雷射二極體和其他半導體二極體的非線性補償的製作方法
2023-08-11 04:45:01
專利名稱：雷射二極體和其他半導體二極體的非線性補償的製作方法
技術領域：
本發明涉及調製半導體二極體，特別是涉及減少半導體二極體光源的非線性失真。
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的需求也在增長。
光傳輸系統的核心在光源，發光二極體(LED)和雷射二極體通常為這些系統提供光。然而，這些器件的內在的非線性結電容導致了不希望有的諧波和交互調製，這就引起了失真，降低了產品性能。
在光傳輸系統中，光源的高線性度和低噪音是關鍵因素。人們試圖通過提高光源製造技術、降低預失真以及使用反饋控制來提高光源的線性度。然而，這些方法導致了成本的增加並且加大了製造工藝的難度。本發明者在一項在先發明(US 4,032,802)中，通過使用二極體的反串聯來降低二次和三次失真諧波，從而提高線性度。
本發明利用對半導體二極體的反並聯(其中一隻二極體反向偏置)，來改進本發明者較早的以反串聯結構降低失真的系統，以降低諧波失真並且與反串聯繫統相比降低了直流消耗，低頻噪音和發熱。
本發明提供了一個非線性補償電路，與A.C.信號源一起使用。在一個最優實施例中，該電路包含第一和第二半導體二極體，這兩個二極體連接成反並聯形式，並且與信號源並聯。這些半導體二極體分別有第一和第二電壓可變電容特性。一個直流電源電路分別向該第一和第二半導體二極體提供第一和第二偏置電壓。通過調節這些半導體的相應的偏置，電路電容也能被調整，以減少不希望有的諧波，提高電路的線性度。
在另一個最優實施例中，第一半導體二極體是一個光源二極體，第二半導體二極體是一個補償二極體，電源向補償二極體加反向偏置，同時向光源半導體二極體加正向偏置。這種偏置方式只需要極少的直流功率消耗。而且，電源在電路中只產生極少的熱量，避免了與熱相關的失真。
在又一個最優實施例中，第一電源向光源半導體二極體提供偏置，同時，第二電源向補償半導體二極體提供偏置。這種安排同上一實施例中一樣，有著低直電耗的優點。並且，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體的性能的情況下，允許對補償半導體二極體進行獨立的偏置調節。
圖1是本發明的一個最優實施例的示意圖；圖2是半導體二極體的等效電路圖；圖3是本發明的一個射頻(RF)/交流(A.C.)等效電路圖；圖4是本發明的一個直流等效電路圖；圖5是本發明的一個第二優選實施例的示意圖；和圖6是本發明的一個第三實施例的示意圖。
圖1示出了本發明光電電路10的一個優選實施例。光源半導體二極體12的正極11與地38連接。光源半導體二極體12的負極13通過第二電容30與補償半導體二極體14的正極15相連。補償半導體二極體14的負極17通過第三電容32連接到地38。
圖2示出了施加有結電壓41的光源半導體二極體12和補償半導體二極體14的半導體二極體等效電路40。二極體的鍵合線導致了第一和第二電感42,44。結電容46取決於結耗盡層的結構。結電阻48代表結電阻和擴散。
再次參見圖1，本領域普通技術人員將會看出這種連接是帶有A.C.信號源20的光源半導體二極體12與補償半導體二極體14反向並聯，圖3示出了光電電路10的交流等效電路50。圖3示出的反並聯連接方式形成了一個非線性補償電路(NCN)51。光源半導體二極體12可以是包括，但並不僅限於雷射二極體(LD)和發光二極體(LED)的幾種之一。補償半導體二極體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，該優選實施例包含一個偏置電路，其包括分立的直流偏置加到光源半導體二極體12和補償半導體二極體14上，並且均與A.C.信號源20相隔絕。第一偏置源16為光源半導體二極體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，更進一步說，在光源二極體12的直偏置等效電路54(如圖4所示)，當中，更易看出。從圖4當中可以看出從補償二極體直偏置等效電路52可知，第二偏置源18為補償半導體二極體14提供了直流偏置。又回到圖1，第二偏置源18為補償半導體二極體14提供了一個反向偏置，該偏置可以通過調節可變電阻34來進行調整。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)中的光源半導體二極體12和補償半導體二極體14用半導二極體等效電路40代替後，分析圖50，顯示出減少諧波失真的可能性。一個二極體的電容在所加偏壓為VO和所加調製小信號電壓為V時，其表達式為C=C0(-V0)n(1-V-V0)-n=K0+K1v+K2v2+K3v3+----(1)]]>其中CO是一個與結電容46成正比的常數；θ表示二極體的擴散電壓；和n是一個二極體結處摻雜分布相關的數。K0=C0(-V0)n----(2)]]>K1=nK0-V0---(3)]]>K2=n(n+1)K02(-V0)2----(4)]]>K3=n(n+1)(n+2)K06(-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。如果一個電路能夠消除或減少這個級次的失真，並且可能的話也降低其他級次的失真，則光電電路10中的諧波失真和交調產物將會相應減少。
本發明非線性補償電路51中(如圖3所示)，將補償半導體二極體14和光源半導體二極體12連接成反並聯關係，再與A.C.信號源20連接。偏置電路為每個二極體提供了一個直流偏置。任何由A.C.信號源20加到二極體上的遞增電壓V，將會對流過二極體的電流分別在它們各自的偏置點附近進行調製。因為此種反並聯，A.C.信號源20大小相等，方向相反地對光源半導體二極體12和補償半導體二極體14上的電壓施加影響。在本發明的最優實施例中，光源半導體二極體12是正向偏置，而補償半導體二極體是反向偏置。
在本發明的一個最優實施例中，光源半導體二極體12和補償半導體二極體14都是具有以上所討論過的等效電路的半導體二極體。因此，光源半導體二極體12和補償二極體14的電容可以表述為C1=K10-K11V+K12V2-…(6)C2=K20+K21V+K22V2+…(7)其中，C1=光源半導體二極體12的電容C2=補償半導體二極體14的電容。
結合等式(6)和(7)，我們可以得到總電容為C∑=C1+C2=KΣ1-K∑2V+K∑2V2……(8)其中，K0=C10(-V10)n+C20(-V20)n----(9)]]>K1=nK10-V10-nK20-V20----(10)]]>K2=n(n+1)K102(-V10)2+n(n+1)K202(-V20)2----(11)]]>本發明中光源半導體二極體12和補償半導體14的偏置電壓V10和V20可以被調節。因此，通過將K∑1調節為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K101-V10=K202-V20----(12)]]>並且，(θ-V10)2=(θ-V20)2(13)所有的偶次波將被完全消除掉。因此，本發明能降低失真，提高性能。
本發明與已有技術相比，有著一些優點，如降低成本，減少直流電耗，降低噪音，減少由於熱穩定性帶來的問題。
而且，本發明與反串聯非線性補償結構相比也有一些優點。
本發明消除了射頻(RF)和直流的連接，並且消除了低頻幹擾。第二電容30將第二偏置源18與光源半導體二極體12隔絕開來，因為電容對於直流源來說，就象一個開路。這就減少了直流電源和射頻源的聯繫。這種隔絕也幫助減少了低頻幹涉。第一，第二和第三電感22,24和26阻止了低頻幹擾。
本發明的反並聯非線性補償電路與反串聯結構相比，減小了直流電耗，因此也就減少了發熱。反串聯非線性補償電路使用電流偏置，並且使二極體正向偏置，這就需要大量的直流電耗。本發明使用電壓偏置，並且將補償半導體二極體14反向偏置。反向偏置的二極體比正向偏置的二極體消耗更小的電流。更小電流和與反串聯結構相比相同或更小的電壓，導致了更少的直流電耗。因為更少的直流電耗，本發明中生熱就更少。因此，本發明與反串聯結構相比，減少了熱穩定性問題。
本發明中使用反並聯結構也達到了更低的噪音水平。正向偏置的反串聯補償二極體的大偏置電流的變化，產生了反向偏置反並聯補償二極體的小偏置電流的變化所沒有的噪音。當相關的變動相似時，正向偏置反串聯的大電流放大了系統中的噪音。況且，在反並聯結構中，如上所述RF/D.C.耦合的減少與反串聯結構相比又降低了噪音。
本發明中的反並聯結構與反串聯結構相比，允許更高的工作頻率。對補償半導體二極體14的反向偏置與正向偏置相比，擴大了它的耗盡層。在PN結二極體中，一個擴大了的耗盡層，意味著P區和N區離得更遠。這類似於將平板電容器的極板分開，與正向偏置二極體相比，這種效應導致了電容的減少(根據眾所周知的公式C=(∈*A)/d)。電容的減少提高了二極體的截止頻率，因為fC=1/(2·П·CO·RS)，其中fC是二極體的截止頻率，CO是二極體的零偏置電容，RS是二極體48的內電阻。反向偏置半導體二極體14減少了電容，因而增加了其截止頻率。這就允許該電路，與在反串聯結構中，將補償半導體二極體14正向偏置相比，工作在更高的頻率上(達到10GHZ)。而且，在交流等效電路50中，將光源半導體二極體12和補償半導體二極體14分別用半導體等效電路40代替，得到一個低的等效電感(電感並聯)，而反串聯將得到一個高的電感(電感串聯)。反並聯結構中的這種更低的電感允許更高的工作頻率。
本發明的另一個改進是光源半導體二極體12的工作狀態不隨補償半導體二極體14中的電流改變而改變。而在這些二極體的反串聯中，光源半導體二極體12的工作狀態隨著補償半導體二極體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體二極體12的同時，允許對補償半導體二極體中12的偏置電流進行調節。
在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，圖1所示的本發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)。補償半導體二極體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，一個熟練的技術人員能夠看出，圖6中已無須有第三電容32和第一電感22。
本發明也可包括其他的配置。例如，可以將光源半導體二極體12用其他半導體二極體，包括，但不限於RF和微波二極體來代替。也可以將光源半導體二極體12用光測器，包括，但不限於雪崩光二極體、場效應管或者PIN二極體來代替。此外，補償半導體二極體14能夠被用作信號探測器，同時光源半導體二極體12作為補償二極體，以獲得高線性度信號探測電路。圖7-9，分別與圖1,5,6類，示出了這樣的結構。需要注意的是，由信號探測器接收到的信號帶動了負載60，負載60在所示出的信號探測器結構中代替了A.C.信號源20。
以上描述對本發明的最優實施例進行了充分完整的公開。不同的變形，替換的結構，以及等效結構對於有著相關技術的人員來說，是很清楚的。因此，本發明的(保護)範圍僅僅由所附的權利要求中界限來限定。
權利要求
1．一種非線性補償電路，包括一個第一半導體二極體，它具有第一電壓可變電容特性，一個第二半導體二極體，它與第一半導體二極體連接成反並聯結構，該二極體具有第二電壓可變電容特性，和一個直流電源電路，該電路與第一和第二半導體二極體連接，分別為第一和第二半導體二極體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體二極體中的諧波失真。
2．如權利要求1所述的裝置，第二偏置電壓反向偏置第二半導體二極體。
3．如權利要求1所述的裝置，第一半導體二極體由一個光源半導體二極體構成，該光源半導體二極體與A.C.信號源連接。
4．如權利要求1中的裝置，還包括一個電感和一個電容，它們均連接在A.C.信號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.信號源的A.C.信號進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入A.C.信號源中。
5．如權利要求1所述的裝置，直流電源電路包含有一個直流電源，該直流電源有第一端，第二端和一個接地端，第一端與第一半導體的第一端相連，第二端與第二半導體的第一端相連，接地端與第一半導體的第二端和第二半導體的第二端相連。
6．如權利要求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體二極體相連，為其提供第一偏置電壓，第二電源與第二半導體二極體相連，為其提供第二偏置電壓。
7．如權利要求6所述裝置，還包括有一個電容，它連接在第一和第二半導體二極體之間。
8．如權利要求1所述的裝置，第一半導體二極體由一個光測器構成，該光測器與一個負載連接。
9．如權利要求1所述的裝置，第一半導體二極體由一個射頻(RF)二極體構成。
10．如權利要求1所述的裝置中，第一半導體二極體由一個微波二極體構成。
11．如權利要求1所述的裝置，還包含一個可變電阻，該電阻與直流電源電路中的直流電源以及第二半導體相串聯。
12．一種用在A.C.信號源上的低失真光電電路，該光電電路包括一個光源半導體二極體，它具有第一電壓相關的電容特性，一個補償半導體二極體，它與光源半導體二極體以反並聯結構相連，並與A.C．信號源並聯，該二極體具有第二電壓相關的電容特性，和一個直流電源電路，它與光源半導體二極體和補償半導體二極體連接，分別向光源半導體二極體和補償半導體二極體加第一和第二偏置電壓。
13．如權利要求12所述的裝置，光源二極體由一個雷射二極體構成。
14．如權利要求12所述的裝置，光源二極體由一個發光二極體構成。
15．如權利要求12所述的裝置，直電源電路反向偏置補償半導體二極體，正向偏置光源半導體二極體。
16．如權利要求12所述的裝置，第一和第二電壓相關的電容特性大致相近。
17．一種用在A.C.信號源上的高線性度光電半導體二極體電路，該電路包括一個光源半導體二極體，該二極體具有第一電壓可變電容特性，一個補償半導體二極體，該二極體與光源半導體二極體和A.C.信號源連接成反並聯結構，該二極體具有第二電壓可變電容特性，一個第一電源，它與光源半導體二極體連接，用來向第一光源半導體二極體加正向偏置電壓，一個第二電源，它與補償半導體二極體連接，用來向補償半導體二極體加反向偏置電壓，一個第一電容，它連接在第一和第二電源之間，用來隔絕第一和第二電源，一個第二電容，它連接在A.C.信號源和第一電源之間，用來阻止第一電源的直流電進入A.C.信號源中，一個第三電容，它連接在A.C.信號源和第二電源之間，用來阻止第二電源的直電進入A.C.信號源中，一個可變電阻，它與補償半導體二極體以及第二電源相串聯，這樣，調節可變電阻來調整第二電壓可變電容特性，以減少光源半導體二極體中的諧波失真。
全文摘要
提供了一種高線性度的光源,它包含一個第一半導體二極體(例如,一個光源半導體二極體如雷射二極體或者發光二極體,或者一個光接收二極體如光測器)和一個具有第二補償半導體二極體的非線性補償電路。第一和第二二極體以及A.C.信號源(用以發光)或者負載(用以接收光)連接成反並聯結構,並且第一和第二二極體各自有相隔離的直流偏置分路。
文檔編號H04B10/02GK1222012SQ9810052
公開日1999年7月7日 申請日期1998年2月12日 優先權日1998年2月12日
發明者潘精中 申請人:E-Tek動力公司