周翔;徐明阳;张久明
【摘 要】电压互感器柜
介绍了光收发模块中APD光接收机的基本组成,提出了设计高灵敏度APD光接收机的关键技术方案,并通过试验进行了测试和验证,测试结论可作为10Gb/s及以下速率数字光收发模块APD光接收机设计方案的有效参考. 【期刊名称】《光通信技术》
【年(卷),期】2015(039)009
【总页数】3页(P30-32)
【关键词】APD光接收机;光接收灵敏度;偏置电压补偿;输入阈值控制 蓄电池恒温箱
【作 者】周翔;徐明阳;张久明
【作者单位】中国电子科技集团公司第三十四研究所,广西桂林541004;中国电子科技集团公司第三十四研究所,广西桂林541004;中国电子科技集团公司第三十四研究所,广西桂林541004
【正文语种】中 文
【中图分类】电路板的制作TN929.11
0 引言
作为光通信系统中的核心器件，光收发模块一直在光通信网络设备中扮演着重要的作用。APD光接收机中的雪崩二极管由于具备光电倍增效应，能在同样大小光的作用下产生比PIN光电二极管大几十倍甚至几百倍的光电流，从而显著提高光接收机的灵敏度（比 PIN光接收机提高约 6～8dB以上[1]），因此，采用APD光接收机的光收发模块在2.5Gb/s及以上速率的长距离光通信系统中得到了非常广泛的应用。然而，雪崩二极管的倍增效应在实现信号光放大的同时也会放大二极管中的暗电流，从而导致倍增噪声大幅提升并直接影响光接收灵敏度。因此，在研制过程中使APD光二极管处于最佳工作状态——最佳增益，同时通过各种手段提升光接收信号的信噪比，以便获得更高的光接收灵敏度一直是APD光接收机研制人员需要解决的重要问题。
1 APD光接收机基本组成
APD光接收机的基本组成如图1所示，其接收端采用经过偏置电压控制的APD光电二极管，通过光/电转换将接收的光信号转换为电信号；电信号通过前置放大器和主放大器进行放大，同时通过增益均衡模块控制主放大器的输出信号幅度，避免造成输出信号的饱和失真；判决再生模块将放大器的输出信号转换为指定格式的电信号对外输出，同时通过时钟恢复单元保证输出电信号的频率稳定度，减小输出电信号的抖动。
图1 APD光接收机基本组成框图
2 高灵敏度APD光接收机实现方案
光接收灵敏度作为光收发模块的核心技术指标，是光接收机设计过程中的重点关注对象。提高APD光接收机接收灵敏度的核心设计思路是提升接收信号的信噪比，相关主要技术途径为保持APD光电二极管工作于最佳增益点、降低前置放大器输入端噪声和主放大器阈值门限设计。
由于目前主流光收发模块为降低前置放大器输入端噪声，均已将前置放大器集成封装于光电探测器管芯内，因此本文不再赘述降低前置放大器输入端噪声的具体实现方法。其余两无尘布激光切割机
条技术途径对应的关键技术为APD光电探测器偏置电压自动补偿技术和主放大器阈值门限控制技术。
2.1 APD光电探测器偏置电压自动补偿技术
获得APD光电接收机高接收灵敏度的首要方法是保持APD光电二极管工作于最佳增益点。由于温度变化会造成APD光电二极管雪崩电压门限的漂移，若不调整偏置电压，将造成雪崩光电二极管暗电流的显著增加和有效光电流的降低[2]，导致APD管工作最佳增益点的漂移，并影响其光接收灵敏度。
光接收机实际设计过程中可通过调整APD光电探测器偏置电压或保持APD光电探测器工作温度两种方法保持APD光电二级管工作于最佳增益点。由于后一种方案需要引入半导体制冷器件及相关配套电路，实现过程复杂且成品体积、功耗均大于普通光收发模块，因此目前主流实现方案均通过实时调整APD光电探测器偏置电压以使APD管工作于最佳增益点。笔者在实际设计中通过MAXIM公司生产的DS1859和MAX15031实现APD光电探测器偏置电压的自动补偿。DS1859是MAXIM公司针对光收发模块应用环境设计的满足SFF-8472标准规定的温控数字电阻，该芯片内含两个50kΩ或两个20kΩ线性可变电阻和一个内部“数字
化”温度传感器，可通过查芯片内部温度寄存器列表，在温度变化时自动改变线性可变电阻的阻值。温度调整梯度为2℃，每个温度梯度下的可变电阻阻值可通过I2C控制总线写入芯片内部的非易失性寄存器中。
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MAX15031是一款具备电流监控功能的升压控制芯片，该芯片内含一个升压变换器，最高输出电压可达76V，可有效满足APD管偏置电压需求，同时该器件具备完善的输出电压监控补偿功能，可通过调整监控端口的阻值分配实现额定输出电压值的快速调整。APD光电探测器偏置电压自动补偿电路25℃时的默认偏置控制电压为45V（实际偏置电压的选择由APD光电探测器基本技术参数决定），当工作温度发生变化时，DS1859根据感应的实际温度，查询非易失性寄存器，并根据查询结果调整并联于MAX15031输出电压反馈端口上的线性可变电阻阻值，MAX15031根据反馈控制端口的阻值变化实时调整其升压变换器的输出电压，从而实现了APD光探测器偏置电压的实时调整。
2.2 主放大器输入阈值控制技术
当光接收机的接收光功率低于光接收灵敏度数值时，主放大通常会停止工作，并对外发送信号丢失指示。实际设计过程中通常在主放大器前端加入输入阈值控制电路，通过该电路
可让主放大器的停止或重新启动存在一定的光功率差异（通常大于1dB），从而避免接收光功率接近光接收灵敏度时出现光接收机频繁启停状况。主放大器前端输入阈值的设定是一个相互权衡的过程，阈值过高会导致光接收机灵敏度的降低，而门限过低也会造成主放大器启停光功率差异过小，影响用户的实际使用，因此需要在设计过程中根据光接收机的实际工作情况进行调整。
笔者在实际设计中选用MAXIM公司生产的MAX3747作为光接收机的主放大器，该器件内含增益均衡模块，可在前端输入信号幅度变化较大的情况下保持输出信号幅度的稳定，最高增益高达57dB。此外，该器件内含输入阈值控制电路，使用中仅需调整阈值控制管脚的工作电压即可实现主放大器输入阈值的调整。
3 试验验证
根据以上基本设计方案及相关关键技术，笔者设计制作了三个光收发模块，模块的接收部分采用APD光接收机，工作速率为2.5Gb/s，并在不同工作温度、不同APD管偏置电压和不同阈值门限的环境下对APD光接收的光接收灵敏度进行测试，测试方案如图2所示，测试结果见表1、表2。
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图2 APD光接收机光接收灵敏度测试图
表1 APD光接收机偏置电压——温度测试记录表备注：阈值电压为-0.8V。样品编号 测试温度偏置电压39V 43V 45V 51V 1-40℃ -32dBm -26dBm -25dBm -25dBm 25℃ -26dBm -29dBm -31dBm -26dBm 85℃ -25dBm -26dBm -28dBm -31dBm 2-40℃ -33dBm -27dBm -25dBm -25dBm 25℃ -26dBm -29dBm -32dBm -28dBm 85℃ -25dBm -25dBm -27dBm -30dBm 3-40℃ -32dBm -25dBm -25dBm -25dBm 25℃ -27dBm -30dBm -31dBm -28dBm 85℃ -25dBm -27dBm -29dBm -30dBm
表2 APD光接收机偏置电压——门限电压测试记录表备注：测试环境温度为25℃。样品编号 阈值电压偏置电压43V 45V 47V 1-0.4V -29dBm -31dBm -28dBm-0.8V -29dBm -31dBm -28dBm-1.2V -29dBm -30dBm -28dBm 2-0.4V -29dBm -32dBm -29dBm-0.8V -29dBm -32dBm -29dBm-1.2V -29dBm -30dBm -29dBm 3-0.4V -30dBm -31dBm -29dBm-0.8V -30dBm -31dBm -29dBm-1.2V -30dBm -30dBm -29dBm
根据以上测试结果，我们分析整理出如下结论：
①APD光电二极管偏置电压对光接收机灵敏度影响显著，合理的偏置电压选择和控制可让APD二极管工作于最佳增益点，从而使APD光接收机获得最佳光接收灵敏度，而偏置电压的选择错误将导致光接收机灵敏度大幅下降，最大劣化高达7dB。因此，在APD光接收机设计过程中需要根据所选用APD光电二极管的工作特性，对其偏置电压进行准确和稳定的控制。
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