具有在温度变化时稳定雪崩光电二极管增益的扩展范围的现场功率监控器的制作方法

专利名称：具有在温度变化时稳定雪崩光电二极管增益的扩展范围的现场功率监控器的制作方法
具有在温度变化时稳定雪崩光电二极管增益的扩展范围的现场功率监控器发明领域[OOOl]本发明通常涉及在线(in-line)功率监控器，更特别地，涉及 用于监控诸如雪崩光电二极管("APD")的光信号检测器的输入功率 的在线功率监控器。通过对输入功率进行在线监控，能够实时地确定 和控制光信号检测器的工作参数。例如，当APD的温度变化时，能 够控制作为其工作参数的增益。
背景技术：
光接收器通过检测在光通信网络中的光纤电缆上发送的光信 号，而使数据的传输更便利。在这样的网络中，光发送器在高频调制 光信号，以便使用一个或者多个光波长将它们在光纤上发送。为了接 收发送信号，光接收器一般使用雪崩光电二极管("APD")来检测光 信号。众所周知，APD是具有在内部生成的倍增层的光电二极管， 初始光电流的倍增发生在倍增层。然而，APD运行时对噪声和温度 变化敏感。这样，测量光电流和调节偏压两者对于确保正常的APD 运行来说都是必需的。但是用于光电流测量和偏压调节的传统结构和 技术存在多个缺点。
图1是用于长距离通信的传统配置网络100。通常，光网络包 括多个发送器和接收器。为了进行说明，图1中示出表示一个或者多 个发送器的多路复用器("MUX") 106。多路复用器将在光纤108上 传输的"n"个不同波长的光信号104合并成调制光信号。表示一个 或者多个接收器的解复用器("DEMUX") 110将之前合并的信号分 离成光信号112。为了监控光网络的运行和质量，外部功率监控器120 用来测量光信号112的任意给定波长的输入光功率。外部功率监控器120 —般放在容纳光接收器器件的机体的外部。这种监控功率的方法 的缺点是很明显的。构造包括外部功率监控器120的这种配置100需 要另外的外部装置和资源(例如，劳动力、时间、等等)。虽然配置 100能够用于准确地测量功率，但是它通常只能使用一次，诸如在光 接收器的制造期间。.这样，在APD的正常运行期间，尤其当它用于 通信网络中时，在线APD增益调节通常是不可行的。配置100的另 一缺点是外部功率监控器120引入了导致光路径中信号损失的另外 的部件，从而恶化了光功率监控。
图2A描绘了在内部监控输入光功率的光信号功率监控的方法。 在该方法中，在跨阻抗放大器("TIA")的输出端执行从测量光电流 导出输入光功率。如图所示，结构200包括检测光信号206的APD 202、以及根据电压208测量光电流的跨阻抗放大器204。但是这种 监控输入光功率的方法有多个缺点。 一个缺点是在不干扰主输出信号 208的高频特性的情况下，技术上难以进行精确的信号分割。特别地， 包括电阻器R和电容器C的元件231和233用来从主输出信号208 中分离出部分来形成信号部分209。在该方法中，信号部分209用来 测量光功率。但是由于主输出信号208通常处于高频以及高数据传输 速率，诸如10Gbps或者更高，因此难以有效地分割用于准确监控功 率的信号。图2B示出结构200在监控功率时的另一缺点是，它具有 相对高的非线性度，这显著地縮小了监控光功率的总范围。
图2B是描绘光电流和跨阻抗放大器204 (图2A)之间的关系 的曲线图250。范围254是非线性范围；光电流的微小的线性变化导 致跨阻抗放大器输出的急剧变化。它在跨阻抗放大器204 (图2A) 通常处于高度饱和的这个范围之内。非线性范围254縮小了高输入光 功率值的监控功率的有效范围(例如，-18(18111至-3(18111)。例如，由 于我们希望设置报警极限(例如，-3dBm)以保护APD不出现过电 流事件，所以范围254致使跨阻抗放大器204 (图2A)不可用于检 测不安全运行状况。
图3描绘另一功率监控方法，其中在内部监控功率，更具体地 说，在电流到达跨阻抗放大器之前监控功率。为了APD 320容易在内部监控光功率，配置300包括偏压设置电路301 、输入级放大器302、 电流镜像304、和对数放大器("log amp") 310。偏压设置电路301 在输入级放大器302的输入311生成偏压，输入级放大器302生成输 出313以偏置结点303的输入APD电压。不同于图2A和2B中描述 的方法，跨阻抗放大器("TIA") 312仅仅用于放大表示将要传送的 数据的电信号；它不用于进行功率监控。但是注意，电流镜像304包 括在通向用于功率监控的对数放大器("logamp")310的电流测量中。 在另一些用于配置300的结构中，电流镜像304包括高压晶体管("HV Trans") 306。
由上文看来，人们希望提供一种将上述缺点减到最少的设备和 方法，从而便于使用扩展范围调节增益以及控制不安全状况的功率监 控等，尤其当在不同温度运行时。发明内容
本发明公开了一种具有温度补偿器的在线监控设备、 一种用于 在温度变化时在输入功率值的扩展范围上稳定雪崩光电二极管 ("APD")的增益的光接收器和方法。具有温度补偿器的在线监控设 备包括一个或者多个与APD并联到输入端的功率监控级，用于现场 生成一个或者多个测量信号。在一个实施例中，范围选取器从一个或 者多个功率监控级中选取将要提供指示输入光功率的测量信号的功 率监控级。设备还包括用于根据温度和测量信号调节APD的工作参 数的温度补偿器。温度补偿器调节偏压，以便在温度变化时使增益保 持基本均匀。与温度补偿器不响应于温度而调节偏压时相比，随温度变化保持基本均匀的增益能够使得在较低电平时提高输入功率的监 控灵敏度。
在具体实施例中，温度补偿器包括用于生成表示温度的温度值 的温度传感器，以及用于基于温度值和与输入功率相对应的电流(基 于APD偏压)而确定调节量的温度补偿控制器。温度补偿控制器还 能够使用调节量来修正偏压以便将APD的增益设置为预定增益值。 温度补偿器还可以包括数据储存库，用于提供温度值和与电流的预定增益值有关的电压值之间的关系。在一个实施例中，温度补偿控制器 还用于通过在至少两个目标电压值之间进行外推来确立所述关系，每 个目标电压值都与不同温度时的目标增益相对应。在另一实施例中， 温度补偿控制器还用于外推通过与特定温度相对应的单个目标电压 值的温度系数曲线，来确立所述关系。此外，能够移动温度系数曲线，以提供防止APD运行在击穿区的容差。


结合附图连同以下详细描述可以更充分地理解本发明，其中 [OOll]图1是用于在光网络中监控光信号的功率时测量光电流以及调 节偏压的传统配置100。
图2A和2B分别描绘一种内部监控输入光功率的功率监控的传 统方法的结构和曲线。
图3描写内部监控功率的另一传统功率监控方法。
图4是根据本发明的至少一个具体实施例在线监控输入光功率的设备的方框图。
图5A是根据本发明的至少一个具体实施例，至少包括两个用于监控输入光功率的功率监控级的设备的方框图。
图5B是根据本发明的至少一个具体实施例，描写图5A的功率监控级的示例的方框图。[OOH]图6根据本发明的实施例，说明用于监控输入光功率的图5A 的每个功率监控级的贡献。
图7是根据本发明的实施例，示出偏置和APD增益之间的关 系的曲线。
图8是根据本发明的至少一个实施例，说明用于响应在线功率 监控测量而控制APD的运行的在线反馈控制器的示例的方框图。
图9是依照本发明的一个实施例的温度补偿器的示图。
图10是根据本发明的一个实施例，描写使温度变化时的增益 相对于目标增益稳定的温度补偿器所具有的准确度的曲线。 [Q022]图11表示根据本发明的一个实施例，确立温度和目标偏压之间的关系的一种方法。
图12说明依照本发明的实施例用于实施形成APD温度系数曲 线的方法的示例性流程。
图13表示根据本发明的一个实施例，确立温度和目标偏压之 间的关系的另一方法。
图14是根据本发明的实施例，用于温度变化时解复用光通信 信号的光接收器的示例。
相同的附图标记表示贯穿附图的多个视图的相对应部分。注 意，大部分附图标记最左边一两位通常标识首先引入该标记的附图。
具体实施方式
图4是根据本发明的至少一个具体实施例在线监控输入光功率 的设备的方框图。设备400包括用于监控光信号420的在线功率监控 器402。从偏置源("偏置电源")406流出的感应电流408提供可调 节的偏压。在一个实施例中，光信号检测器是APD418。有时，例如， 电阻416和/或电容器414过滤电流408，以减少噪声效应。为了检测 以及监控电流408，设备400还包括能够代替416的无源元件403。
注意，经过APD的电流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 的响应度，APD(gain)表示APD的增益(或者倍增)。注意，IpX APD(responsitivity)的乘积可以称为APD光电流，或者光电流。应该 理解，术语电流可以指APD电流或者光电流光子，或者两者，因为 两个电流都可以表现为输入光功率。在一些实施例中，因为两者之间 存在相依性，所以测量APD电流和测量光电流同义，如公式(l)所示。 通过测量电流408，设备400能够监控APD 418的输入光功率。
显然，在线功率监控器("ffl-Z在线功率监控器")402是与APD 418并联的监控输入光功率的并联功率监视器。在线功率监控器("HI-Z在线功率监控器")402具有将泄漏电流限制为相对小值的高 阻抗输入401a和401b，特别是在APD 418的偏压能够达到76伏或 者更高的应用中。用于监控功率的电流本质上与流过APD 418的电 流相同。在线功率监控器402通过检测和测量电流408来监控输入光 功率，而不是例如重新生成将要馈入对数放大器的电流，其在一些传 统的内部功率监控器中是常见的。另外，例如，在线功率监控器402 提供一个扩展范围，在此扩展范围内能够测量光信号的输入光功率 420。这样，扩展范围包括在线功率监控器402能够在其上线性地监 控电流408的电流值的增加范围。优选地，这使在线功率监控器402 能够参与增益稳定化和APD安全保护(例如，确定输入光功率是否 突破了报警极限)两者。在一个实施例中，扩展范围具有至少从 -45<18111至-3(18111的扩展输入功率范围。在一些实施例中，在线功率 监控器402能够由任意多个功率监控级组成，其中只有一个必需用于 测量相对小的电流值(因此输入光功率电平相对低)。其它每个功率 监控级可以用于提供线性监控功率的扩展范围，或者用于一些其它的 目的。优选地，任意多个功率监控级的使用可以允许电流测量的范围 更宽，同时使与低功率光输入信号一致的可测量低电流降低，这与一 些传统内部功率监控器技术的使用不同。
在线反馈控制器404用于从在线功率监控器402接收测量信 号，以及执行调节功能以便保持作为光信号检测器的最优APD运行。 例如，在线反馈控制器404能够调节偏压电源406的偏压("Vbias")。 优选地，这样就能为稳定目的而进行实时增益控制，特别是在运行温 度时。即，在线反馈控制器404能够在例如-20至+50摄氏度的光功 率测量期间最小化光测量的温度效应，以便提供相对好的温度稳定性 (例如，大约0.2dB的峰值-峰值变化)。作为另一示例，在线反馈控 制器404可包括用于生成警报信号的安全控制器，所述警报信号要么 指示光信号420泄露，要么指示它的功率突破了正常运行极限，可能 会对APD 418造成不可挽回的损害。泄露光信号会危害人类。泄露 光信号能够由很小的或者不存在的光信号检测到。光纤中的开口会泄 露光信号。还有，超过某一阈值的输入光功率信号会破坏APD418。因而，我们希望在一些实施例中实施在线功率监控，以便在它们能够破坏APD 418之前检测并且防止输入光功率信号电平。
在一些实施例中，在线功率监控器402能够向功率监控器输出 413提供测量信号422，其中测量信号422通常表示光信号的输入光 功率420。优选地，功率监控器输出413实时地，诸如当APD418主 动参与网络内的光通信时，访问在线(或者现场)功率测量。当光接 收器和它的机体包括设备400和APD 418两者时，不需要监控功率 的外部功率监控器或者其它装置，诸如信道分割器。另外，功率监控 器输出413并不力图与阻抗严格地匹配。在一些实施例中，术语"在 线(in-line)"和"现场(in-situ)"同义，可用于描述在起始位置并 且没有移动来实行输入光功率测量的功率监控器。
图5A是根据本发明的至少一个具体实施例，至少包括两个用 于监控输入光功率的功率监控级的设备500的方框图。如图所示，在线功率监控器502包括两个功率监控器级---级2 ("M2") 514a和级l ("Ml") 514b，其两者都包括用于感应流过无源元件516a和 516b的APD电流408的电流感应放大器。在至少一个实施例中，无 源元件516a和516b是具有相同或者不同电阻的电阻器。为了根据本 发明的各个实施例确立扩展范围，功率监控级514a和514b分别用于 感应输入光功率值的第一范围和第二范围。优选地，实现两个或者更 多的功率监控级514能确立一个扩展输入功率范围以使光电流的线 性变化能够在此范围内导致偏压测量的线性变化，同时提供对低功率 光输入信号的检测和监控，这与各传统的内部APD功率监控技术不 同。例如，功率监控级514a能够用于检测和监控低功率光输入信号， 而功率监控级514b能够用于提供线性运行范围。如后面所解释的， 反馈控制器("FC")504用于选取功率监控级514a和514b中的一个， 来(全部或者部分地)根据偏压提供电流测量。设备500可选地包括 模数转换器("ADC") 590。
图5B是根据本发明的至少一个具体实施例，描写图5A的功率 监控级的示例的方框图。功率监控级550用于检测和监控经过可能是 电阻器的无源元件516的电流，诸如APD电流(例如，如公式(l)所示)。这一点由功率监控级550通过感应无源元件516两端的电压来 完成。如图所示，功率监控级550包括高阻抗放大器("Hi-ZAmp") 552，其以低电流和输入光功率电平提供对噪声的免疫力。在它的输 入端，高阻抗放大器("Hi-ZAmp") 552包括输入电阻器("RG1") 560和("RG2") 562。本领域普通技术人员理解如何确定用于设置功 率监控级550的运行范围的输入电阻560和562的值。在一些实施例 中，功率监控级550用于接收高至76伏的电压。功率监控级550可 选地包括并行的晶体管("Q1") 564和并行的电流镜像566，其两者 都与促成生成数据信号的光电流并联，这与实施电流镜像与用于生成 数据信号的电流串联的一些传统的功率监控技术不同。另外，功率监 控级550还可以包括电流-电压放大器("I-to-V amp") 568和电压放 大器570，以便最后生成表示数据的电信号。优选地，到高阻抗放大 器552的输入具有高阻抗，因此，消耗的电流量相对小。这在偏置 APD所要求的高电压的情况下尤其如此。因此，为了生成数据信号， 流过监控电路(例如，无源元件516)的所有(或者几乎所有)负载 电流将流向APD。这与一些仅仅使用部分APD电流来监控功率的传 统在线功率监控电路不同，传统在线功率监控电路可能因此丧失精确 测量电流的更好的粒度。
在一个具体实施例中，在线功率监控器502仅仅包括一个功率 监控级，诸如功率监控级514a。在这种情况下，功率监控级514a用 作低噪声、高阻抗的放大器，足以将可测量电流量减少到测量下限。 功率监控级514a能够提供例如，从25dB至30dB的范围(例如，从 -30dBm至0dBm)。作为示例，可以看出，390 ohms的电阻器值能够 减少诸如由放大器生成的噪声的噪声效应，以提供大约0.1微安或者 更低的测量下限(即，最小可测量电流)。因此，功率监控级514a能 够检测到生成低至下限0.1微安或者更低的APD电流水平的低功率 光信号，而不受噪声的不利影响。实现每个功率监控级514a和514b 的适当器件是由加州森尼韦尔的美信集成产品公司制造的电压增益 等于60的MAX4080S电流感应放大器。
在另一实施例中，在线功率监控器502包括两个或者更多的功率监控级，诸如功率监控级514a和514b，其中无源元件516a和516b 具有不同电阻值。在这种情况下，至少一个功率监控级用于检测和监 控低功率光信号。注意，在各个实施例中，所选取的用来提供低的可 测量电流的功率监控级还能够用于提供线性运行范围，但这不是必需 的。另一个或更多的功率监控级能够用于提供测量光功率的更宽的线 性范围。
例如，假设功率监控级514a用于在相对低的可测量电流的极限 内检测和监控APD电流(以及光电流)。因而，无源元件516a的 390ohms的电阻器值适合于在下限测量光功率，而与功率监控级514a 是否提供电流测量值的线性范围无关。还有，假设390ohms由功率 监控级514a设置测量电流的下限为大约0.1微安或者更少。其次， 假设功率监控级514b用于提供一个或多个线性运行范围。在这种情 况下，选取无源元件516b使相对小的电阻值能获取较高的电流测量 上限。例如，假设无源元件516b具有50ohms的电阻值，其设置在 该实施例中的电流测量的示例性上限为大约2000微安或更多。因此 如果无源元件516a和516b分别具有390和50ohms的电阻值，则功 率监控级514a和514b的合并运行能够提供-46dBm至-3dBm的输入 光功率的可测量总范围。该范围与大约0.1至大约2000微安的APD 电流值(即，公式(l)中的I (APD—currenf))相对应。
图6根据本发明的实施例，说明用于监控输入光功率的图5A 中的每个放大器的贡献。曲线图600描写由每个功率监控器测量的输 入光功率与由在线功率监控器502生成的一个或多个输出信号之间 的关系。例如，第一功率监控级能够用于提供在其中测量第一组输入 光功率值的范围("R2") 620 (例如，大约-45dBm至大约-22dBm)。 在一些实施例中，范围620可以是线性的或者大体上线性的。第二功 率监控级能够用于提供在其中测量第二组输入光功率值的线性(或者 大体上线性)范围("R1") 610 (例如，大约-22dBm至大约-ldBm)。 因此合并范围610和620组成扩展范围的示例，其中大约有10dB的 重叠由范围610和620共用。另外对于该示例，扩展范围650能够分 解为包括第一线性范围部分和第二线性范围部分的两个或者更多的线性范围部分。或者，扩展范围650能够分解为一个用于测量低功率 输入光功率的非线性范围部分和一个或多个确立相对宽的监控功率 的电流测量值的范围的线性范围部分。
在线功率监控器能够使用第一范围部分测量APD电流，在有 些情况下，第一范围部分包括一组用来校准或者稳定增益的值。例如， 第一范围部分能够位于范围620和/或部分范围610 (或更多)上。在 线功率监控器还可以使用第二范围部分测量APD电流，第二范围部 分包括另一组用来检测超出安全报警器水平630的值。在该示例中， 第二范围部分位于范围610内，包括是-3dBm的安全报警器水平630。
在各个实施例中，反馈控制器502 (图5A)还包括用于存储转 折点660的存储器和/或数据结构。设备500 (图5A)在范围("R1") 610和("R2") 620内的输入光功率电平之间的转折点660切换，以 确保指示使用各个曲线("Ml") 680禾B ("M2") 670的适当的功率 监控。回头参考图5A，注意，反馈控制器502可包括用于选取范围 610或者范围620的范围选取器580。范围选取器580包括用于存储 表示转折点660的数据作为转折点数据("S.O.P.") 581的存储器。 存储器也能够存储第一功率监控级的测量信号电压与监控输入光功 率电平之间的第一关系作为相应的曲线("C1" )583，其能够相当于 图6中的曲线("Ml" )680。它还能够存储第一功率监控级的第二关 系作为("C2") 584。在启动设备500时和/或在将光施加到APD581 上的应用(例如，-45dBm或者更少的输入光功率)之前，范围选取 器580能够使用曲线("M2") 670首先在范围620内开始运行。然后， 范围选取器580继续使用曲线670直到来自功率监控级514a的测量 信号移过转折点660时为止。然后，范围选取器使用功率监控级514b 监控功率使用曲线("Ml") 680。因此，如果范围选取器580在已知 状态开始(即，当知道应用于APD的光的水平时使用某一功率监控 级)，则当它越过转折点660时，它能够适当地运行。优选地，反馈 控制器502和它的存储器能够存储输入光功率电平和测量信号540 (图5A)之间的非线性关系，其显示为图6中的"监控信号"。例如， 假设范围620包括介于-45与大约-32dBm之间的相对非线性区以及从-32至大约-22犯111的相对线性区，其与转折点660 —致。再次，范围 602能够是本质上完全线性的或者本质上完全非线性的，或者其组合。 另外，对于每种APD和/或APD厂商来说，反馈控制器502能够存 储被描写成曲线("Ml") 680和("M2") 670的唯一关系。
回头参考图5A，设备500使用在线功率监控器502以利于APD 518的增益校正。这里，在线反馈控制器("FC") 504包括用于存储 偏压偏移量或者增益调节值522的局部数据存储器。偏压偏移量用于 偏移由偏置源("APD电源")506生成的偏压("Vbias")。在运行中， 外部校准器可用于从放大器514a或者514b中接收测量信号540。然 后，外部校准器520能够在生成增益调节值522之前确定与输入光功 率相对应的电流的测量值。这包括选取将提供测量信号的特定功率监 控级。外部校准器520与在线反馈控制器504协作，将增益调节值 522存储到数据存储器中。因此，当设备500从外部校准器520中移 除并且放到网络中时，在线反馈控制器504能够从由偏置源506生成 的偏压中加上或者减去该值，从而现场设置增益为预定值。预定值通 常是为APD 518的最优运行提供的目标增益值。在一些实施例中， 增益调节值522存储在外部校准器520中或者存储在其它地方(未示 出)。在一些实施例中， 一个或多个测量信号是具有指示APD518光 功率的值的电压。
图7是根据本发明的实施例，示出能够用于校准APD增益的 偏置和APD增益之间的关系的曲线。如图所示，当偏置电压设置为 最小偏压"Vapd (min)"时，APD的增益是单一的。但是当偏置电 压设置在最优偏压704 "Vapd (op)"时，增益在目标增益值("增益 (op)") 702运行。在运行期间，当APD正在接收光信号时，如果 增益是点B，则在一些实施例中，在线反馈控制器504能够用于将增 益调节回点A。这样，在线反馈控制器504能够包括执行现场APD 增益校正的外部校准器520的功能。注意，电阻516能够代替电阻 414。优选地，这使得每个电阻516起到双重角色一过滤和电流感应 的作用，因此将电阻分别用于过滤以及电流感应。这有助于最小化根 据本发明的各个实施例实施光接收器所必需的电器部件。
图8是根据本发明的至少一个实施例，说明用于响应在线功率 监控器测量而控制APD的运行的在线反馈控制器的示例的方框图。 在线反馈控制器800包括板上(on-board)的校准器802、范围选取器 804、温度补偿器806和安全控制器808。例如，校准器802用于通 过调节该APD的偏压来校准APD的增益。范围选取器804用于确定 以及选取用于监控输入光功率的扩展范围中的范围。例如，假设第一 范围和第二范围包括从大约-45dBm至大约-22dBm以及从大约 -22dBm至大约-ldbm的各个输入光功率值。其次，假设范围选取器 804确定在线功率监控器正在测量与大约-25dBm的输入光功率相关 联的光电流。然后，范围选取器804将选取测量光电流的第一范围， 以及例如，为了正确校准APD增益，将向校准器802提供测量光电 流值。
对于APD上以及它周围的温度效应，温度补偿器806用于补 偿诸如增益的工作参数。在一些实施例中，温度补偿器806指示校准 器802调节偏压以补偿温度，然而在其它实施例中，温度补偿器806 包括校准逻辑，以直接与APD电源交互来调节偏压。在线反馈控制 器800还可以包括用于确保APD运行的光接收器的安全运行的安全 控制器808。例如，如果输入光功率信号降低到某一阈值以下长达一 些时段，则光纤电缆可以开路，从而向人类泄露有害的光。因此安全 控制器808能够开始关闭与开路相关联的光发送器。但是安全控制器 808还可以用于保护APD远离危险状况，诸如可能破坏APD的过电 流事件。在这种情况下，设置报警极限，诸如-3dBm，以便当输入光 功率信号突破警报极限时关闭APD电源。在本发明的各个实施例中， 在线反馈控制器800能够实现图8中示出的元件的任意组合，因此可 以添加、删除或者代替那些元件的任何一个。
图9是根据本发明的一个实施例的温度补偿器的示图。温度补 偿器900包括温度补偿控制器902、模数("A/D")转换器904、数 据储存库卯6和温度传感器908。通常，例如，通过调整APD偏压 以随温度保持大体上均匀的增益作为目标增益，温度补偿控制器902 使基于APD的光信号检测器的增益稳定。优选地，随温度大体稳定的增益能提高输入光功率的监控灵敏度，特别在低电平时。在没有温度补偿控制器卯2的情况下，如果为了温度波动而进行增益补偿，则 光接收器的灵敏度将降低。
温度补偿控制器902用于调节诸如APD偏压的工作参数，调 整量根据表示例如光电流的温度和测量信号来确定。在运行中，温度 补偿控制器902接收光电流测量结果和温度值。在一些实施例中，模 数转换器904使表示测量光电流的模拟电压值数字化，特别是在在线 功率监控器由多个电流-电压放大器组成的情况下。在至少一个实施 例中，已知类型热敏电阻器的实现温度传感器908，由此热敏电阻器 生成表示测量温度的信号。接下来，温度补偿控制器902测量偏压(即，预调的偏压)。在一些实施例中，温度补偿控制器902直接在 APD电源测量偏压。在其它实施例中，温度补偿控制器902能够根 据模数转换器904提供的光电流测量结果计算测量偏压。为了随温度 保持增益一致，温度补偿控制器902确定目标偏压，以将APD增益 稳定在所测量温度的目标增益。数据储存库906通常包括各个目标偏 压(对于特定目标增益)和各个温度值之间的关系。这些关系能够是"査找表"的形式。在至少一个实施例中，APD偏压和温度之间的 最优关系能够通过最优化特定温度范围内的APD灵敏度水平或者光 信道比特误差率("BER")来确定。然后，温度补偿控制器902计算 测量偏压和目标偏压之差以形成调节量，调节量用来修正偏压，以使 它与目标偏压对准。注意，温度补偿控制器902能够直接调节偏压， 或者它能够指示校准器802如此做。无论如何，温度补偿控制器902 保持APD偏压的适当调节，以传递特定温度的目标APD增益。
图10是根据本发明的一个实施例，描写相对于目标增益稳定 温度变化时的增益的温度补偿器所具有的准确度的曲线。具体而言， 温度补偿器能够应用目标偏压和温度之间的关系，以确保目标增益 1002周围的准确度大约为士O.ldB，在该示例中大约为7.8。该准确 度能够在运行温度的多个范围中提高最优器件灵敏度。因而，由于偏 压、温度和目标增益值之间的关系可以比较准确地进行确定(这不同 于传统上形成的关系)，所以，本发明的各个实施例的温度补偿器能够相对容易地稳定APD的运行。具体而言，偏压和温度之间的传统 表达方式可以根据APD的击穿电压，而不是根据目标偏压表示为固 定温度系数曲线。这是因为，相比确定温度对最优增益水平的影响， 更加强调APD保护(例如，避免击穿电压)。温度系数曲线是基于温 度系数的偏压和温度之间的关系，其表示每单位温度对应的电压变化 幅度(例如，AV相对于AT)。另外，传统的温度系数和它们的曲线 通常描述不同温度时各个最小灵敏度测量结果的APD偏压，而不是 根据最优增益值。另外，用这样的方式生成传统的温度系数需要过多 的时间和昂贵的装置来实施比特差错("BER")试验系统，例如，为 了确立灵敏度的最小水平。因此，使用温度系数来使温度和APD偏 压有关的传统技术难以用于使温度和稳定增益的目标偏压有关。注 意，在一些实施例中，温度补偿器能够确保至少在-20至+50摄氏度 的温度范围内的准确度为大约士0.1dB。该监控功率的准确度(例如， 峰值-峰值大约为0.2dB)与APD增益设置的准确度相对应，诸如偏 离平均值1002的±3%。在有些情况下，通过保持APD增益与温度 的关系恒定来确定APD增益设置的准确度。
回头参考图9，根据本发明的各个实施例，数据储存库906用 于保存用来调节工作参数的多个关系。在至少一个实施例中，数据储 存库906提供的数据表示温度值和与目标增益值相关联的目标电压 值之间的关系。例如，假设温度补偿控制器902通过至少两个目标电 压值之间的外推处理，确立和/或确定这些关系，所述两个目标电压 值中的每一个都与不同温度时的目标增益相对应。在另一实施例中， 数据储存库卯6提供确立关系所必需的数据。例如，假设温度补偿控 制器902外推通过与特定温度相对应的单个目标电压值的温度系数 曲线，从而确立所述关系。如果温度系数是传统的系数曲线，则温度 补偿控制器902能够偏移温度系数曲线来提供容差，以便防止相关的 APD在击穿区或者击穿区附近运行。
图11表示根据本发明的一个实施例，确立温度和目标偏压之间 的关系的一种方法。具体地，曲线图1100描写温度和各个目标偏压 Vapd (T)之间的关系1108。关系1108能够通过确定不同温度时的两个或者更多个目标偏压来形成，其中每个目标偏压是在相应的温度 时提供最优增益(即，目标增益)的偏压。在图11中，三个点组成关系函，其中点1102、 1104和1106分别是温度T1 (例如，10 C)、 TO (例如，40 C)以及T2 (例如，65 C)时的目标偏压。给定关系 1108后，温度补偿控制器就能在任意两点之间进行外推，以确定任 意目标偏压。或者，能够将点1102、 1104和1106之间插入的任意多 个目标电压存储到例如，由温度补偿控制器存取的数据储存库中的查 找表("LUT")中。在一些实施例中，关系1108能够表示APD温度 系数曲线，其使特定最优增益值的最优APD偏压、或者Vapd与温度 相联系。通过使最优APD电压值(因此最优增益值)精确地相关联， APD温度系数曲线使得光接收器有能力在温度变化时运行的期间获 取准确的灵敏度水平。
图12说明根据本发明的实施例实施形成APD温度系数曲线的 方法的示例性流程。通常，流程1200通过调节偏压V(bias)直到抵达 目标增益值G为止，来生成APD温度系数曲线。在这种情况下，V(bias) 是V(in)。在一些实施例中，能够实施在此描述的在线功率监控器来 测量流程1200期间的V(bias)。例如，流程1200在1202中设置用于 与预期增益值G进行比较的V(out)/V(in)的比率。在1204，流程1200 设置温度为特定温度值。然后通过在1206中比较比率V(out)/V(in) 与G(例如，或者精确的或者近似的G值)，流程1200在1206和1208 之间循环，如果比较结果是假，则流程1200继续在1208中调节 V(bias)。 一旦确定出特定值V(bias)提供的比率等于G，在1212中就 将偏压存储为在1204中设置的特定温度的目标电压值。注意，APD 偏压源能够逐渐地从最小值调整至与目标APD增益(或者最优增益) 相对应的值。虽然APD器件的厂商通常指定具有高准确度的APD增 益，但是厂商提供的增益值是对它所制造的大量器件进行统计而确定 的，在不同器件之间会有所不同。与此相比，流程1200使APD器件 的用户能够更精确地使用每个独特器件的APD温度系数曲线。
图13表示根据本发明的一个实施例确立温度和目标偏压之间 的关系的另一方法。具体地，曲线图1300描写温度和各个移位目标偏压Vapd (T)之间的移位关系1310。移位关系1310能够通过首先 确定在特定温度(例如，40度C)时的至少一个目标偏压1306来形 成，所述目标偏压是在该温度时提供最优增益(即，目标增益)的目 标偏压。通常，APD器件的厂商基于它们在一个温度(例如，室温) 执行的灵敏度测量，而提供单个目标偏压1306。另外对于该方法， 移位关系1310的生成方式可以是，应用预定温度系数，来形成作为 关系1302的温度系数曲线，其经过表示为一个目标偏压1306的点。 APD的厂商一般都提供温度系数作为统计确定的斜率，其表示每单 位温度对应的电压改变。典型温度系数的示例是0.05。但是可以改变 该值。例如，温度系数能够在诸如0.04的最小值和诸如0.06的最大 值之间变化。能够设置容差范围1320，以排除由于不精确的温度系 数而导致不确定性的Vapd可能变化。为了避免该不确定性，该方法 通过将关系1302移动量("V—sh") 1304形成移位关系1310以确立 移位关系1310，其表示具有预期容差的温度系数曲线。优选地，移 位关系1310的容差提供防止APD进入故障的安全特征，同时使用移 位关系1310上的目标偏压来将增益稳定为随温度而变的最优值。
图14是根据本发明的实施例，用于在温度变化时解复用光通 信信号的光接收器的示例。光接收器1400包括用于形成光信号1403 的解复用器，每个光信号1403都具有来自多路复用光信号1405的特 定波长。光接收器1400还包括位于多个偏压源和多个APD(其两者都 未示出)之间的多个在线功率监控器("ILPM") 1404。在线功率监控 器("ILPM") 1404用于在扩展范围内监控输入功率，有些情况下， 调节多个偏压源之一的偏压，以将APD的增益设置为预定值。光接 收器1400包括安全控制器1406，当一个APD的相对应的输入功率 超出警报极限时，安全控制器1406停止在光接收器1400或者在光发 送器(未示出)中生成光信号。通常，光接收器1400和它的多个在 线功率监控器1404容纳在机体1420中。
为了便于说明，以上描述使用特定名称来提供对本发明的彻底 了解。然而，很明显，对于本领域专业技术人员，实施本发明不需要 具体的细节。事实上，该描述并不意在将本发明的任意特征或者方面限制于任意实施例；而是一个实施例的特征和方面可以容易地与其它 实施例互换。例如，尽管上述各个实施例涉及APD，但是本发明也 可以应用于任意其它类型的光电二极管。
因此，为了进行说明和描述，提出了本发明的上述具体实施例。 它们并不意图穷举或者将本发明限制为所公开的精确形式；很明显， 鉴于上述教导可以进行多种更改和改变。为了最好地说明本发明的原 则和它的实际应用，选取以及描述了这些实施例；因此，它们使本领 域其它专业技术人员能够最好地使用本发明，对于能想象到的特定用 途，多个更改的各个实施例会比较适合。特别地，并不需要由本发明 的每个实施例实现本文描述的每个优点；而是任意具体实施例能够提 供以上论述的一个或多个优点。本发明的保护范围意图用权利要求以 及它们的等同物来限定。
权利要求
1、一种在线监控设备，在温度变化时监控由光信号检测器接收的光信号的输入功率，所述在线监控设备包括雪崩光电二极管(“APD”)，用于接收所述光信号；输入端，用于为所述APD提供偏置电压；功率监控级，与所述APD并行地耦合到所述输入端，用于现场生成测量信号；温度补偿器，根据温度和所述测量信号调节所述APD的工作参数，其中，所述测量信号表示所述输入功率。
2、 权利要求1的在线监控设备，其中，所述测量信号表示APD 电流。
3、 权利要求2的在线监控设备，其中，所述温度补偿器在温度 变化时调节所述偏置电压，以使增益保持基本均匀。
4、 权利要求3的在线监控设备，其中，与如果所述温度补偿器 不响应于所述温度变化而调节所述偏置电压相比，所述增益随温度基 本均匀有利于在较低的电平时提高所述输入功率的监控灵敏度。
5、 权利要求1的在线监控设备，其中，所述功率监控级包括两 个或者更多个功率监控级，用于确立一个扩展输入功率范围以使所述 功率监控级能够在所述扩展输入功率范围内测量所述输入功率，所述 两个或者更多个功率监控级中的每一个都用于在所述扩展输入功率 范围的相应分段内测量输入功率值。
6、 权利要求5的在线监控设备，其中，所述两个或者更多个功 率监控级还包括第一功率监控级，用于检测低功率光信号以作为所述输入功率； 第二功率监控级，用于提供输入光功率电平的线性范围。
7、 权利要求1的在线监控设备，其中，所述温度补偿器包括-温度传感器，用于生成表示所述温度的温度值； 温度补偿控制器，根据所述温度值和所述电流而确定调节量，并使用所述调节量修正所述偏置电压，以将所述APD的增益设置为预 定增益值。
8、 权利要求7的在线监控设备，其中，所述温度补偿器还包括: 数据储存库，用于提供与所述电流的所述预定增益值相关联的电压值和所述温度值之间的关系。
9、 权利要求8的在线监控设备，其中，所述温度补偿控制器还 用于-通过至少两个目标电压值之间的外推处理，确立所述关系，其中 每个目标电压值都与不同温度时的目标增益相对应。
10、 权利要求8的在线监控设备，其中，所述温度补偿控制器还 用于外推通过与特定温度相对应的单个目标电压值的温度系数曲线， 确立所述关系。
11、 权利要求IO的在线监控设备，其中，移动所述温度系数曲 线，以提供防止所述APD运行在击穿区的容差。
12、 一种调节雪崩光电二极管("APD")的偏压以便在温度变化 时使增益保持基本稳定的方法，包括监控与一组电流值相关联的所述APD的电流，其中，多组电流 值构成监控输入光功率的扩展范围；监控与所述APD相关联的温度； 调节所述偏压为目标偏压，以便提供目标增益。
13、 权利要求12的方法，其中，调节所述偏压包括 基于所述温度和所述目标增益而确定所述目标偏压； 测量随所述电流而变的所述偏压，以形成测量偏压； 计算所述测量偏压和所述目标偏压之间的差值； 用所述差值修正所述测量偏压。
14、 权利要求13的方法，其中，确定所述目标偏压包括 形成所述目标增益的所述温度和所述目标偏压之间的关系。
15、 权利要求14的方法，其中，形成所述关系包括.-在不同温度时确立至少两个目标偏压； 使用所述至少两个目标偏压外推所述关系。
16、 权利要求14的方法，其中，形成所述关系包括 在特定温度时确立至少一个目标偏压；确定温度系数，所述温度系数用来定义每单位温度对应的所述目 标偏压的变化；使用所述至少一个目标偏压和所述温度系数外推所述关系。
17、 权利要求12的方法，还包括 判断所述电流是否超过报警极限；如果所述电流突破了所述报警极限，就停止生成光信号。
18、 一种用于至少将光通信信号解复用的光接收器，所述光接收 器包括-一个解复用器，用于形成多个光信号，其中每个光信号都具有特 定的波长；多个雪崩光电二极管("APD")，用于检测所述光信号； 多个偏置源；位于所述多个偏置源和所述多个APD之间的多个在线功率监控 器，所述多个在线功率监控器中的每一个都用于在扩展范围内监控输 入功率；多个温度补偿器，用于在温度变化时稳定所述多个APD的运行。
19、 权利要求18的光接收器，还包括偏压调节器，用于至少调节所述多个偏置源之一的偏置电压，以 在温度变化时将APD的增益稳定在预定值。
20、 权利要求19的光接收器，其中，所述温度补偿器包括所述 偏置调节器，并且根据所述增益的目标偏压和温度调节所述偏压。
21、 权利要求18的光接收器，还包括安全控制器，当所述APD中有一个非相容APD的输入功率突破 报警极限时，停止将所述光信号之一施加到所述非相容APD上。
22、 权利要求18的光接收器，还包括 容纳所述光接收器的机体。
全文摘要
本发明公开了一种具有温度补偿器的在线监控设备、一种用于在温度变化时在输入功率值的扩展范围上稳定雪崩光电二极管(“APD”)的增益的光接收器和方法。该设备可以包括一个或者多个并联连接到APD的功率监控级，用于现场生成一个或者多个测量信号。该设备还包括温度补偿器，用于根据温度和测量信号调节APD的工作参数。温度补偿器在温度变化时调节偏压，以便保持增益基本均匀，从而与温度补偿器不响应于温度而调节偏压时相比，利于以较低电平增加输入功率的监控灵敏度。一个功率监控级能够用于监控低功率光信号。
文档编号G01J1/44GK101258576SQ200680032741
公开日2008年9月3日 申请日期2006年9月7日 优先权日2005年9月9日
发明者S·卡库, V·吉洪诺夫 申请人:阿列德·泰莱西斯公司