專利名稱：用于超快低功率光電探測器的動態(tài)阻抗接收器電路的制作方法
用于超快低功率光電探測器的動態(tài)阻抗接收器電路
背景技術(shù)：
光通信系統(tǒng)能夠通過在介質(zhì)中傳播的光而在兩個點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)。該介質(zhì)可以是 諸如用在光纖線路中或者芯片內(nèi)部的或芯片至芯片的光鏈路中的波導(dǎo)。諸如在自由空間光 通信系統(tǒng)中，該介質(zhì)可以是自由空間，所述自由空間光通信系統(tǒng)在不使用波導(dǎo)的情況下通 過從一個點(diǎn)到另一個點(diǎn)的光傳輸數(shù)據(jù)。光通信系統(tǒng)正越來越多地用在高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用 中。這些系統(tǒng)中的一些要求大范圍的基礎(chǔ)設(shè)施，諸如光纖地面線路，而這些系統(tǒng)中的另一些 要求制造好的芯片(fabricated chip)或者最小的電路，諸如片上鏈路或者自由空間系統(tǒng)。 特定的應(yīng)用可能規(guī)定采用哪種光鏈路來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。光通信系統(tǒng)使用發(fā)射器電路將信號從信號轉(zhuǎn)換成光信號，并且通過介質(zhì)把它發(fā)送 到接收器電路。由于紅外波長的以比其它波長小的衰減和色散被傳輸通過介質(zhì)的能力，這 樣的系統(tǒng)可以使用紅外光，但是在理論上可以使用適合于光傳播通過的介質(zhì)的任何波長。


附示了本文所描述的原理的各種實施例，且所述附圖是說明書的一部分。所 圖示的實施例僅僅是示例，而并不限制權(quán)利要求的范圍。圖1是根據(jù)本文所描述的原理的實施例的光通信鏈路的框圖。圖2是根據(jù)本文所描述的原理的實施例的光接收器電路的示意圖。圖3是根據(jù)本文所描述的原理的實施例的光接收器電路對光輸入的響應(yīng)的曲線 圖。圖4是根據(jù)本文所描述的原理的實施例的光接收器電路的示意圖。圖5是根據(jù)本文所描述的原理的實施例的光信號中的多個脈沖的曲線圖。圖6是根據(jù)本文所描述的原理的實施例的光接收器電路對光輸入的響應(yīng)的曲線 圖。貫穿附圖，同樣的附圖標(biāo)記指示相似的但未必同樣的元素。
具體實施例方式
本說明書涉及光傳輸系統(tǒng)，更特別地涉及用于在能夠以高比特率接收光傳輸?shù)耐?時使功耗最小化的光接收器電路。在各種實施例中，接收器電路包括用于接收光信號的光 電探測器和使得該電路的輸入阻抗值基于該接收器電路的充電階段或者放電階段而變化 的動態(tài)阻抗。 如在本說明書中和所附權(quán)利要求中所使用的，術(shù)語“光通信鏈路”(光鏈路)是指使 用在介質(zhì)中傳播的光在兩個點(diǎn)之間、通常在發(fā)射器或者驅(qū)動器電路(驅(qū)動器)和接收器電路 (接收器)之間傳輸數(shù)據(jù)的通信的系統(tǒng)。取決于特定應(yīng)用中所使用的光鏈路，這樣的系統(tǒng)可 能能夠在大的距離或者短的距離上傳輸數(shù)據(jù)。在自由空間光通信系統(tǒng)中，例如距離和連接 速度可能根據(jù)大氣條件而改變。雪、雨、霧、污染或者其它條件可能中斷光信號或者可能導(dǎo) 致光信號中的光子的額外的散射，從而降低傳送比特率。在一些光鏈路中，驅(qū)動器和接收器之間的長的距離可能導(dǎo)致大量的散射，從而使得到達(dá)接收器的光子的數(shù)目被高度衰減從而 需要放大以產(chǎn)生可用的信號。信噪比也可能太低以至于無法區(qū)分實際的信號和可能經(jīng)由各 種電路部件或者大氣條件而被引入該系統(tǒng)中的噪聲。在特定應(yīng)用中，光通信系統(tǒng)可以使用紅外光將數(shù)據(jù)從驅(qū)動器傳輸?shù)浇邮掌鳌Ｔ诹?一應(yīng)用中，光通信鏈路可以使用諸如紅光激光器或者發(fā)光二極管的可見光將數(shù)據(jù)從驅(qū)動器 傳輸?shù)浇邮掌鳌Ｔ摴馔ㄐ沛溌房梢栽趥鬏斅窂降膬啥颂幎技劝?qū)動器又包括接收器，以 使得光通信鏈路能夠在兩端處進(jìn)行通信(發(fā)射和接收)。如在本說明書中和所附權(quán)利要求中所使用的，術(shù)語“驅(qū)動器”是指連接到信號源的 部件，其能夠把來自信號源的信號轉(zhuǎn)換成光信號(如果需要的話)以及能夠通過光通道在一 距離上對該光信號進(jìn)行傳輸。術(shù)語“接收器”是指這樣的部件其能夠接收來自驅(qū)動器的光 信號并把該光信號轉(zhuǎn)換成連接到該接收器的輸出的其它部件或者電路可用的另一信號(通 常是電信號)。如在本說明書中和所附權(quán)利要求中所使用的，術(shù)語“光電探測器”是指光敏部件， 其能夠把來自光信號的光子能量轉(zhuǎn)換成電能量。光電探測器起到依賴于光電探測器接收的 光信號的強(qiáng)度的電流源的作用。用在光鏈路中的常見的光電探測器包括光電二極管。可以 使用PN或者PIN結(jié)來創(chuàng)建光電二極管。PN結(jié)具有鄰近η型半導(dǎo)體區(qū)的ρ型半導(dǎo)體區(qū)。PIN 結(jié)是包括P型區(qū)和η型區(qū)之間的本征半導(dǎo)體區(qū)的結(jié)。P型區(qū)和η型區(qū)可以用于歐姆接觸。 該光電探測器具有由于該結(jié)的原因而引起的相關(guān)聯(lián)的電容，且被設(shè)計成能夠存儲來自所接 收的光信號的特定數(shù)量的電荷。在下述描述中，為了解釋的目的，闡述了眾多具體細(xì)節(jié)以便提供對本系統(tǒng)和方法 的透徹理解。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯然的是，在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下也可以 實現(xiàn)本設(shè)備、系統(tǒng)和方法。在此說明書中對“實施例”、“示例”或者類似語言的提及意味著 結(jié)合該實施例或者示例所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或者特性被包括在至少該一個實施例中， 但是未必在其它實施例中。在該說明書中的各個地方中的短語“在一個實施例中”或者類 似短語的各種實例未必都指相同的實施例。圖1是光鏈路100的框圖。該系統(tǒng)100包括在光傳輸通道125的第一端110處的 驅(qū)動器105和在第二端120處的接收器115。該傳輸通道125可以包括自由空間光信號、波 導(dǎo)或者光纖。驅(qū)動器105連接到產(chǎn)生信號以供傳輸?shù)男盘栐?30。該信號源可以是電源，在 這種情況下，該驅(qū)動器105具有把電信號轉(zhuǎn)換成光信號的能力。該電信號當(dāng)由驅(qū)動器105 處理時可以按照電流來表示。驅(qū)動器105自身可能能夠把電壓表示的信號轉(zhuǎn)換成電流表示 的信號。信號源130可以產(chǎn)生供傳輸?shù)焦怄溌?00的第二端120的數(shù)據(jù)信號，以使得該數(shù) 據(jù)可以在第二端120處被處理。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以是能夠用電流表示的任何類型的數(shù)據(jù)，包 括文件傳送、流數(shù)據(jù)或者要求高傳輸安全性的數(shù)據(jù)傳送。在一些光鏈路中，紅外激光二極管可以由電流提供能量，不過也可以使用其它發(fā) 光裝置。隨著電流流入激光二極管中，該激光二極管產(chǎn)生通常與流入該激光二極管中的電 流值成比例的光信號。例如，流動通過激光二極管的較高量的電流產(chǎn)生具有較高強(qiáng)度的光 信號。為了較佳的信噪比，可以把驅(qū)動器105優(yōu)化成產(chǎn)生高強(qiáng)度光輸出。與具有較低強(qiáng)度的 光輸出相比，高強(qiáng)度光信號能夠以較低的數(shù)據(jù)比特率損失傳輸?shù)酶h(yuǎn)，這是因為當(dāng)信號到達(dá)第二端120處的接收器時高強(qiáng)度光信號更可能在信號束的中心處具有較高的光子濃度。 透鏡或者其它裝置可以用在兩端110、120處，以使傳輸通道125的輸出變窄從而使得產(chǎn)生 傳輸通道125的最小量的散射，以及使所接收的信號聚焦在該光電探測器上。接收器115與驅(qū)動器105對準(zhǔn)以使得該接收器115從光傳輸通道125接收最大數(shù) 目的光子。接收器115然后把傳輸通道125轉(zhuǎn)換成電信號。接收器115還連接到附加電路 135以使得所接收的數(shù)據(jù)可以被處理和使用。該附加電路可以包括數(shù)據(jù)存儲器；輸出介 質(zhì)，諸如顯示器、揚(yáng)聲器或者打印機(jī)；處理器；邏輯；和/或用于利用所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的其它電 路。圖2是依據(jù)在本說明書中所描述的原理要使用的接收器115的簡單電路圖。該接 收器115包括光電探測器200，這里光電探測器200由電流源205和電容器210表示。使該 光電探測器200暴露于光信號的光子，該光電探測器隨后將光信號的光子轉(zhuǎn)換成電流。光 電探測器200除了具有附連到該光電探測器的任何電導(dǎo)線的接觸電阻之外，還具有與該光 電探測器的大小和形狀相關(guān)聯(lián)的固有電容。光電探測器200可以是分立部件或者它可以是 除了其它電路之外與接收器115的其它部件一起制造在晶片上的集成的光電探測器。由于光在驅(qū)動器和接收器之間的散射以及驅(qū)動器和接收器之間的距離的原因，在 接收器處接收的光傳輸通道通常被高度衰減。一些現(xiàn)有技術(shù)解決方案包括用于將輸入信號 放大到理想的電壓/電流值的跨阻抗放大器。然而，這些接收器通?；蛘咭笤谠试S跨光 電探測器的大電壓累積和該探測器電容的快速放電之間進(jìn)行折衷，或者要求附加的功率以 對小的信號進(jìn)行放大。快速接收器主要用于高速光應(yīng)用，而該速度依賴于探測器電容的放 電速度。許多現(xiàn)有技術(shù)的接收器常常具有小的、固定的輸入阻抗，這增加了對進(jìn)行放大以供 后續(xù)處理的需要。例如，接收器輸入阻抗的典型電阻是50歐姆。流動通過50歐姆的電阻 器的非常小的電流產(chǎn)生非常小的電壓值，并且難以在后續(xù)級中準(zhǔn)確地進(jìn)行處理。為了解決 此問題，現(xiàn)有技術(shù)的很多傳統(tǒng)解決方案在信號被接收之后包括若干放大級以使得該信號可 以被后續(xù)的電路級適當(dāng)?shù)厍覝?zhǔn)確地利用。接收器的小輸入阻抗的優(yōu)點(diǎn)在于由電阻和電容引起的延遲時間常數(shù)允許在接收 到來自光信號的脈沖之后該光電探測器中的電容快速地放電。因此，具有以下這樣的動態(tài) 電阻是有利的該動態(tài)電阻在接收器處于充電階段時的高輸入電阻和接收器處于放電階段 時的低輸入電阻之間進(jìn)行切換。當(dāng)前實施例的接收器具有能夠在工作期間改變電阻的動態(tài) 阻抗電路215。對于由光電探測器所產(chǎn)生的電流，充電階段期間的高輸入電阻比較低的輸入電阻 產(chǎn)生的電壓值更高，這可以減少對額外的放大級的需要。放電階段期間的低輸入阻抗允許 光電探測器快速地放出所存儲的電容性能量，如上面所討論的。接收器的速度高度依賴于 接收脈沖之后光電探測器電容能夠進(jìn)行放電的速度。圖3示出了對光信號的光電探測器響應(yīng)的曲線圖300。在任何光信號被發(fā)送到接 收器之前，光電探測器初始可以在0值處開始。當(dāng)具有多個脈沖的光傳輸通道被從驅(qū)動器 發(fā)送到接收器時，隨著每個脈沖被光電探測器接收以及能量被從光電探測器電容放出，光 電探測器電壓相應(yīng)地上升和下降?；陔娐分械牟考约八鼈兏髯缘奶匦裕梢园呀邮掌?的滯后效應(yīng)設(shè)計成滿足特定應(yīng)用的具體需要。在所示出的說明性曲線圖300中，接收到了光信號中的第一脈沖305。當(dāng)接收到該第一脈沖305時，光電探測器處于充電階段310。一旦光電探測器電壓電平達(dá)到第一預(yù)定電 壓315即Vup，則接收器切換到放電階段320且動態(tài)阻抗值變化到第一、低阻抗值，以便允許 探測器電容中的電荷由于快速衰減時間常數(shù)而迅速地放電。該衰減時間常數(shù)通過將接收器 的阻抗乘以接收器的電容而計算得到。光電探測器電容繼續(xù)迅速放電直到電壓達(dá)到第二預(yù) 定電壓325即Vdown，在該點(diǎn)處接收器切換回充電階段310且動態(tài)阻抗值改變到第二、高阻 抗值。該高阻抗值使接收器的衰減時間常數(shù)升高以使得光電探測器以比在放電階段期間慢 的速率放出電容性能量。由該高阻抗值引起的衰減時間常數(shù)與光輸入的衰減時間常數(shù)相比 也是慢的。在充電階段310，不管實際上是否發(fā)送了脈沖，當(dāng)接收器等待接收脈沖時接收器 的輸入阻抗可以保持為高。當(dāng)接收到光信號中的第二脈沖330時，由于由高阻抗值引起的慢衰減時間的原因 光電探測器的電壓值可能仍然處于或者大約處于第二預(yù)定電壓325處，這依賴于第一脈沖 305和第二脈沖330之間經(jīng)過的時間量。接收器對第二脈沖以類似于對第一脈沖那樣的方 式作出響應(yīng)。脈沖330被光電探測器接收，以及當(dāng)電壓上升到或者超出Vup 315時，輸入電 阻從高電阻值變化到低電阻值，這允許存儲在光電探測器電容中的來自該脈沖的能量快速 地放出。圖4示出了接收器115的特定實施例的電路圖。接收器115包括用于接收光信號 的光電探測器200。光電探測器200可以是如在當(dāng)前實施例中所示出的光電二極管。接收 器115也包括動態(tài)阻抗電路215，動態(tài)阻抗電路215具有第一晶體管400和第二晶體管405。 晶體管400、405可以是η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。光電探測器200連接到第 一晶體管400的柵極410和第二晶體管405的漏極415。第二晶體管405的源極420連接 到參考點(diǎn)425，或者在此實施例中的地。第一晶體管400的源極420連接到第二晶體管405 的柵極410、輸出430以及電阻器435，而漏極415連接到電壓源440。第一晶體管400初始處于關(guān)斷位置，這意味著沒有足夠的電壓被施加到其柵極 410以促使第一晶體管400允許電流從電壓源440流過來。當(dāng)光電探測器200接收到來自 光傳輸通道的脈沖時，該脈沖被轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)來自該脈沖的電信號的電壓值達(dá)到第一 晶體管400的柵極閾值電壓時，電流從電壓源440流動通過第一晶體管400。在此階段，輸 出430依賴于電阻器435的值。電阻器435具有足夠大的值以便將輸出電壓置于供后續(xù)級 中處理或者使用的可用的值。電阻器435可以具有將產(chǎn)生特定的期望輸出的任何值，并且 可以是數(shù)十至數(shù)百千歐那么大。動態(tài)阻抗電路215還可以包括并聯(lián)和/或串聯(lián)的若干電阻 器，或者可以包括可變電位計以使得可以達(dá)到期望的電阻值。在第一晶體管400的源極420連接到第二晶體管405的柵極410的情況下，當(dāng)輸 出430處的電壓值達(dá)到第二晶體管405的柵極閾值電壓時，第二晶體管405導(dǎo)通并且來自 光電探測器200的電流被轉(zhuǎn)移通過第二晶體管405且該光電探測器200開始放電。光電探 測器放電的速度很大程度上確定了接收器的速度。晶體管400、405被選擇為使得每個晶體管具有具體的、已知的柵極閾值電壓。在 確定接收器從高輸入阻抗切換到低輸入阻抗的點(diǎn)時每個晶體管的閾值電壓是重要的部分， 反之亦然。晶體管的其他特性也可能影響電路的工作，諸如在輸入處看到的電阻，或者固有 晶體管性電容。晶體管的電容對接收器的衰減時間常數(shù)有影響。相對于包括跨阻抗放大器 的現(xiàn)有技術(shù)的解決方案，本說明書的接收器可以通過潛在地減小雜散電容來減小電路的整體電容。當(dāng)前實施例具有一種簡單的設(shè)計，該設(shè)計可以把最小量的電容引入接收器。晶體 管中的每一個可以具有近似10毫微微法(femtofarad)的晶體管性電容，不過，取決于為本 說明書的特定實施例所選擇的晶體管的類型，晶體管可以具有其它電容。由高輸入阻抗和 低輸入阻抗二者引起的延遲時間常數(shù)在理想情況下都小于100微微秒從而使得接收器可 以以高達(dá)每秒10吉比特每秒或者更高的速度工作。由于接收器以高輸入阻抗接收脈沖的能力的原因，接收器115的輸出430可以如 IOOmV那么大或者IV那么大或者更大。除了電壓源440的電壓之外，輸出電壓可能還依賴 于輸出處的電阻器435的值。接收器的后面可以跟隨或者可以不跟隨附加的放大級，不過 本說明書中的接收器的輸出較高電壓的能力可以消除對任何其它放大級的需要。該輸出的 信噪比也可能足夠滿足進(jìn)一步處理或者使用的需要。接收器電路的功耗(不包括從光信號 接收的功率)可能如小于1毫微微焦(femtojoule)每比特那么低。這是有利的，因為對于 在一距離上的數(shù)據(jù)傳送來說本說明書的接收器是非常低功率的解決方案且也可能比現(xiàn)有 技術(shù)的其它解決方案成本低。圖5示出了光傳輸通道的多個脈沖500、505的曲線圖500，且圖6是依據(jù)本說明書 的特定接收器電路的可能的響應(yīng)的曲線圖600。接收器的響應(yīng)可以被配置成對以基于電路 的若干部件的延遲而工作。例如，在第一脈沖500被輸入到接收器中時，在第一晶體管處的 電壓可以達(dá)到足夠的值以導(dǎo)通第一晶體管從而使得電流流動通過該第一晶體管且在輸出 節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生電壓。當(dāng)輸出節(jié)點(diǎn)處的電壓達(dá)到第二晶體管的柵極的閾值電壓605時，第二晶 體管導(dǎo)通并開始傳導(dǎo)電流且允許光電探測器中的電荷被釋放。然而，在達(dá)到閾值電壓605 的時間和該晶體管實際開始傳導(dǎo)電流的時間620之間可能存在延遲610，以使得該光電探 測器存儲的電壓開始放出，如在圖6中所示出的。該電路可以設(shè)計成具有此延遲610以便 產(chǎn)生可能高于第二晶體管的閾值電壓605的特定輸出電壓。隨著電流流動通過第二晶體管，來自光電探測器電容的電荷被釋放而且在第一晶 體管的柵極處的電壓下降，最終下降到第一晶體管不再傳導(dǎo)足夠的電流以產(chǎn)生處于第二晶 體管的閾值電壓的電平的輸出電壓的點(diǎn)。第二晶體管然后停止傳導(dǎo)電流，且衰減時間常數(shù) 變大，這是由于輸出處的電阻器的原因。在輸出電壓下降到低于第二晶體管的閾值電壓605 的時間625和第二晶體管實際停止傳導(dǎo)電流的時間630之間可能存在延遲635。這可能導(dǎo) 致當(dāng)衰減時間常數(shù)變慢時輸出電壓低于第二晶體管的閾值電壓605，如在曲線圖600中所 示出的。當(dāng)接收到第二脈沖505時應(yīng)用相同的原理。僅為了對所描述的原理的實施例和示例進(jìn)行舉例說明和描述，已經(jīng)呈現(xiàn)了前述說 明。該說明并不意圖是排他性的或者把這些原理限制為所公開的任何精確形式。按照上述 教導(dǎo)許多修改和改變是可能的。
權(quán)利要求
1.一種光電探測器接收器電路，包括光電探測器，其用于接收光信號并把所述光信號轉(zhuǎn)換成電流；和連接到所述光電探測器的動態(tài)阻抗電路；其中，所述動態(tài)阻抗電路被配置成在充電階段期間具有第一阻抗且在放電階段期間具 有第二阻抗，所述第一阻抗與所述第二阻抗相比具有更慢的衰減時間。
2.如權(quán)利要求1所述的光電探測器接收器電路，其中所述放電階段在跨所述光電探測 器的電荷累積上升到高位電壓之后開始。
3.如權(quán)利要求2所述的光電探測器接收器電路，其中所述動態(tài)阻抗電路包括晶體管， 所述晶體管被配置成當(dāng)跨所述光電探測器的電荷累積達(dá)到所述高位電壓時以所述第二阻 抗從所述光電探測器牽弓I電流。
4.如權(quán)利要求1所述的光電探測器接收器電路，其中所述充電階段在跨所述光電探測 器的電荷累積下降到較低電壓之后開始。
5.如權(quán)利要求1所述的光電探測器接收器電路，其中所述充電階段的相應(yīng)的衰減時間 比所述光電探測器對所述光傳輸?shù)捻憫?yīng)慢。
6.如權(quán)利要求1所述的光電探測器接收器電路，其中所述充電和放電階段是基于所述 光電探測器接收器電路的滯后效應(yīng)。
7.如權(quán)利要求1所述的光電探測器接收器電路，其中所述第二輸入阻抗近似為50歐姆。
8.如權(quán)利要求1所述的光電探測器接收器電路，其中所述第一輸入阻抗大于1千歐。
9.如權(quán)利要求1所述的光電探測器接收器電路，其中由所述第一和第二輸入阻抗引起 的所述衰減時間常數(shù)比100微微秒快。
10.一種用于使用光電探測器接收器電路接收光信號的方法，包括使用光電探測器接收所述光信號；把所述光信號轉(zhuǎn)換成具有電流的電信號；和當(dāng)接收到來自所述光信號的脈沖時改變所述接收器電路的阻抗，以使得所述接收器電 路在充電階段期間包括第一輸入阻抗且在放電階段期間包括第二輸入阻抗，所述第二輸入阻抗與所述第一輸入阻抗相比具有更快的衰減時間。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述放電階段在跨所述光電探測器的電荷累積上 升到高位電壓之后開始。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在所述放電階段期間以所述第一輸入阻抗使所 述光電探測器通過晶體管放電。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述充電階段在跨所述光電探測器的電荷累積下 降到較低電壓之后開始。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述接收器電路包括在所述充電階段期間由所述 第一輸入阻抗引起的大的衰減時間常數(shù)，所述大的衰減時間常數(shù)比來自所述光信號的所述 脈沖更慢。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述充電階段的相應(yīng)的衰減時間比所述光電探測 器對所述光信號的響應(yīng)更慢。
全文摘要
一種光電探測器接收器電路，包括用于接收光信號并把該光信號轉(zhuǎn)換成電流的光電探測器；和連接到該光電探測器的動態(tài)阻抗電路；其中所述動態(tài)阻抗電路被配置成在充電階段期間具有第一阻抗且在放電階段期間具有第二阻抗，所述第一阻抗與第二阻抗相比具有更慢的衰減時間。
文檔編號H01J40/14GK102132374SQ200880130870
公開日2011年7月20日 申請日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者D·A·法塔爾, M·菲奧倫蒂諾, Q·徐, R·G·博索萊爾 申請人:惠普開發(fā)有限公司