏壓，以便提供目標增益。
13、 權利要求12的方法，其中，調節所述偏壓包括 基於所述溫度和所述目標增益而確定所述目標偏壓； 測量隨所述電流而變的所述偏壓，以形成測量偏壓； 計算所述測量偏壓和所述目標偏壓之間的差值； 用所述差值修正所述測量偏壓。
14、 權利要求13的方法，其中，確定所述目標偏壓包括 形成所述目標增益的所述溫度和所述目標偏壓之間的關係。
15、 權利要求14的方法，其中，形成所述關係包括.-在不同溫度時確立至少兩個目標偏壓； 使用所述至少兩個目標偏壓外推所述關係。
16、 權利要求14的方法，其中，形成所述關係包括 在特定溫度時確立至少一個目標偏壓；確定溫度係數，所述溫度係數用來定義每單位溫度對應的所述目 標偏壓的變化；使用所述至少一個目標偏壓和所述溫度係數外推所述關係。
17、 權利要求12的方法，還包括 判斷所述電流是否超過報警極限；如果所述電流突破了所述報警極限，就停止生成光信號。
18、 一種用於至少將光通信信號解復用的光接收器，所述光接收 器包括-一個解復用器，用於形成多個光信號，其中每個光信號都具有特 定的波長；多個雪崩光電二極體("APD")，用於檢測所述光信號； 多個偏置源；位於所述多個偏置源和所述多個APD之間的多個在線功率監控 器，所述多個在線功率監控器中的每一個都用於在擴展範圍內監控輸 入功率；多個溫度補償器，用於在溫度變化時穩定所述多個APD的運行。
19、 權利要求18的光接收器，還包括偏壓調節器，用於至少調節所述多個偏置源之一的偏置電壓，以 在溫度變化時將APD的增益穩定在預定值。
20、 權利要求19的光接收器，其中，所述溫度補償器包括所述 偏置調節器，並且根據所述增益的目標偏壓和溫度調節所述偏壓。
21、 權利要求18的光接收器，還包括安全控制器，當所述APD中有一個非相容APD的輸入功率突破 報警極限時，停止將所述光信號之一施加到所述非相容APD上。
22、 權利要求18的光接收器，還包括 容納所述光接收器的機體。
全文摘要
本發明公開了一種具有溫度補償器的在線監控設備、一種用於在溫度變化時在輸入功率值的擴展範圍上穩定雪崩光電二極體(「APD」)的增益的光接收器和方法。該設備可以包括一個或者多個並聯連接到APD的功率監控級，用於現場生成一個或者多個測量信號。該設備還包括溫度補償器，用於根據溫度和測量信號調節APD的工作參數。溫度補償器在溫度變化時調節偏壓，以便保持增益基本均勻，從而與溫度補償器不響應於溫度而調節偏壓時相比，利於以較低電平增加輸入功率的監控靈敏度。一個功率監控級能夠用於監控低功率光信號。
文檔編號G01J1/44GK101258576SQ200680032741
公開日2008年9月3日 申請日期2006年9月7日 優先權日2005年9月9日
發明者S·卡庫, V·吉洪諾夫 申請人:阿列德·泰萊西斯公司