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雪崩光二极管面临偏置和测量挑战

时间：2011-12-31 22:52:03  来源： 打印本文

雪崩光二极管面临偏置和测量挑战

2005/7/14/8:15来源：中国激光网作者：单振国 译    今天，人们对光学网络系统的需求日益增长，因而对高灵敏的、能精确接收数据和测量光功率的光探测器的要求也与日俱增。当传输的数据速率高到10G比特/秒以上时，就会有越来越多的系统从使用PIN型光二极管转向使用高速雪崩光二极管(APDs)。

图1. 雪崩光二极管对温度非常敏感。 此图是制造商提供的，他们愿意用他们的设计来帮助系统设计人员。

图1. 雪崩光二极管对温度非常敏感。 此图是制造商提供的，他们愿意用他们的设计来帮助系统设计人员。

    但是，要使APD适当运转,必须对加在APD上的偏置电压进行控制，以确保APD的雪崩倍增因子为常数；如果该因子出现非线性变化，必须纠正。确保偏置电源是低噪音电源，这一点非常重要。现在，有几种方法可以解决这个问题。
    APD与PIN光二极管不同，APD可以提供增益，就是说：输出光子与输入光子之比，不一定是1:1。这个比值，或称雪崩倍增因子(M),可用加在APD上的反向偏压控制。M随温度和反向偏压的非线性变化，必须纠正，以便能用APD来精确表示所接收的信号的强弱。

图2.在典型的雪崩光二极管(APD)监视/控制系统中,

    图2.在典型的雪崩光二极管(APD)监视/控制系统中,需要用一个可变的直流-直流变换器来为APD设定适当的反向偏压。测量放大器和电流取样电阻限制了对进入APD光功率的测量范围。

    为产生雪崩效应，要求所加的偏置电压较高，这使APD对温度非常敏感。许多APD 制造商提供的都是在特定范围的温度系数(几百mV/0C)，或者，在某些情况下，提供如图1所示的曲线。为了测量运转温度，可将温度传感器与APD结合起来使用，正确地调节反向偏压，就可维持稳定的器件性能和所需要的响应度。在入射光功率很低的情况下，增加偏压会提高灵敏度和减少接收器中的误码率；减少偏压将使APD在高温运转或在接收信号很强时免遭破坏。
    典型的APD监视控制回路如图2所示。加在APD的反向偏压必须控制，以维持M为常数和保护APD不因过大电流或过高温度而损坏。接收信号的强度指示(RSSI)是由一个能承受高偏压的测量放大器(锁相放大器)来提供的。

图3.采用雪崩光二极管(APD)偏压控制器和电流监视器，

    图3.采用雪崩光二极管(APD)偏压控制器和电流监视器，可扩大测量范围和简化APD偏置的线性控制。用一个外部的温度传感器、查询表和数模转换器来驱动VSET，可创建一个完全整的APD控制环。

    在用传统方法解决偏置/监视问题时，一些潜在的问题可能出现。第一个问题与APD的反向偏压电源有关。由于APD要求的偏压范围较宽，这个偏压一般由输出可变的以脉宽调制（PWM）技术为基础的直流-直流变换器产生。由于是在PWM基础上设计的，这个变换器的输出电压通常会含有一些剩余噪声。通过与电压变换器输出的强直流耦合，可将这个噪声减到最小，这对于防止接收数据流中断，是非常重要的。

图4.雪崩光二极管的电流可通过一个5:1的偏压控制器/电流监视器反映出来,

    图4.雪崩光二极管的电流可通过一个5:1的偏压控制器/电流监视器反映出来,在监视器的输出端，能显示出接收信号的强度。这个监视电流可用一个跨导线性对数放大器测量。

    完成这样的过滤需要较大的电子元件，因此，可能会大大增加整个偏置控制线路的响应时间。在APD偏置控制设计中，响应时间起着重要的作用，因为，APD本身的价格较高。系统设计者不仅想将偏置误差减到最小，以维持接收数据流的完整性；他们还想在环境温度太高时，或在APD开始出现过量电流时，快速降低二极管的偏置电压。
    选择锁相放大器是解决偏置问题的另一个关键措施，如图2所示。需要采用高共模抑制比的放大器来保证高灵敏度和对不同输入结点间电流的精确测量。锁相放大器的线性性质也限制了测量范围，约为30分贝。由电压变换器产生的开关噪声还会在锁相放大器的RSSI信号输出中引起误差。
    图3显示的是一个经过修改的监视控制环。用自带的电流镜技术，可将APD偏置电流的复制品直接送到任何电流测量装置。图3显示了这个监视电流(IPDM)正在用跨导线性对数放大器进行测量。采用对数放大器，使对输入光功率的动态范围测量加宽了，宽至70分贝，准确性为0.1分贝。没有动态范围的限制，会使锁相放大器的电流敏感问题得到解决。用这个新手段得到的动态范围和监视电流精度示于图4中。
    将低电压参考接地的输入信号加到APD偏压输入(VSET)端，就可仔细调节APD的性能，这使得人们可以采用低价的、固定的直流-直流增压变换器。对这种固定的直流-直流增压变换器更容易进行滤波，以去除与任何开关电压变换器都会有的固有纹波。因为APD的偏压受偏压控制器/电流监视器控制，而与电压变换器无关(如图2所示),控制环的响应时间不再受变换器或锁相放大器输出影响。这允许设计人员采用更紧凑更便宜的高压供电线路。
    高价的APD，需要集成保护电路，以免光二极管受到破坏。FALT结点是集电极开路逻辑输出端(active low)，它提醒设计者注意：可能存在损害APD的危险运转条件。如果APD的偏置电压输出(VAPD)开始使电流18mA，过高温度和过量电流指示器（FALT）将会显示出来，并将电流镜关闭，以降低二极管的电流和偏压。热保护线路也开始工作，以防偏压控制器/电流监视器受到破坏。当基座温度超过1400C时, 电流镜就会停止工作, 使VAPD降低,FALT将会报警。这个装置将会停留在这个保护模式，直到基座温度下降到200C左右 。
    下一代的高速光学网络将需要APD，以实现精确的数据传输和较低的比特误差率。对APD的偏置电压进行精确控制，是使这些系统成功运转的关键。采用偏压控制器/电流监视器，可对偏压实行线性控制，同时，还可监视光电流，确保APD在一定温度下有适当的M值和合适的光信号水平，不像电压变换器那样，还需要另外的滤波系统。