專(zhuān)利名稱：使用高增益放大器和均衡電路的高靈敏度光學(xué)接收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光學(xué)接收器，更具體地涉及使用PIN光電二極管的具有提高的 靈敏度的光學(xué)接收器。
背景技術(shù)：
其中光電檢測(cè)器作為接收器元件的光學(xué)接收器是光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵元素之 一。通常，光學(xué)接收器用于將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，典型的光學(xué)接收器包括連接到放大器 (例如，互阻抗放大器)的輸入的光電檢測(cè)器。光電檢測(cè)器將它接收的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為向 放大器提供的電流。放大器然后在其輸出產(chǎn)生與該電流成比例的電壓或電流。光電檢測(cè)器 通常是雪崩光電二極管(APD)或PIN(p-本征-η)光電二極管。隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的近來(lái)的發(fā) 展，光學(xué)接收器(和光學(xué)發(fā)送器)已經(jīng)在速度上提高，通常在比特速率上從622Mbps提高到 2. 5Gbps。最近，開(kāi)始廣泛使用高達(dá)IOGbps的比特速率。光學(xué)接收器的靈敏度通常需要當(dāng)比特速率提高時(shí)保持恒定，使得網(wǎng)絡(luò)不需要為更 高的比特速率而重新配置。例如，使用PIN 二極管的用于比特速率622Mbps和1. 25Gbps的 光學(xué)接收器檢測(cè)能力分別是大約-32daii和-^cffim。另外，用于比特速率2. 5Gbps的光學(xué) 接收器檢測(cè)能力在使用PIN 二極管的情況下是大約46dBm，并且在使用APD的情況下是大 約-32daii。當(dāng)在1. 25Gbps的許多系統(tǒng)被升級(jí)到2. 5Gbps時(shí)，一個(gè)顧慮是在2. 5Gbps的光學(xué) 接收器的弱靈敏度。為了增強(qiáng)接收器靈敏度，經(jīng)常優(yōu)選APD，因?yàn)锳PD與PIN光電二極管相 比具有優(yōu)秀的功率靈敏度。不幸的是，APD通常比PIN光電二極管成本更高并且較不可靠。 另外，APD更難調(diào)整和校準(zhǔn)，這部分地是因?yàn)锳PD的雪崩倍增系數(shù)隨著環(huán)境溫度而改變。因此，期望提供一種光學(xué)接收器，該光學(xué)接收器使用PIN光電二極管，但是具有適 合于用在諸如在例如2. 5和IOGps運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)的高速網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種光學(xué)接收器。所述光學(xué)接收器包括光接收元件，用于將 光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有第一帶寬的電信號(hào)；以及放大器，用于放大所述電信號(hào)。所述放大器具 有第一增益響應(yīng)，所述第一增益響應(yīng)產(chǎn)生小于所述第一帶寬的第二帶寬。所述光學(xué)接收器 還包括均衡電路，其在操作中耦合到所述放大器。所述均衡電路具有第二增益響應(yīng)，所述第 二增益響應(yīng)補(bǔ)償所述放大器的所述第一增益響應(yīng)，使得所述放大器和所述均衡電路通過(guò)所 述第一帶寬向所述電信號(hào)施加基本上恒定的凈增益。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述光接收 元件可以是PIN光電二極管。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述放大器可以是互阻抗放大器(TIA)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述第一帶寬可以對(duì)應(yīng)于2. 5Gbps的信號(hào)比特速率， 并且所述第二帶寬可以對(duì)應(yīng)于1. 25Gbps的信號(hào)比特速率。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述第二增益響應(yīng)可以具有補(bǔ)充所述第一增益響應(yīng)的 頻率依賴性的頻率依賴性。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種前向糾錯(cuò)單元可以在操作中耦合以從所述均衡電 路接收輸出信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述均衡電路可以包括一對(duì)高阻抗跨導(dǎo)放大器，所述 一對(duì)高阻抗跨導(dǎo)放大器被布置為產(chǎn)生相加在一起的輸出電流。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述均衡電路可以具有傳遞函數(shù)，所述傳遞函數(shù)是所 述放大器的零極點(diǎn)傳遞函數(shù)的倒數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用于將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的方法。所 述方法包括檢測(cè)光學(xué)信號(hào)；將所述光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并且向所述電信號(hào)施加增益。 使用放大器來(lái)向所述電信號(hào)施加所述增益，所述放大器具有選定的增益電平，所述選定的 增益電平大于其增益帶寬乘積產(chǎn)生足以在所述選定的增益電平在其完整的頻帶上放大所 述電信號(hào)的帶寬的增益電平。均衡向所述電信號(hào)施加的所述增益使得在所述選定的增益電 平在其完整的頻帶上放大所述增益。


圖1是根據(jù)在此所述的方法和技術(shù)構(gòu)造的光學(xué)接收器的一個(gè)示例的示意框圖。圖2示出用于圖示在帶寬和增益之間的關(guān)系的互阻抗放大器(TIA)的簡(jiǎn)化示例。圖3示出當(dāng)所使用的TIA足以適應(yīng)于2. 5Gbps信號(hào)的全1. 8GHz帶寬時(shí)和當(dāng)在僅 能夠適應(yīng)于1. 25Gbps信號(hào)的900MHz的帶寬下使用TIA時(shí)的2. 5Gbps信號(hào)的增益與頻率。圖4示出圖3的增益與頻率圖，在其上疊加了在圖1中描述的光學(xué)接收器中使用 的均衡電路的頻率依賴增益響應(yīng)。圖5示出可以在諸如在圖1中描述的光學(xué)接收器的光學(xué)接收器中使用的均衡電路 的一個(gè)示例。圖6示出適合于在高比特速率(例如，2. 5Gbps)光學(xué)接收器中使用的TIA的一個(gè) 示例。圖7是根據(jù)在此所述的方法和技術(shù)而構(gòu)造的光學(xué)接收器的另一個(gè)示例的示意框 圖。圖8示出在圖5中描述的均衡電路中使用的負(fù)反饋電路的極點(diǎn)和零點(diǎn)和整個(gè)頻率 依賴響應(yīng)之間的關(guān)系。圖9示出光學(xué)接收器將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的方法的一個(gè)示例。
具體實(shí)施例方式圖1是根據(jù)在此描述的方法和技術(shù)構(gòu)造的光學(xué)接收器的示意框圖。來(lái)自光纖101 的光照射在PIN光電二極管檢測(cè)器102上，產(chǎn)生電流IPD?；プ杩狗糯笃?TIA)103將由光 電二極管檢測(cè)器產(chǎn)生的較小的電流轉(zhuǎn)換為大信號(hào)電壓VTIA，通過(guò)均衡電路104進(jìn)一步處理 該大信號(hào)電壓VTIA以產(chǎn)生輸出到數(shù)字電路(未示出)的電壓VEC?；プ杩狗糯笃?03的兩個(gè)重要的操作特性是其互阻抗增益和其帶寬。在圖2中示 出較簡(jiǎn)單的說(shuō)明性互阻抗放大器?；プ杩狗糯笃?0包括高速運(yùn)算放大器U，該高速運(yùn)算放 大器U具有正(+)和負(fù)(-)輸入和被標(biāo)為Vo-和Vo+的差分輸出。光電檢測(cè)器PD(例如， PIN光電二極管10 連接在偏壓源Vb和運(yùn)算放大器U的負(fù)(-)輸入之間。運(yùn)算放大器U的正(+)輸入連接到地。負(fù)輸出Vo-包括向后處理放大器輸出的電壓，該后處理放大器包 括公共電壓放大器。反饋電阻器Rf連接在負(fù)輸出Vo-和負(fù)(_)輸入之間?；プ杩狗糯笃?電路10的帶寬被定義為Bff = 1/(2 π *Rf*Cin*A)其中，Cin是輸入電容，包括放大器輸入電容和光電檢測(cè)器PD的寄生電容，并且A 是運(yùn)算放大器U的開(kāi)環(huán)增益。帶寬的這個(gè)表達(dá)式表示放大器增益和帶寬之間的公知逆關(guān)系 的實(shí)例。通過(guò)表述放大器的閉環(huán)增益和截止頻率的乘積恒定能夠更精確地表達(dá)這種關(guān)系， 其中所述乘積被稱為放大器的增益帶寬乘積。如上所述，使用PIN光電二極管來(lái)取代APD的在圖1中所示的類(lèi)型的光學(xué)接收器 經(jīng)常不能滿足靈敏度要求，特別是對(duì)于2. 5(ibpS和更高的比特速率而言。通過(guò)提高TIA 103 的增益來(lái)補(bǔ)償在PIN光電二極管的部分上的降低的靈敏度將不足以解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樽?為提高增益的結(jié)果，TIA 103的帶寬將小于用于適應(yīng)于具有2. 5Gbps或更高的比特速率的 信號(hào)所需要的帶寬。圖3示出當(dāng)所使用的TIA足以適應(yīng)于2.5(ibpS信號(hào)的全1.8GHz帶寬時(shí)對(duì)于 2. 5Gbps信號(hào)可以獲得的增益。在圖3中也示出了可以獲得增大的增益，但這是以TIA的帶 寬上的降低為代價(jià)的。在該情況下，TIA的帶寬被降低到900MHz，這足以適應(yīng)于1. 25Gbps 信號(hào)，而不是2. 5(ibpS信號(hào)。不管是否降低了帶寬，通過(guò)進(jìn)一步使用在圖1中所示的均衡電路104，可以使用更 高增益TIA來(lái)放大2.5(ibpS信號(hào)。位于TIA 103下游的均衡電路具有補(bǔ)充TIA 103的頻率 依賴增益響應(yīng)的頻率依賴增益響應(yīng)。傳統(tǒng)上使用諸如均衡電路104的均衡電路來(lái)補(bǔ)償在穿過(guò)諸如電纜的傳輸介質(zhì)時(shí) 信號(hào)上的損耗。即，均衡電路用于抵消(neutralize)電纜的頻率依賴性。因?yàn)檫@個(gè)原因， 均衡電路有時(shí)也稱為電纜或底板均衡器。這樣的傳輸介質(zhì)損耗通常在更高的頻率最大。替代使用均衡電路來(lái)補(bǔ)償傳輸介質(zhì)損耗，在這里，均衡電路用于補(bǔ)償TIA的有限 帶寬。象在圖3中那樣，圖4再一次示出了當(dāng)在能夠適應(yīng)于2. 5Gbps信號(hào)的全1. 8GHz帶寬 的帶寬的情況下使用TIA時(shí)和當(dāng)在僅能夠適應(yīng)于1. 25Gbps信號(hào)的900MHz的帶寬的情況下 使用TIA時(shí)的2. 5(ibpS信號(hào)的增益。在圖4中還示出均衡電路104的增益響應(yīng)。如圖所示， 均衡電路104的非線性增益響應(yīng)補(bǔ)償較高增益TIA的有限帶寬，以便均等地放大2. 5Gbps 信號(hào)中的所有頻率。光學(xué)電路中的均衡電路的使用允許通過(guò)根據(jù)其增益帶寬乘積犧牲帶寬來(lái)在提高 的增益的情況下使用TIA。均衡電路有效地糾正放大器施加到信號(hào)的頻率依賴失真。TIA 設(shè)置SNR(信噪比)，并且當(dāng)你提高增益Z時(shí)，噪聲僅隨著增益Z的根而提高，因?yàn)榉答侂娮?器的熱噪聲看不到放大器的增益。另外，通過(guò)TIA來(lái)確定布置的信噪比(SNR)，因?yàn)榫怆?路的使用不改變輸入相關(guān)的電流噪聲密度。在圖5中示出均衡電路的一個(gè)示例。均衡電路具有作為T(mén)IA的零極點(diǎn)傳遞函數(shù)的 倒數(shù)的傳遞函數(shù)。該電路包括兩個(gè)高阻抗跨導(dǎo)放大器。對(duì)互阻抗放大器的輸出電流進(jìn)行求 和和緩沖。負(fù)反饋電路包含頻率依賴元件，該頻率依賴元件控制整個(gè)電路的頻率依賴增益。 在圖8中示出負(fù)反饋電路的極點(diǎn)和零以及其整個(gè)頻率依賴響應(yīng)之間的關(guān)系。圖6示出適合于在2. 5Gbps光學(xué)接收器中使用的TIA 100的一個(gè)示例。TIA是多級(jí)放大器，可以在諸如CMOS、雙極或GaAs MESFET技術(shù)的任何適當(dāng)處理技術(shù)中實(shí)現(xiàn)該多級(jí) 放大器。在TIA 100中級(jí)聯(lián)三個(gè)增益級(jí)10、20、30。當(dāng)然，可以使用額外的或更少的增益級(jí)。 由光電檢測(cè)器170產(chǎn)生的輸入電流Iin被饋送到第一增益級(jí)10的輸入，該第一增益級(jí)10的 輸出是第二增益級(jí)20的輸入。第一無(wú)源反饋元件25被應(yīng)用在第二增益級(jí)20周?chē)@降低 了 TIA 100的輸出阻抗。第一無(wú)源反饋元件25可通過(guò)電阻器實(shí)現(xiàn)，其可以被實(shí)現(xiàn)為例如η 溝道器件或與電容器并聯(lián)的η溝道器件。通過(guò)在第三增益級(jí)30周?chē)砑拥诙o(wú)源反饋元 件35，可以進(jìn)一步降低TIA 100的輸出阻抗。這進(jìn)一步改善了 TIA 100的穩(wěn)定性。作為由 第一無(wú)源反饋元件25和第二無(wú)源反饋元件35提供的局部負(fù)反饋(degeneration)的結(jié)果， 可以降低輸出阻抗，并且可以改善TIA 100的穩(wěn)定性。此外，通常的反饋元件85可以與第 一增益級(jí)10、第二增益級(jí)20和第三增益級(jí)30并聯(lián)耦合，以進(jìn)一步改善TIA 100的穩(wěn)定性。通過(guò)使用復(fù)制偏置級(jí)40來(lái)產(chǎn)生差分輸出，復(fù)制偏置級(jí)40具有跟蹤TIA 100的DC 點(diǎn)的DC點(diǎn)。復(fù)制偏置級(jí)40被自我偏置，并且復(fù)制反饋元件45位于復(fù)制偏置級(jí)40的輸入 和輸出上。以這種方式，復(fù)制偏置級(jí)40作為偏壓產(chǎn)生器。差分放大器95的第一輸入可以 從三個(gè)增益級(jí)10、20、30接收第一輸出80。差分放大器95的第二輸入可以從復(fù)制偏置級(jí) 40接收第二輸出90。差分放大器95可以作為輸出緩沖器，該輸出緩沖器提供圖1的輸出 信號(hào)VTIA。通過(guò)在第一增益級(jí)10周?chē)┘迂?fù)反饋前饋元件來(lái)向圖6的TIA添加自動(dòng)增益 控制(AGC)。該負(fù)反饋前饋元件可以由運(yùn)算放大器的輸出控制。在一些實(shí)施中，可以期望在均衡電路的輸出布置前向糾錯(cuò)(FEC)單元107，如圖7 中所示。FEC單元107可以用于通過(guò)下述方式進(jìn)一步增強(qiáng)光學(xué)接收器的靈敏度使用位于 由光學(xué)接收器接收的數(shù)據(jù)流內(nèi)的額外的數(shù)據(jù)來(lái)從錯(cuò)誤恢復(fù)。在圖1和7中，通過(guò)相同的附 圖標(biāo)記來(lái)表示相似的元件。圖9示出光學(xué)接收器將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的方法的一個(gè)示例。所述方法通過(guò) 在步驟210檢測(cè)光學(xué)信號(hào)而開(kāi)始。在步驟220，光學(xué)信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在步驟230，諸 如TIA的放大器的增益被設(shè)置為選定的增益電平，該選定的增益電平大于其增益帶寬乘積 產(chǎn)生下述帶寬的增益電平，該帶寬足以以選定的增益電平在其完整的頻帶上放大電信號(hào)。 在步驟MO中，通過(guò)放大器向電信號(hào)施加選定的增益電平。然后在步驟250中均衡施加給 電信號(hào)的增益，使得電信號(hào)在其完整的頻帶上以均勻的增益電平進(jìn)行放大。已經(jīng)描述了用于接收光學(xué)信號(hào)和將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的方法和設(shè)備。通過(guò) 將均衡電路與放大器結(jié)合使用，通過(guò)使用大于如果不使用均衡電路則可能的增益電平的放 大器增益電平來(lái)提高該設(shè)備的靈敏度。以這種方式，可以在設(shè)計(jì)用于在諸如在例如2. 5和 10(ibpS運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)的高速網(wǎng)絡(luò)中使用的光學(xué)接收器中使用PIN光電二極管。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)接收器，包括光接收元件，用于將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有第一帶寬的電信號(hào)；放大器，用于放大所述電信號(hào)，所述放大器具有第一增益響應(yīng)，所述第一增益響應(yīng)產(chǎn)生 小于所述第一帶寬的第二帶寬；均衡電路，所述均衡電路在操作中耦合到所述放大器，所述均衡電路具有第二增益響 應(yīng)，所述第二增益響應(yīng)補(bǔ)償所述放大器的所述第一增益響應(yīng)，使得由所述放大器和所述均 衡電路在所述第一帶寬上向所述電信號(hào)施加基本上恒定的凈增益。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)接收器，其中，所述光接收元件是PIN光電二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)接收器，其中，所述放大器是互阻抗放大器(TIA)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)接收器，其中，所述第一帶寬對(duì)應(yīng)于2.5(ibpS的信號(hào)比特 速率，并且所述第二帶寬對(duì)應(yīng)于1. 25Gbps的信號(hào)比特速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)接收器，其中，所述第二增益響應(yīng)具有的頻率依賴性補(bǔ) 充所述第一增益響應(yīng)的頻率依賴性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)接收器，進(jìn)一步包括前向糾錯(cuò)單元，所述前向糾錯(cuò)單元 在操作中被耦合用于接收來(lái)自所述均衡電路的輸出信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)接收器，其中，所述均衡電路包括一對(duì)高阻抗跨導(dǎo)放大 器，所述一對(duì)高阻抗跨導(dǎo)放大器被布置成產(chǎn)生相加在一起的輸出電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)接收器，其中，所述均衡電路具有傳遞函數(shù)，所述傳遞函 數(shù)是所述放大器的零極點(diǎn)傳遞函數(shù)的倒數(shù)。
9.一種用于將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的方法，包括檢測(cè)光學(xué)信號(hào)；將所述光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；利用放大器向所述電信號(hào)施加增益，所述放大器具有選定的增益電平，所述選定的增 益電平大于其增益帶寬乘積產(chǎn)生下述帶寬的增益電平，該帶寬足以以所述選定的增益電平 在其完整的頻帶上放大所述電信號(hào)；以及均衡被施加到所述電信號(hào)的所述增益，使得以所述選定的增益電平在其完整的頻帶上 放大所述電信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，施加增益的步驟包括將所述電信號(hào)的信號(hào)電 流變換為信號(hào)電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述放大器的帶寬對(duì)應(yīng)于1.25(ibpS的信號(hào)比特 速率，并且所述電信號(hào)的完整頻帶對(duì)應(yīng)于2. 5Gbps的信號(hào)比特速率。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，通過(guò)均衡電路來(lái)均衡所述增益，所述均衡電路 具有傳遞函數(shù)，所述傳遞函數(shù)是所述放大器的零極點(diǎn)傳遞函數(shù)的倒數(shù)。
13.一種光學(xué)接收器，包括光接收元件，用于將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有第一帶寬的電信號(hào)；放大器，用于在向所述電信號(hào)施加頻率依賴失真的同時(shí)放大所述電信號(hào)；以及均衡電路，所述均衡電路在操作中耦合到所述放大器，所述均衡電路具有頻率依賴增 益響應(yīng)，所述頻率依賴增益響應(yīng)降低了向所述電信號(hào)施加的所述頻率依賴失真。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)接收器，其中，所述均衡電路的所述頻率依賴增益響應(yīng)補(bǔ)償所述放大器的增益響應(yīng)，使得由所述放大器和所述均衡電路向所述電信號(hào)施加基本 上恒定的凈增益。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)接收器，其中，所述光接收元件是PIN光電二極管。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)接收器，其中，所述放大器是互阻抗放大器(TIA)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)接收器，進(jìn)一步包括前向糾錯(cuò)單元，所述前向糾錯(cuò)單 元在操作中被耦合用于接收來(lái)自所述均衡電路的輸出信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)接收器，其中，均衡電路具有傳遞函數(shù)，所述傳遞函數(shù) 是所述放大器的零極點(diǎn)傳遞函數(shù)的倒數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光學(xué)接收器，其中，所述TIA具有900MHz的帶寬。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光學(xué)接收器，其中，所述均衡電路的所述頻率依賴增益響 應(yīng)在900MHz和1. 8GHz之間減小了向所述電信號(hào)施加的所述頻率依賴失真。
全文摘要
一種光學(xué)接收器包括光接收元件，用于將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有第一帶寬的電信號(hào)；以及放大器，用于放大電信號(hào)。放大器具有產(chǎn)生小于第一帶寬的第二帶寬的第一增益響應(yīng)。光學(xué)接收器還包括均衡電路，其在操作中耦合到放大器。均衡電路具有第二增益響應(yīng)，其補(bǔ)償放大器的第一增益響應(yīng)，使得放大器和均衡電路通第一帶寬電信號(hào)施加基本上恒定的凈增益。
文檔編號(hào)G02F1/29GK102077137SQ200980124179
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2009年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者弗朗西斯·J·卡拉布雷西, 戴維·B·鮑勒爾, 賈森·G·盧克 申請(qǐng)人:通用儀表公司