用于监控入射到雪崩光电二极管上的输入光功率的功率监控器的制作方法

专利名称：用于监控入射到雪崩光电二极管上的输入光功率的功率监控器的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及在线功率监控器，并且尤其涉及，用于监控诸如雪崩光电二极管("APD")的光信号探测器的输入功率的在线功率监 控器。通过在线监控输入功率，能够实时地确定和控制光信号探测器 的操作参数。例如，能够随APD温度的变化控制作为操作参数的其 增益。
背景技术：
光通信网络中，光接收器通过探测经光纤电缆传输的光信号促进 数据的转换。在这样的网络中，光发射器在高频率调制光信号以使用 一个或多个光波长经由光纤传送它们。为了接收发射的信号，光接收 器典型地使用雪崩光电二极管("APD")来探测光信号。如所知， APD是具有内部地产生的倍增层的光电二极管，初始光电流的倍增 在倍增层发生。然而，APD的操作容易遭受噪声和温度变化的影响。 这样，需要测量光电流并调整偏置电压以确保正确的APD操作。但 是用于促进光电流测量和偏置电压调整的传统的结构和技术具有数 个缺点。图1是用于长距离通信的传统配置网络100。通常地，光网络包 括许多发射器和接收器。为示例目的，图1示出表示一个或多个发射 器的多路器("MUX") 106。多路器操作以组合不同波长的"n"个 光信号104用于作为经调制的光信号经由光纤108传输。表示一个或 多个接收器的多路分配器("DEMUX") 110操作以将先前组合的信 号分成光信号112。为了监控光网络的操作和质量，使用外部功率监 控器120来测量任何给定波长的光信号112的输入光功率。典型地， 外部功率监控器120在包含光接收器设备的外壳外部。监控功率的此方法的缺点是明显的。为了构造包括外部光功率监控器120的此配置 100，需要另外的外部设备和源(例如劳动、时间等)。虽然配置100 能够用于精确地测量功率，但是它通常仅使用一次，比如在制造光接 收器时。这样，在APD的正常操作中，在线APD增益调整通常不可 行，尤其是当其用于通信网络中时。配置100的另一缺点是外部功率 监控器120引入另外的元件，引起了光路中的信号损耗，尤此降低了 光功率监控。图2A描述一种光信号功率监控的方法，其中在内部监控输入光 功率。在此方法中，可从测量光电流推导的输入光功率在跨阻放大器 ("TIA")的输出端执行。如所示，结构200包括APD 202以检测光 信号206，以及跨阻放大器204用于根据电压208测量光电流。但是 监控输入光功率的此方法存在数个缺点。 一个缺点是技术上难以不扰 乱主输出信号208的高频性质而实现精确的信号分裂。尤其是，包含 电阻R和电容C的元件231和233用于分裂主输出信号208的部分 以形成信号部分209。在此方法中，信号部分209用于测量光功率。 但是，由于主输出信号208通常在高的频率和数据转换速率，比如在 10Gbps或更高，所以难以有效地分裂信号用于精确的功率监控。图 2B示出结构200监控功率中的另一缺点是其具有相对高度的非线性， 这显著地减小了监控光功率的总范围。图2B是描述光电流和跨阻放大器204 (图2A)的输出之间的关 系的曲线图250。范围254是非线性范围；光电流中微小的线性变化 引起跨阻放大器输出中剧烈的变化。正是在此范围中跨阻放大器204 (图2A)通常高度饱和。范围254的非线性减小了在高输入功率值 (例如一18dBm到一3dBm)监控功率的有效范围。因为期望设置报 警界限(例如在一3dBm)以保护APD免受例如过电流事件，所以范 围254使得跨阻放大器204 (图2A)不能用于探测不安全的操作条 件。图3描述另一功率监控方法，其中，在内部监控功率，并且更具 体地，在电流到达跨阻放大器之前。为了在内部监控入射到APD320 的光功率，配置300包括偏置电压设置电路301、输入级放大器302、电流监控器304、以及对数放大器("log amp") 310。偏置电压设置 电路301操作以在输入级放大器302的输入端311产生偏置电压，输 入级放大器302依次用作产生输出313以偏置节点303的输入APD 电压。与图2A和2B中描述的方法不同，跨阻放大器("TIA") 312 仅用于放大表示要被通信的数据的电信号；它不用于功率监控目的。 但是要注意，为功率监控目的，电流镜304包括在到对数放大器("log amp") 310的电流测量路径上。在用于配置300的一些可选结构中， 电流镜300包括高压晶体管("HV Trans") 306。基于前述，期望提供最小化上述缺点的装置和方法，由此使用扩 展的范围来促进功率监控用于调整增益和控制不安全条件，除其它的 事情外，特别是当在不同的温度操作时。发明内容公开了一种在线监控装置、 一种光接收器和一种方法，用于在扩 展的范围中监控光信号的输入功率，在此范围中， 一个或多个功率监 控级例如能够在扩展的输入功率范围测量输入功率。在一个实施例 中，在线监控装置包括配置为接收光信号的雪崩光电二极管("APD") 和配置为提供用于APD的偏置的输入端。它还包括一个或多个功率 监控级，与APD并联地耦合到输入端用于产生一个或多个在位测量 信号。测量信号表示输入光功率。在一个实施例中，范围选择器选择 所述一个或多个功率监控级中的哪一级用于提供表示输入光功率的 测量信号。通常地，所述一个或多个功率监控级具有高阻抗输入用于 减小漏电流。至少所述功率监控级的一个能够配置为提供可测量的电 流的范围，以监控低功率光信号而对诸如一45dBm或更低的那些水 平的噪声有效地免疫。在线监控装置避免了对外部功率监控器和诸如 与APD串联的对数放大器和电流镜的串联功率监控设备的需求。在 线监控装置还在输入光功率的同样的扩展的范围提供实时增益校准 和报警界限评估。在一些实施例中，功率监控级能够提供宽广范围的 线性电流测量，同时还提供可测量的电流的范围以监控低功率光信 号。


结合以下结合附图的详细描述，可以更充分地了解本发明，其中 图1是在监控光网络中的光信号时用于测量光电流和调整偏置电 压的传统的配置100;图2A和2B分别描述作为一个传统的功率监控方法的结构和曲线图，其中在内部监控输入光功率；图3描述另一传统的功率监控方法，其中在内部监控功率；图4是根据本发明的至少一个具体实施例的在线监控输入光功率的装置的框图；图5A是根据本发明的至少一个具体实施例的包括至少两个功率 监控级用于监控输入光功率的装置的框图；图5B是描述根据本发明的至少一个具体实施例的图5A的功率监 控级的示例的框图；图6示例根据本发明的实施例的用于监控输入光功率的图5A的 每个功率监控级的作用；图7是示出根据本发明的实施例的偏置和APD增益之间的关系的 曲线图；图8是示出根据本发明的至少一个实施例的用于响应在线功率监 控测量来控制APD的操作的在线反馈控制器的示例的框图；图9是根据本发明的一个实施例的温度补偿器的示图；图10是描述根据本发明的一个实施例温度补偿器相对于目标增 益关于温度来稳定增益的精度的曲线图；图11表示根据本发明的一个实施例确定温度和目标偏置电压之 间的关系的方法；图12示出用于实施形成与本发明的实施例一致的APD温度系数 曲线的方法的示例流程；图13表示根据本发明的一个实施例确定温度和目标偏置电压之 间的关系的另一方法；图14是根据本发明的实施例的配置为随温度变化多路分配光通信信号的光接收器的示例。遍及图样的数幅视图，相似的参考数字表示相应的部件。需要注 意，大多数参考数字包括通常标识首先引入该参考数字的图的一个或 两个最左的数字。
具体实施方式
图4是根据本发明的至少一个具体实施例的在线监控输入光功率 的装置的框图。装置400包括在线功率监控器402，配置为监控光信 号420。从偏置源("偏置电源")406流来的感测电流408提供可调 偏置电压。在一个实施例中，光信号探测器是APD418。在一些情况 下，电阻416和/或电容414过滤电流408以减小例如噪声的影响。 装置400还包括无源元件403，其能够代替416，以探测并监控电流 408。需要注意，能够根据公式(1)描述通过APD的电流408: I(APD—电流)二Ip承APD(响应度^APD(增益)，公式(1) 其中Ip表示进入APD 418的光子通量，APD(响应度)表示APD 418 的响应度，而APD(增益)表示APD的增益(或倍增)。需要注意，乘 积^*^0(响应度)可以指^0光电流，或光电流。应当理解，术语 电流可以指APD电流或光电流光子，或者两者，因为两种电流都可 以表示输入光功率。在一些实施例中，测量APD电流与测量光电流 是同义的，因为两者之间存在依赖关系，如公式(1)中所述。通过 测量电流408，装置400能够监控入射到APD 418的输入光功率。特别地，在线功率监控器("HI-Z在线功率监控器")402是监控 与APD 418并联的输入光功率的并联功率监控器。在线功率监控器 ("HI-Z在线功率监控器")402具有高阻抗输入401a和401b，每一 个限制漏电流到相对地小的值，尤其在APD 418的偏置电压可以达 到76伏或更高的应用中。使用的监控功率的电流本质上与流过APD 418的电流相同。通过探测并测量电流408而不是产生要馈入例如对 数放大器的电流(在一些传统的内部功率监控器中通常是这样)，在 线功率监控器402监控输入光功率。此外，在线功率监控器402提供扩展的范围，在此范围，它能够测量例如光信号420的输入光功率。 这样，扩展的范围包括增加的电流值范围，在此范围，在线功率监控 器402可以线性地监控电流408。有利地，这使得在线功率监控器402 参与增益稳定和APD安全保护(例如，在确定输入光功率是否违背 报警界限中)。在一个实施例中，扩展的范围具有至少从一45dBm到 一3dBm的扩展的输入功率范围。在一些实施例中，在线功率监控器 402可以包括任何数量的功率监控级，其中只有一个需要配置为测量 相对地低的电流值(并且因此相对地低的输入光功率水平)。其它的 功率监控级的每一个可以用于提供扩展的范围用于线性地监控功率 或用于任何其它目的。有利地，任何数量的功率监控级的使用可以容 许较宽范围的电流测量，同时降低与低功率光输入信号一致的较低的 可测量的电流，与一些传统的内部功率监控技术不同。在线反馈控制器404配置为接收来自在线功率监控器402的信号 并执行调整功能以作为光信号探测器保持最佳的APD操作。例如， 在线反馈控制器404可以调整偏置电源406的偏置电压("V偏置")。 有利地，这使得用于稳定目的特别是关于操作温度的实时增益控制成 为可能。也就是说，在线反馈控制器404可以最小化对光功率测量的 温度影响以在光功率测量时从例如一20到+ 50摄氏度提供相对地好 的温度稳定性(例如约0.2(18的峰-峰值变化)。作为另一示例，在线 反馈控制器404包括安全控制器用于产生报警信号，表示光信号420 暴露了，或者其功率超过了会不可修复地损伤APD 418的正常操作 范围。暴露的光信号会伤害人。通过可以忽略的或不存在的光信号可 以探测暴露的光信号。光纤上的开口可以暴露光信号。还有，超过某 一阈值的输入光功率信号可以损坏APD418。这样，期望在一些实施 例中实施在线功率监控器以在输入光功率损坏APD 418之前探测并 阻止输入光功率信号水平。在一些实施例中，在线功率监控器402可以提供测量信号422到 功率监控器输出端413，其中测量信号422通常表示光信号420的输 入光功率。有利地，功率监控器输出端413实时地提供到在线(或在 位)功率测量的通道，比如当APD积极地参与网络中的光通信时。当光接收器和其外壳包括装置400和APD 418时，则不需要外部功 率监控器或诸如信道分裂器的其它装备以监控功率。此外，功率监控 器输出端413不需要努力去严格地匹配阻抗。在一些实施例中，术语 在线与在位是同义的并且可以用于描述在原来位置且不需要被移动 以实现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的包括至少两个功率 监控级用于监控输入光功率的装置500的框图。如所示，在线功率监 控器502包括两个功率监控级——级2 ("M2") 514a和级1 ("Ml") 5Mb，它们都包括电流感测放大器，配置为每个感测流经无源元件 516a和516b的APD电流408。在至少一个实施例中，无源元件516a 和516b是具有相同或不同阻抗的电阻。为了确定根据本发明的多个 实施例的扩展的范围，功率监控级514a和514b配置为分别感测输入 光功率值的第一范围和第二范围。有利地，实施两个或更多个功率监 控级514确定在其中光电流中的线性变化能够引起偏置电压测量中 的线性变化的扩展的输入功率范围，同时提供对低功率光输入信号的 探测和监控，与多个传统的内部APD功率监控技术不同。例如，功 率监控级514a可以配置为探测和监控低功率光输入信号，而功率监 控级514b可以配置为提供线性的操作范围。如后面解释的，反馈控 制器("FC") 504配置为选择功率监控级514a和514b中的一个以提 供作为偏置电压的函数的电流测量，整个或部分地。装置500可选地 包括模-数转换器("ADC") 590。图5B是描述根据本发明的至少一个具体实施例的图5A的功率监 控级的示例的框图。功率监控级550配置为探测和监控电流，比如 APD电流(例如，如公式(1)所述的)，通过无源元件516，元件 516可以是电阻。功率监控级550通过感测跨无源元件516形成的电 压来实现这个。如所示，功率监控级550包括高阻抗放大器("Hi-Z Amp") 552，其在低的电流和输入光功率水平提供噪声免疫。在其输 入端，高阻抗放大器("Hi-ZAmp")包括输入电阻("RG1") 560和 ("RG2") 562。本领域技术人员了解如何确定输入电阻560和562 的值用于为功率监控级550设置操作范围。在一些实施例中，功率监控级550配置为接收高达76伏的电压。功率监控级550可选地包括 并联电阻("Q1") 564和并联电流镜566，都与对产生数据信号起作 用的光电流并联，与将与用于产生数据信号的电流串联实施电流镜的 一些传统功率监控技术不同。此外，功率监控级550还可以包括电流 -电压放大器("I-V amp") 568和电压放大器("电压amp") 570以 最终产生表示数据的电信号。有利地，到高阻抗放大器552的输入具 有高阻抗，并且因此，消耗相对地小的电流量。这在偏置APD所需 的高电压尤其是真实的。因此，为产生数据信号的目的，流经监控电 路(例如，在无源元件516)的所有(或几乎所有)负载电流会流到 APD。这与一些传统的在线功率监控电路不同，后者仅使用APD电 流的部分来监控功率，由此可能丧失用于精确地测量电流的好的间隔 尺度。在一个具体实施例中，在线功率监控器502仅包括一个功率监控 级，比如功率监控级514a。在这种情况下，功率监控级514作为低 噪声、高阻抗放大器操作以充分地减小可测量的电流幅度到低的测量 界限。功率监控级514a可以提供例如从25dB到30dB (例如从一 30dBm到0dBm)的范围。作为示例，考虑能够减小噪声(比如由放 大器产生的噪声)的影响以提供约0.1微安培或更小的较低的测量界 限(即最低的可测量电流)的390欧姆的电阻值。因此，功率监控级 514a可以探测低功率光信号而不会受到噪声的有害影响，该光信号 产生低至0.1安培或更小的较低界限的APD电流水平。用于实施功 率监控级514a和514b的每一个的合适的设备是由Maxim Integrated Products, Inc. of Sunnyvale, California制造的MAX4080S电流感测 放大器，电压增益等于60。在另一实施例中，在线功率监控器502包括两个或更多个功率监 控级，比如功率监控级514a和514b，对无源元件516a和516b的电 阻值不同。在这种情况下，功率监控级中的至少一个配置为探测并监 控低功率光信号。需要注意，在多个实施例中，选择的以提供低的可 测量电流的功率监控级可以配置为还提供线性的操作范围，虽然这不 是必须的。另一个或多个功率监控级可以配置为提供测量光功率的较宽广的线性的范围。为了示例，考虑功率监控级514a配置为在相对地较低的可测量电 流界限探测和监控APD电流(和光电流)。这样，对无源元件516a, 为在较低界限测量光功率，390欧姆的电阻值是合适的，不管功率监 控级514a是否提供电流测量值的线性范围。还有，考虑390欧姆设 置较低的界限用于通过功率监控级514a测量到约0.1微安或更小的 电流。接下来，考虑功率监控级514b配置为提供一个或多个线性的 操作范围。在这种情况下，无源元件516b选择为具有相对地较小的 电阻值用于获得较高的电流测量界限。例如，考虑无源元件516b具 有50欧姆的电阻值，这在此实施例中设置到约2000微安或更大的示 例的电流测量的上限。所以，如果无源元件516a和516b分别具有 390和50欧姆的电阻值，则功率监控级514a和514b的组合操作可 以提供从一46dBm到一3dBm的总的可测量的输入光功率的范围。此 范围对应于从约0.1到约2000微安的APD电流值(即，公式(1) 中1(APD-电流))。图6示例根据本发明的实施例的用于监控输入光功率的图5A的 每个放大器的作用。曲线图600描述由每个功率监控器测得的输入光 功率与由在线功率监控器502产生的一个或多个输出信号的关系。例 如，第一功率监控级可以配置为提供范围("R") 620，在此范围测量 输入光功率值的第一子集(例如从约一45dBm到约一22dBm)。在一 些实施例中，范围620可以是线性的或基本线性的。第二功率监控级 可以配置为提供线性的(或基本线性的)范围("R1") 610,在此范 围测量输入光功率值的第二子集(例如从约一22dBm到约一ldBm)。 组合的范围610和620因此构成扩展的范围的示例，具有由范围610 和620共享的约10dB的交叠。进一步对此示例，扩展的范围650可 以被分成两个或更多个线性的范围部分，包括第一线性范围部分和第 二线性范围部分。或者扩展的范围650可以分成非线性的范围部分用 于测量低功率输入光功率和一个或多个线性的范围部分用于确定相 对地宽广的电流测量值范围以监控功率。在线功率监控器可以使用第一范围部分测量APD电流，其在一些情况下包含用于校正或稳定增益的值的子集。例如，第一范围部分可以位于跨范围620和/或范围610的部分(或更多)。在线功率监控器 还可以使用第二范围部分测量APD电流，其包含用于探测对安全报 警水平630的违背的值的子集。在此示例中，第二范围部分位于范围 610内并包括安全报警水平630，其是一3dBm。在多个实施例中，反馈控制器502 (图5A)还包括存储器和/或数 据结构用于存储转变点660。装置500 (图5A)在范围("R1") 610 和("R2") 620中的输入光功率水平之间在转变点660转变以确保表 示使用分别的曲线("Ml") 680和("M2") 670的正确的功率监控。 返回参照图5A，需要注意，反馈控制器502可以包括范围选择器580 用于选择范围610或范围620。范围选择器580包括存储器用于存储 表示转变点660的数据为转变点数据("S.O.P") 581。存储器还针对 第一功率监控级存储测量信号电压和监控的输入光功率水平之间的 第一关系为分别的曲线("C1") 583，其可以等于图6中的曲线 ("Ml") 680。其还可以针对第一功率监控级存储第二关系为("C2") 584。范围选择器580可以通过首先在范围620中开始来操作，使用 在装置500启动时和/或施加光功率到APD 581 (例如一45dBm或更 小的输入光功率)之前的曲线("M2") 670。然后，范围选择器580 继续使用曲线670直到来自功率监控级514a的测量信号经过转变点 660。此后，范围选择器使用功率监控级516b使用曲线("Ml") 680 监控功率。所以，如果范围选择器580在已知状态开始(g卩，当存在 施加到APD的光的已知水平时，使用某一功率监控级)，则当它越过 转变点660时，能正确地操作。有利地，反馈控制器502和其存储器 可以存储输入光功率水平和测量信号540 (图5A)之间的非线性关 系，其在图6中示为"监控器信号"。例如，考虑范围620包括一45 和约一32dBm之间的相对地非线性的区域和从一32到约一22dBm的 相对地线性的区域，一22dBm与转变点660 —致。再次，范围602 可以是实质上完全线性的或实质上完全非线性的，或其组合。此外， 反馈控制器502可以针对每种类型的APD和/或APD卖主存储描述 为曲线("Ml") 680和("M2") 670的独特关系。返回参照图5A，装置500配置为使用在线功率监控器502以促进 对APD 518的增益校准。这里，在线反馈控制器("FC") 504包括 本地数据存储器用于存储偏置偏移，或增益调整值522。偏置偏移配 置为偏移由偏置源("APD电源")506产生的偏置电压("V偏置")。 操作中，可以使用外部校准器520来接收来自放大器514a或514b的 测量信号540。然后，外部校准器520可以在产生增益调整值522之 前确定对应于输入光功率的电流的测量值。这包括选择会提供测量信 号的特定的功率监控级。外部校准器520和在线反馈控制器504用于 在数据存储器中存储增益调准值522。所以，当装置500被从外部校 准器520移除并置于网络中时，在线反馈控制器504可以从由偏置源 506产生的偏置电压加上或减去此值，由此在位设置增益为预定的值。 预定的值通常是提供最佳的APD 518的操作的目标增益值。在一些 实施例中，增益调整值522存储在外部校准器520中或其它地方(未 示出)。在一些实施例中， 一个或多个测量信号是具有表示APD 518 上的入射光功率的值的电压。图7是示出根据本发明的实施例的能够用于校准APD增益的偏置 和APD增益之间的关系的曲线图。如所示，当偏置设置在最小偏置 电压"Vapd(min)"时，对APD，增益是归一的。但是当偏置设置在 最佳偏置电压7(M，"Vapd(叩)"，时，则增益在目标增益值("增益(op)") 702操作。操作时，如果当APD接收光信号时增益在点B，则在一些 实施例中，在线反馈控制器504可以配置为调整增益回到点A。为了 实现这个，在线反馈控制器504可以包括外部校准器520的功能性用 于执行在位APD增益校准。需要注意，电阻516可以代替电阻414。 有利地，这使得电阻516的每一个执行双任务——过滤和电流感测， 由此放弃分别用于滤波和电流感测的独立的电阻。这有助于最小化实 施根据本发明的多个实施例的光接收器所需的电气元件。图8是示出根据本发明的至少一个实施例的用于响应在线功率监 控测量来控制APD的操作的在线反馈控制器的示例的框图。在线反 馈控制器800包括板上校准器("校准器")802、范围选择器804、 温度补偿器806以及安全控制器808。校准器802操作以通过例如调整用于APD的偏置电压来校准APD的增益。范围选择器804配置为 确定和选择要用于监控输入光功率的扩展的范围中的范围。例如，考 虑包括从约一45dBm到约一22dBm和从约一22dBm到约一ldBm的 各自的输入光功率值的第一范围和第二范围。接着，考虑范围选择器 804确定在线功率监控器在测量与约一25dBm的输入光功率相关的 光电流。然后，范围选择器804会选择用于测量光电流的第一范围并 会提供测量的光电流值给例如校准器802用于正确的校准ADP增益。 温度补偿器806配置为针对对APD和其周围区域的温度影响来补 偿诸如增益的操作参数。在一些实施例中，温度补偿器806指示校准 器802调准偏置电压以补偿温度，而在另一些实施例中温度补偿器 806包括直接与APD电源连接的校准逻辑以调准偏置电压。在线反 馈控制器800还可以包括安全控制器808用于确保光接收器(APD 在其中操作)的安全操作。例如，如果输入光功率信号以一些时间间 隔降到某一阈值以下，则光纤光缆可能开口了，由此对人暴露有害的 光。所以，安全控制器808可以启动对与开口相关的光发射器的关闭。 但是安全控制器808还能够配置为保护APD免受危险条件的影响， 比如可能引起对APD的损坏的过电流事件。在这种情况下，设置比 如一3dBm的报警限制以关闭APD电源，以防万一输入光功率信号 超过报警界限。在本发明的多个实施例中，在线反馈控制器800可以 实施示于图8中的元件的任何组合，由此增加、省略或代替这些元件 中的任何一个。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")转换器卯4、数据 存储器906和温度传感器908。通常地，温度补偿控制器902通过例 如调整APD的偏置以保持基本一致的增益作为关于温度的目标增益 来配合对基于APD的光信号探测器的增益稳定。有利地，关于温度 基本稳定的增益提供了用于监控输入光功率的增加的灵敏度，尤其是 在较低光功率水平。没有温度补偿控制器902的话，如果针对温度中 的波动补偿了增益，则光接收器将较不灵敏。温度补偿控制器902配置为调整操作参数，比如是APD偏置电压，通过确定的作为温度和表示例如光电流的测量信号的函数的量。操作中，温度补偿控制器卯2接收光电流测量和温度值。在一些实施例中， 模-数转换器904数字化表示测得的光电流的模拟电压值，尤其是在 在线功率监控器包括多个电流-电压放大器的情况下。在至少一个实 施例中，己知类型的热敏电阻实施温度传感器908，由此，热敏电阻 产生表示测得的温度的信号。接着，温度补偿控制器902测量偏置电 压(即预调整的偏置电压)。在一些实施例中，温度补偿控制器卯2 直接在APD电源测量偏置电压。在另外的实施例中，温度补偿器902 可以作为由模-数转换器卯4提供的光电流测量的函数计算测得的偏 置电压。为了保持关于温度一致的增益，温度补偿控制器902确定目 标偏置电压用于稳定APD增益在针对测得的温度的目标增益。数据 存储器906通常包括多个目标偏置电压(针对特定的目标增益)和多 个温度值之间的关系。这些关系可以是"查找表格"的形式。在至少 一个实施例中，可以通过最优化APD灵敏度水平或在特定温度范围 中光信道的误码率("BER")来确定APD偏置电压和温度之间的最 佳关系。然后，温度补偿控制器902计算测得的偏置电压和目标偏置 电压之间的差异以形成调整量用于修改偏置电压以将它与目标偏置 电压对准。需要注意，温度补偿控制器902可以直接调整偏置电压， 或者它可以指示校准器802这样做。无论如何，温度补偿器902保持 对APD偏置电压的正确的调整以传递针对特定温度的目标增益。图10是描述根据本发明的一个实施例的温度补偿器相对于目标 增益关于温度来稳定增益的精度的曲线图。尤其是，温度补偿器可以 配置为应用目标偏置电压和温度之间的关系以确保关于目标增益 1002近似地+/—0.1(18的精度，此示例中目标增益约为7.8。此精度 可以在许多操作温度范围中提供最佳的设备灵敏度。这样，本发明的 多个实施例的温度补偿器可以相对容易地稳定APD的操作，因为可 以以相对高的精度确定偏置电压、温度和目标增益值之间的关系，与 传统地形成的关系不同。尤其是，偏置电压和温度之间的传统的表达 式表示为根据APD击穿电压的而不是根据目标偏置电压的固定温度 系数的曲线。这是因为，已经比确定对最佳增益水平的温度影响要多地强调了对APD的保护(例如避免击穿电压)。温度系数曲线是基于 温度系数的偏置电压和温度之间的关系，温度系数表示每单位温度电 压中的幅度变化(例如AV/AT)。此外，传统的温度系数和它们的曲 线通常描述对在不同温度的多个最小灵敏度测量的APD的偏置电压， 而不是根据最佳增益值。此外，以这种方式产生传统的温度系数需要 额外的时间量和昂贵的装备来执行误码率("BER")测试系统，例如， 以确定最小的灵敏度水平。因此，使用温度系数将温度与APD偏置电 压相关联的传统的技术不能容易地用于为稳定增益目的将温度与目 标偏置电压相关联。需要注意，在一些实施例中，温度补偿器可以在 至少从一20到+ 50摄氏度的温度范围确保约十/—O.ldB的精度。功 率监控中的此精度(例如峰-峰间约0.2dB)对应于诸如距平均值1002 +/—3%的APD增益设置的精度。在一些示例中，通过保持关于温 度的恒定的APD增益关系来确定APD增益设置的精度。返回参照图9，根据本发明的实施例，数据存储器906配置为保 持多个关系以调整操作参数。在至少一个实施例中，数据存储器906 提供表示温度值和与目标增益值相关的目标电压值之间的关系的数 据。例如，考虑温度补偿控制器卯2通过在至少两个目标电压值(每 一个对应于不同温度的目标增益)之间外推来确定和/或决定关系。 在另一实施例中，数据存储器906提供确定关系所需的数据。例如考 虑温度补偿控制器902通过经由与特定温度对应的单个目标电压值 外延温度系数曲线来确定关系。在温度系数是传统的系数曲线的情况 下，温度补偿控制器902可以配置为移动温度系数曲线用于提供公差 以防止相关的APD在击穿区附近操作。图11表示根据本发明的一个实施例确定温度和目标偏置电压之 间的关系的方法。具体地，曲线图1100描述温度和多个目标偏置电 压Vapd(T)之间的关系1108。可以通过确定不同温度的两个或更多个 目标偏置电压来形成关系1108，其中每个目标偏置电压是在对应的 温度提供最佳增益(即目标增益)的偏置电压。在图11中，三个点 构成关系1108，其中点1102、 1104和1106分别是在温度T1(例如10 。C)、 TO(例如40。C)和T2(例如65。C)的目标偏置电压。给定关系1108，温度补偿控制器可以在任何两个点之间外延以确定任何目标偏置电 压。或者，可以例如在用于由温度补偿控制器访问的数据存储器中在査找表格("LUT")中存储点1102、 1104和1106之间任何数量的居 间目标电压。在一些实施例中，关系1108可以表示APD温度系数曲 线，其将对特定最佳增益值的最佳APD偏置电压或Vapd与温度关联。 通过精确地关联最佳APD电压值(并且从而最佳增益值)，APD温 度系数曲线容许光学接收器于在关于温度的操作期间具有获得精确 的灵敏度的能力。图12示出用于实施形成与本发明的实施例一致的APD温度系数 曲线的方法的示例流程。通常地，通过调整偏置电压V(偏置)直到达 到目标增益值G，流程1200产生APD温度系数曲线。在这种情况下， V(偏置)是V(输入)。在一些实施例中，可以实施如这里描述的在线功 率监控器以在流程1200期间测量V(偏置)。例如，在1202，流程1200 设置V(输出)/V(输入)的比率用于与期望的增益值G比较。在1204， 流程1200设置温度为特定温度值。然后，流程1200通过在1206比 较V(输出)/V(输入)与G (例如，G的真实或近似值)，循环通过1206 和1208，并且如果比较为假，则流程1200继续在1208调整V(偏置)。 一旦确定了 V(偏置)的特定值以提供等于G的比率，则在1212将偏 置电压存储为针对在1204设置的特定温度的目标电压值。需要注意， 可以从最小值到对应于目标APD增益(或最佳增益)的值渐增地调 整APD偏置电压供给。虽然APD设备的卖主通常以好的精度指定 APD的增益，但是卖主提供的增益值是在大量制造的设备上统计地 确定的并且可以在设备之间不同。通过比较，流程1200使得APD设 备的用户更精确地使用每个独特的设备的APD温度系数曲线。图13表示根据本发明的一个实施例确定温度和目标偏置电压之 间的关系的另一方法。具体地，曲线图1300描述温度和多个被移动 的目标偏置电压Vapd(T)之间的被移动的关系1310。可以通过首先在 特定温度(例如，在40摄氏度)确定至少一个目标偏置电压1306 (它 是提供在该温度的最佳增益(即目标增益)的目标偏置电压)来形成 被移动的关系1310。通常地，APD设备的卖主基于在一个温度(例如室温)执行的他们的灵敏度测量提供单个目标偏置电压1306。此 外，对于此方法，通过应用预定的温度系数产生被移动的关系1310 以形成作为关系1302的温度系数曲线，其通过表示为所述一个目标 偏置电压1306的点。APD的卖主典型地提供表示每单位温度电压中 的变化的作为统计地确定的斜率的温度系数。典型的温度系数的示例 是0.05。但是此值可以变化。例如，温度系数可以从诸如0.04的最 小值到诸如0.06的最大值变化。可以设置公差范围1320以排除引起 不确定(由于不精确的温度系数)的Vapd中的可能的变化。为了避 免这些不确定，此方法通过移动关系1302量("V一sh") 1304以确定 被移动的关系1310来形成被移动的关系1310，被移动的关系1310 表示具有预期的公差的为温度系数曲线。有利地，被移动的关系1310 的公差提供安全特征，其防止在使用被移动的关系1310上的目标偏 置电压来关于温度稳定增益在最佳值时，APD进入击穿。图14是根据本发明的实施例的配置为随温度变化多路分配光通 信信号的光接收器的示例。光接收器1400包括配置为形成光信号 1403的多路分配器，每路光信号具有来自被多路分配的光信号1405 的特定波长。光接收器1400还包括所个在线功率监控器("ILPM") 1404，设置于多个偏置源和多个APD之间，多个偏置源和多个APD 都没有示出。在线功率监控器("ILPM") 1404配置为监控在扩展的 范围上的输入功率，并且在一些情况下，调整多个偏置源中的一个的 偏置电压以设定APD的增益为预定的值。光接收器1400包括安全控 制器1406，配置为当用于APD中的一个的对应的输入功率违背了报 警界限时停止在光接收器1400或在光发射器(未示出)产生光信号。 通常地，光接收器1400和其多个在线功率监控器1404包含在外壳 1420中。前述描述，为解释目的，使用特定术语以提供对本发明的彻底的 理解。然而，对本领域技术人员来说，特定的细节对实施本发明不是 必须的是明显的。实际上，此描述不应理解为限定本发明或任何实施 例的任何特征或方面；相反， 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，虽然多个实施例的上述描述涉及APD，但是本发明也可以应用于任何其它类型的光电二极管。因此，为示例和描述目的呈现了本发明的具体实施例的前述描述。它们不是穷举的或限制本发明于公开的精确形式；明显地，基于上述 教义，许多改变和变形是可能的。选择和描述实施例是为了最好地解 释本发明的原理和其实际应用；它们由此使得本领域其它技术人员能 最好地利用本发明和具有适合于设想的特定使用的多个改变的多个 实施例。特别是，不必由本发明的每个实施例实现这里描述的每个益 处；相反，任何特定的实施例可以提供上述的优点的一个或多个。其 意在所附权利要求及其等同物限定本发明的范围。
权利要求
1、一种在线监控装置，用于监控由光信号探测器接收的光信号的输入功率，所述在线监控装置包括配置为接收所述光信号的雪崩光电二极管(“APD”)；配置为提供用于所述APD的偏置的输入端；以及与所述APD并联地耦合到所述输入端并且还配置为产生在位测量信号的功率监控级，其中，所述测量信号表示所述输入功率。
2、 如权利要求1所述的在线监控装置，其中，与所述APD并联 的所述功率监控级减小电流测量路径上的多个设备，该设备否则与 所述APD串联。
3、 如权利要求2所述的在线监控装置，其中，在网络中的数据 通信期间不使用对数放大器产生所述测量信号。
4、 如权利要求1所述的在线监控装置，其中所述功率监控级还 包括在所述输入端和所述APD之间耦合的无源电路元件；以及 跨所述无源电路元件耦合的高阻抗放大器。
5、 如权利要求1所述的在线监控装置，其中，所述功率监控级 提供扩展的范围作为扩展的输入功率范围，在该扩展的范围所述功 率监控级测量所述输入功率。
6、 如权利要求5所述的在线监控装置，其中，所述功率监控级 还包括两个或更多功率监控级以确定所述扩展的输入功率范围，所 述两个或更多功率监控级的每个各别的功率监控级配置为测量所述 扩展的输入功率范围的独立的部分内的输入功率值。
7、 如权利要求6所述的在线监控装置，其中所述两个或更多功 率监控级还包括第一功率监控级，配置为探测低功率光信号作为所述输入功率； 以及第二功率监控级，配置为提供输入光功率水平的线性范围。
8、 如权利要求7所述的在线监控装置，其中，所述第一功率监 控级提供包括线性部分和含有所述低功率光信号的可测量值的范围 的非线性部分的第一范围部分，并且所述第二功率监控级提供另一 线性范围部分。
9、 如权利要求6所述的在线监控装置，其中，所述各别的功率 监控级的每个包括电流感测放大器，配置为响应对所述APD的光电 流的感测来产生所述测量信号，所述电流感测放大器还包括电阻， 用于滤波和电流感测，由此放弃用于分别滤波和电流感测的独立的 电阻。
10、 如权利要求6所述的在线监控装置，其中，所述扩展的输入 功率范围包括第一范围部分，在其中产生所述测量信号的值的第一 子集以校准所述APD的增益，并且还包括第二范围部分，在其中产 生所述测量信号的值的第二子集以确定所述输入功率是否在安全报 警水平。
11、 如权利要求6所述的在线监控装置，还包括在线反馈控制器。
12、 如权利要求11所述的在线监控装置，其中，所述在线反馈 控制器还包括用于存储偏置偏移的本地数据存储器，所述偏置偏移 用于调整所述偏置到目标偏置以给所述APD提供目标增益。
13、 如权利要求11所述的在线监控装置，其中，所述在线反馈 控制器还包括用于存储转变点的本地数据存储器，由此，所述反馈 控制器配置为从所述两个或更多功率监控级选择一个功率监控级用 于接收所述测量信号。
14、 如权利要求13所述的在线监控装置，其中所述在线反馈控 制器选择所述一个功率监控级作为电流值的函数。
15、 如权利要求11所述的在线监控装置，还包括输出端用于提 供所述测量信号给外部增益校准器以产生所述偏置偏移。
16、 如权利要求11所述的在线监控装置，其中所述在线反馈控 制器还包括在位校准器用于校准所述目标增益。
17、 如权利要求11所述的在线监控装置，其中，所述在线反馈 控制器还包括安全控制器，配置为产生表示所述光信号超过了阈值 的报警信号，在该阈值以上所述APD易被所述输入功率损坏。
18、 如权利要求5所述的在线监控装置，其中，所述扩展的输入 功率范围包括至少约一3dBm到—45dBm。
19、 一种方法，用于测量给用于探测光信号的雪崩光电二极管 ("APD")的输入功率，所述方法包括产生表示光电流值的子集的电压的子集；以及 选择所述电压的子集中的一个以提供具有表示光电流的值的测 得的信号；其中，所述光电流值的子集构成扩展的范围，利用此范围监控所 述APD的输入光功率。
20、 如权利要求19所述的方法，其中所述电压的子集包括用于探测低功率输入光信号的电压的子集。
21、 如权利要求19所述的方法，其中所述扩展的范围包括在所 述电压的子集上具有线性关系的所述输入光功率的值。
22、 如权利要求19所述的方法，其中产生电压的子集还包括配 置多个功率监控级以产生所述电压的子集作为测量信号。
23、 如权利要求19所述的方法，还包括响应所述测得的信号调 整所述APD的偏压以提供特定增益。
24、 如权利要求19所述的方法，还包括 将所述测得的信号与报警界限比较；以及 响应所述测得的违背所述报警界限的信号来停止产生光信号。
25、 一种光接收器，配置为至少多路分配光通信信号，所述光接 收器包括配置为形成光信号的多路分配器，每个光信号具有来自被多路分 配的光信号的特定的波长；配置为探测所述光信号的多个雪崩光电二极管("APD"); 多个偏置源；以及设置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；其中，所述在线功率监控器的每一个配置为在扩展的范围中监控 输入功率。
26、 如权利要求25所述的光接收器，其中，所述多个在线功率 监控器的每一个包括两个或更多电流感测放大器，所述两个或更多 电流感测放大器的每一个可用于产生所述扩展的范围的部分。
27、 如权利要求25所述的光接收器，还包括偏置调整器，配置 为至少为所述多个偏置源的一个调整偏置电压，以设置APD的增益 为预定的值。
28、 如权利要求25所述的光接收器，还包括安全控制器，配置 为当所述APD中的一个的对应输入功率违背报警界限时停止产生所 述光信号中的一个。
29、 如权利要求25所述的光接收器，还包括包含所述光接收器 的外壳。
全文摘要
公开了用于监控光信号的输入功率的在线监控装置、光接收器和方法，其中，一个或多个功率监控级例如可以在扩展的输入功率范围中测量输入功率。在一个实施例中，装置包括配置为接收光信号的雪崩光电二极管(“APD”)和配置为偏置APD的输入端。它还包括与APD并联地耦合到输入端的一个或多个功率监控级，用于产生一个或多个在位测量信号。在一实施例中，范围选择器选择一个或多个功率监控级中的哪一个用于提供表示输入光功率的信号。功率监控级可以提供线性电流测量的宽范围以及可测量的电流的范围以监控低功率信号。
文档编号G06F19/00GK101258503SQ200680032728
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