专利名称：雪崩光电二极管偏压的控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及雪崩光电二极管(APD)的控制。具体地，本发明涉及光通信电路中APD的控制。
APD被广泛地使用于光通信，用来把光数据变换成电信号。接收的光信号中的起伏被变换成传送到APD器件的电信号中的共鸣起伏。
在光通信系统中，与在任何通信系统中一样，噪声是影响性能的重要因素。到达APD的光信号可能已经传送通过许多公里长的光纤和几个相关的光放大器。所以，将有聚集的噪声。除了进入的噪声分量以外，APD本身也产生构成由APD输出的信号中的总噪声的电噪声。由APD产生的噪声被叠加在由进入的光信号生成的、在器件中的电流起伏上。
APD被反向电压加偏置，以便正确地起作用。反向电压或偏置电压是其负端连接到APD阳极而其正端连接到阴极的电源。偏置使得当没有光入射时器件中流过小的泄漏电流。流过的电流随入射的光强度增加而增加。重要的是对于良好的APD性能要选择最佳偏压。
选择最佳偏压是困难的。偏压在各个器件间变化，不单在制造商间变化，而且也在特定的批量内变化。因此，当器件第一次制造时，必须精确地设置偏压。而且，最佳偏压值随温度变化。偏压电路所以必须监视本地温度，并随之调节偏压。
为了在工作温度范围上得到良好的结果，必须在制造时设置校正电路的温度系数。
还出现另一个问题，即APD特性随老化而稍微改变。这可导致加上非最佳偏压。
某些现有的APD偏置电路按照进入的信号强度来改变偏压。然而，所提供的性能改进往往很小。
通过考虑光电二极管的性质可较好地理解偏压控制的问题。在传统的非雪崩式光电二极管中，入射光的光子被该器件的光敏部分吸收。对于每个光子吸收，有适当的机会使得附近的电子将接收该能量的全部或某些部分。如果适当的电子接收足够的能量，则电子可以使它自己不受它的硅原子的约束，并变为移动的电荷载子，可以从原子到原子地通过器件的晶体结构行进。在把电场加到该器件后，电荷载子将向二极管的正端行进，在那里该电荷载子被吸收，把它的电荷交给外部电路，并导致电流脉冲。如果器件的光敏部分暴露在稳定的照射下，则将有连续的电荷载子流，所以，在外部设备中有电流。
器件的光敏感性是通过加上内部电场造成的，所以需要在二极管两端加上电压。由于器件被使用来把入射光变换成电流，所以二极管上的电压偏置必须是在非导电方向或在相反方向上，这样，所生成的电流仅仅是由于入射光造成的。
在雪崩光电二极管中，工作区很薄以及偏压特别高，在器件内产生相当高的电场强度。由入射光子产生的电荷载子向正端快速地加速行进，从而得到能量。如果它们与另一个原子碰撞，则它们可能得到足够的能量，以解放两个或多个电子。这些新解放的电子成为电荷载子，并向阳极加速行进。每个电子可能又会与其他原子碰撞，并解放另外的两个或多个电子，从而提供电荷载子的雪崩，以及放大入射光子的效应。
由光子解放的电荷载子的数目被称为APD的增益M。如果考虑到一个光子解放单个载子，该载子加速和解放另外的两个载子。那些载子中的每个载子又加速和解放另外的两个载子，从而总共造成四个。如果在到达阳极之前有10次这样的碰撞，则将有1024个电子把它们的电荷释放到达外部电路，这样，APD增益或所展现的倍乘因子是1024。
该增益取决于偏压和温度，以及是高度非线性的，正如在
图1上看到的，图1中画出对于工作在三个温度，25℃、50℃和75℃的器件的增益对偏压的曲线。增益轴是对数。
将会看到，所描述的雪崩过程在性质上是随机的，这造成器件内的各种高频噪声源。噪声的生成对于M的数值，从而对于偏压和温度，是特别敏感的。
如果考虑具有诸如光缆的光纤输送机制、APD器件和低噪声高频放大器的系统，该放大器被称为跨阻抗放大器(transimpedanceamplifier)，因为它把电流起伏变换成电压信号。可以证明，最佳性能是在以下条件时达到的NT＝NF+NA
其中NT是由于跨阻抗放大器造成的噪声贡献，NF是由于光纤造成的噪声贡献，和NA是由于APD器件造成的噪声贡献。所有的图应当涉及到系统的同一个位置，也就是放大器输出端。NT是常数，NF取决于进入的光信号，所以是在光接收机的控制之外的。因此，所依据的是最佳性能只能通过调节NA来达到，而NA的调节又是通过调节APD器件上的偏压达到的。
记住在APD器件中的偏置控制的重要性以及在达到偏压的最佳控制时的问题和困难，因此需要一种改进的APD偏压控制。本发明的目的是解决这种需要和以上讨论的问题和困难。
本发明在于使用信号中测量的误码率，以通过使用反馈环来设置偏压。
更具体地，提供了一种在包括前向纠错的光通信系统中用于控制雪崩光电二极管的偏压的方法，该方法包括测量由雪崩光电二极管从光信号变换的电信号中的误码率，以及调节加到雪崩光电二极管的偏压，使得电信号中的误码率最小化。
本发明还提供在包括前向纠错(FEC)的光通信系统中用于控制雪崩光电二极管(APD)的偏压的设备，该设备包括误码率测量器，用于测量由APD从光信号变换的电信号中的误码率；以及调节电路，用于调节加到APD的偏压，使得测量的误码率最小化。
本发明的实施例具有这样的优点APD偏压可以在正常工作条件下最佳化或接近于最佳化。它去除了对于在制造期间精确地建立APD电压的需要，也去除了对于高度精确的和温度补偿的APD电压源的需要。
优选地，在多个采样周期上测量误码率，以及作出该误码率是随时间增加还是减少的确定。通过在几个采样周期上作出此确定，该误码率中的短期起伏不影响该偏压设定。
优选地，通过每个采样周期递增的计数器值，来设置偏压。如果误码率不断增加，则改变计数方向。这样，计数值趋于偏压的最佳值。优选地，计数器初始地被设置在中点。
优选地，采样间隔是可变的。这可以是根据测量的误码率，由此当偏压离最佳值很远时快速地改变偏压，而当它接近于最佳值时较慢地改变它。
本发明的优选实施例包括脉冲计数器，它计数在由选通时钟设置的时间间隔上由前向纠错器检测到的错误。在每个新的间隔处，现有的脉冲计数值被切换到存储装置，以及脉冲计数重新开始。在已经存储多个计数值后，例如已经存储6个计数值后，判决逻辑通过使用算法来确定误码率是正在增加还是减小。一个加法减法计数器被设置在中点位置以及用来确定该偏压的数值。在每个时间间隔，计数值被递增或递减。如果确定误码率正在增加，则改变计数方向。如果误码率正在减小，则不改变计数方向。计数器的输出被D/A变换器变换成模拟信号，以及形成加到APD的偏压。
现在参照附图，仅仅作为例子，来描述本发明的实施例，图上图1，以上提到的，是工作在在三个温度下的APD的增益对偏压的曲线图；图2是显示使用APD和前向纠错的光通信网络的一部分的示意表示；图3是采用本发明的系统的方框图；以及图4是显示如何可使得偏压最佳化的流程图。
图2示意地显示光网络(例如载送32信道DWDM(密集波分复用)信号的二光纤10GHz光网络)的一个节点的分出侧。光的DWDM信号由信号分路器12从网络分离出，以产生分出的信号输出14。分路器的其他输出是通过标记为T的业务量，该业务仍旧保持在网络上。分出的信号被传送到32:1分路器16，后者把信号分割成32个分开的信号。所显示的其余电路只施加到其中一个输出上，虽然实际上它对于每个信道是重复的。
来自信号分路器16的输出被输入到可调谐的滤波器20。该滤波器实际上是机械部件，它的中心频率由伺服电动机控制。
滤波器18的输出是单信道光信号，该光信号被输入到接收机22，接收机包括APD 23，它把光信号变换成电信号，然后电信号被输出供进一步处理，且最终被传递到最终用户。
进一步处理的一部分是纠错。众所周知，在光通信网络中使用前向纠错作为纠正数据错误的手段。按照多种编码算法之一，把冗余编码度引入到数据流。一个这样的算法是里德-所罗门(Reed-Solomon)算法，它是基于块的纠错码，该纠错码对K个数据码元的数组编码作为输入，以及返回N码元的数组。当工作在10GHz环境中时，Reed-Solomon编码器将把9.9Gbps的码元流变换成10.7Gbps流。
来自接收机22的电输出被传送到包括两个主要部分的前向纠错(FEC)芯片24。译码器26译码电的数据码元，以及校正器28，它在来自译码器26的校正数据的控制下工作，校正译码的数据。校正的数据然后输出到它的打算的目的地。
FEC具有对于最终用户是透明的优点。我们看到，如果码元流中误码率变化，则只要误码率不过大，错误就将被纠正以及最终用户将不知道误码率的起伏。我们还看到，可以监视误码率的改变，以找出用于APD 23的最佳偏压。
因此，在图2上，来自译码器的错误脉冲29提供加到控制单元30的输入，该控制单元输出一个信号，该信号在被数字-模拟变换器DAC32变换后提供偏压Vb给雪崩光电二极管23。
图3更详细地显示图2的控制器30。从FEC芯片接收的错误脉冲相应于已被检测的数据错误，以及该错误将在被传送到最终用户之前被纠正。选通时钟34(图2上未示出)提供确定当电路重新估计它的内部计算时的时间点的周期性记号(tick)。
错误脉冲首先由脉冲计数器36在时钟记号之间计数。在每个时钟记号，当前的计数器值被传送到历史存储装置38。计数器36然后被复位，用于下一个计数间隔。存储装置38记录最新的错误计数值。存储装置可以是基于移位寄存器结构，虽然其他的结构也是可能的。在每个时钟记号，它移入来自脉冲计数器的最新的样本并丢弃最老的样本。典型地，存储装置将保持6个最新的样本，虽然也可以使用其他数值。
判决逻辑40被使用来确定错误计数值随时间过去是正在增加还是减小。这可以以任何方便的方式完成，虽然一个当前的优选方法是一个使用六个接连样本和对于样本E1到E6(其中E1是最新的)的简单高斯滤波器的算法。误码率将正在增加，在这种情形下，如果满足以下条件，性能将变得更坏变得更坏(E1+2E2+E3)＞(E4+2E5＝E6)。
结果“变得更坏”是布尔量，且它是真或假(1或0)。在每个时钟记号，真值使得双稳电路(toggle)级42改变状态，而假值使得双稳电路保持不变。双稳电路级输出到加法/减法计数器44，该计数器也按时钟34进行计时，并根据双稳电路级的值而加法或减法计时。增加的误码率因此将使得计数器在每个时钟记号处改变方向，而下降或一致的误码率将使得计数器保持以同一个方向斜坡前进。
当前的计数值被DAC 32关连到模拟偏压Vb，然后把这个偏压加到APD阳极。计数器33将被设置为初始值，该初始值提供偏压，并按照双稳电路状态在每个时钟记号被加增量或减增量。
控制环的响应速度由选通时钟34的速度和用于记号间隔的加法/减法计数器的尺寸和N比特加法/减法计数器以及N比特D/A变换器32被确定。把APD电压从它的中点值改变到偏移极端值将花费2N-1t秒。因此，8比特计数器和50ms的采样范围将花费6.4秒来执行该偏移。环路的目的是精确地微调依赖于慢移动或静态参数的电压，这样，长的时间常数是可接受的。
脉冲计数器36必须被选择为具有足够大的尺寸，以便在与正常的系统运行一致的最坏可能的误码率的情形下捕获足够的错误。该系统可包括误码率监视器(未示出)，它可识别过大的误码率条件。
初始地，加法/减法计数器被设置在它的中点值。这允许在初始设置点以上和以下的相等的微调。这使得能够呈现给APD器件一个典型的工作偏压。
如果故障条件发展，则误码率可增加到太高的值，以致于不能使系统得到实际的性能指示。如果检测到这样的高的误码率。来自DAC32的输出电压可被预先设置为中点值。这可以在误码率监视器的控制下达到。
过大的偏压或过大的电流可损坏灵敏的和昂贵的APD，并且可以使用控制器来限制这些参数处在安全的工作值。
图4显示以上描述的过程的流程图。在步骤100，设置初始偏压为典型的中点值。这可以从查找表得出。在步骤102，来自FEC芯片的错误脉冲由脉冲计数器36进行计数。在步骤104，在下一个记号，把计数器的内容传送到存储装置30。步骤102和104连续地重复进行。在6次计数后，判决逻辑在106处应用上述的算法来确定误码率是否正在变坏。如果是的话，则在108，改变双稳电路状态以及改变加法/减法计数器44的计数方向。在步骤110，读出加法/减法计数器44的输出，并把它传送到DAC，以便把它作为偏置控制电压加到APD。
在描述的实施例中，APD偏压通过在定期的间隔的、小的试探的电压和在先前的和当前的样本中监视的FEC误码率被调节。作出关于错误性能是变得更好还是变得更坏的判决。如果正在变得更坏，则电压增量的极性被调节。
本发明的实施例具有这样的优点，由于APD不管温度改变或老化效应如何将总是以最佳或接近最佳的偏压工作时，所以总体系统性能可得以提高。结果，不需要在制造期间精确地设置APD或不需要高精度的和温度补偿的APD偏置电压源。
所描述的实施例可以在不背离本发明的范围的条件下以各种方式进行修正。例如，可以使用可变的记号速率或时钟。这具有加速初始收敛到最佳偏压而当接近于正确的最佳偏压时提高分辨率，从而提高精确度的优点。当错误计数很高时可以使用短的记号速率，从而把电路快速推到它的最后的解。当误码率很低时，电路可被精确地轻推到它的最终的收敛值。可以使用多速率。
在一个实施例中，可以使用10、20、40、80和160ms的时钟速率。如果在一个时钟间隔内不断地遇到大于32个错误，则把该间隔减半，如果该间隔还不是最低的话。如果在该时钟间隔内计数小于8个错误，则把该间隔加倍，如果该间隔还不是最高的话。当然，也可以使用其它值。
在另一个修正中，如果没有计数到错误，则可以禁止加法/减法计数器。这防止围绕最佳工作偏压的不断地振荡。如果达到无错误运行，则环路将被冻结，以及无错误运行将保持，直至外部条件改变为止。
在不背离仅仅由以下权利要求限制的本发明的条件下，本领域技术人员将有可能作出各种其他修正。
权利要求
1.一种在包括前向纠错的光通信系统中控制雪崩光电二极管的偏压的方法，该方法包括测量由雪崩光电二极管从光信号变换的电信号中的误码率，以及调节加到雪崩光电二极管的偏压，以使得电信号中的误码率最小化。
2.按照权利要求1的方法，其中在多个采样周期上测量误码率，以及确定误码率是正在随时间增加还是减小。
3.按照权利要求2的方法，其中由计数器的值确定该偏压，该计数器的值在每个采样周期被递增或递减，包括如果误码率正在随时间增加，则包括改变计数器的计数方向。
4.按照权利要求3的方法，包括如果误码率是零，则禁止时钟的运动。
5.按照权利要求2，3，或4的方法，其中采样周期由时钟记号确定。
6.按照权利要求5的方法，其中在时钟记号之间的间隔是可变的。
7.按照权利要求6的方法，其中在时钟记号之间的间隔根据测量的误码率而变化。
8.按照权利要求6到7的方法，还包括多个可能的间隔长度，其中如果误码率低于第一水平，则增加所选择的间隔，而如果误码率高于第二水平，则减小所选择的间隔。
9.在包括前向纠错(FEC)的光通信系统中用于控制雪崩光电二极管(APD)的偏压的设备，该设备包括误码率测量器，用于测量由APD从光信号变换的电信号中的误码率；以及调节电路，用于调节加到APD的偏压，使得测量的误码率最小化。
10.按照权利要求9的设备，其中调节电路包括判决逻辑，用于确定误码率是正在随时间增加还是减小。
11.按照权利要求10的设备，其中调节电路包括计数器，该计数器的值确定偏压电平，以及用于在判决逻辑确定误码率正在增加的情况下改变计数方向的装置。
12.按照权利要求11的设备，其中用于改变计数方向的装置是双稳电路。
13.按照权利要求11的设备，还包括数字-模拟变换器，用于把计数器值变换成模拟APD偏压。
14.按照权利要求10到13的任一项的设备，其中调节电路包括错误脉冲计数器，用于计数在预定的间隔上的错误脉冲，以及存储装置，用于保存在多个较早先的间隔内的错误计数值。
15.按照权利要求14的设备，其中判决逻辑对被保存在存储装置中的错误计数值操作。
16.按照权利要求14或15的设备，还包括用于改变其间测量错误脉冲的间隔的装置。
17.按照权利要求16的设备，其中间隔改变装置根据误码率而改变该间隔。
18.按照权利要求16或17的设备，其中间隔改变装置在多个不同的间隔长度之一之间改变该间隔。
19.按照权利要求11的任一项的设备，包括禁止器，用于在测量的误码率是零的情况下禁止计数器的运动。
全文摘要
光通信系统使用前向纠错(FEC)来纠正在由系统载送的信号中的错误。系统的光信号在节点处被分出，以及在节点接收机处通过雪崩光电二极管(APD)被变换成电信号。一个FEC芯片对该电信号操作以便纠错。误码率被使用来控制APD偏压，该偏压影响信号噪声，所以影响误码率。在预定的间隔内的错误被计数，以及作出误码率是否随时间上升的判决。偏压是从在每个间隔被递增其计数的计数器的值得出的。如果误码率上升，则改变计数方向。
文档编号H04B10/00GK1698294SQ03805936
公开日2005年11月16日 申请日期2003年3月11日 优先权日2002年3月14日
发明者P·尼科尔斯, G·布特勒 申请人:马科尼英国知识产权有限公司