[发明专利]雪崩光电二极管检测器系统

说明书

一种雪崩光电二极管检测器，包含雪崩光电二极管、可调整电压源、耦合至所述可调整电压源的电压源输出端并且具有电流测量输出端的电流镜、以及耦合至所述可调整电压源和所述电流镜的处理器。所述处理器实施以下处理：从所述电流镜获得信号电流测量，根据所述信号电流测量来计算输入光学功率水平的估计，以及基于所述输入光学功率水平的所述估计来调整所述可调整电压源的输出。

背景技术

在包含低水平光检测、激光测距仪、LIDAR、光子计数、光学断层摄影、荧光检测、粒子筛选和计数、以及通信系统的广泛应用中利用了雪崩光电二极管检测器（APD）。APD在基于光纤的网络通信系统中特别有用，具体地在长距离（long-reach）/高灵敏度光学接收器中特别有用。

典型地，在工作期间，通过相对高的电压将ADP反向偏置。当以适当波长的光子照明时，二极管经历创建大信号电流的雪崩击穿。在无照明下流动的电流（“暗”电流）和光子引起的雪崩击穿期间流动的信号电流之间的比率是APD增益，典型地被称为称作倍增因子（M）的无量纲的常数。

图1是典型的APD固定偏置电压控制器100的电路图示。图2是作为偏置电压的函数的倍增因子M的图表200。绘图202指示M随着偏置电压增大而增大。诸如图1中示例的电路的现有技术的许多电路被设计为以固定的电压V_target对APD进行偏置，以以倍增因子M_opt实现高的工作增益。这最大化了光灵敏度，使得甚至能够可靠地检测弱的光学信号。

参照图1和图2，直流电压源106对将偏置电压供应至APD116的电压调节器102进行供给。典型的电压调节器102使直流源106的电压水平升高（boost），因为许多APD需要单片式IC系统中不通常可用的高的电压（30-100V）。流动通过APD116的电流（I_apd）受到电流镜104的监控，电流镜104产生被供给至模数转换器（ADC）112的电流输入端的缩放的（scaled）电流输出（I_apd/k）。当相比于偏置电压V_bias时，假定跨电流镜104的电压降是可以忽略的。信号电流I_apd也流入将信号电流转换为输出信号电压的跨阻抗放大器（TIA）118中。

将电阻器R_L114放置为与APD116串联，以限制在高的照明水平下的电流。由电阻器120和电阻器122（R_d1，R_d2）组成的分压器在线124上提供被供给至模拟控制器108的与V_bias成比例的缩放的电压V_fb，在模拟控制器108中，将V_fb与被输入至系统的期望的固定偏置电压设定点126（V_target）进行相比。将来自模拟控制器108的数字误差校正输出128（V_ctrl）输入至电压调节器102以校正V_bias中的任何偏差。

将表示I_apd的值的A/D转换器112的数字输出130发送至估计传入的光学功率水平P_rx的水平的电路模块110。这能够通过使用公式P_rx=I_apd/（M*R₀）来实现，其中，M是倍增因子，以及R₀是响应度。经由电流镜104测量I_apd，并且能够从图表200估计M，因为跨R_L（=I_apd*R_L）的电压降也是已知的。能够作为波长和/或其它变量的函数来估计R₀。

虽然图1的APD固定偏置电压控制器100具有简单的潜在优点，但是其遭受若干重要的缺点。例如，APD固定偏置电压控制器100的缺点是对串联电阻器114（R_L）的需求，以限制在高的输入光学功率水平P_rx下通过APD的电流。