[发明专利]基于门控雪崩光电二极管的光通信接收装置及方法

说明书

本发明属于光通信技术领域，特别涉及一种基于门控雪崩光电二极管的光通信接收装置及方法，该装置包含：用于探测光信号并将其转换为电信号进行雪崩放大处理的雪崩光电二极管模块，雪崩光电二极管模块提供直流偏执电压的偏置电压模块，及用于通过产生门控信号使雪崩光电二极管交替工作在线性模式与盖革模式下的门控信号模块，通过直流偏执电压和门控信号共同作用来增加雪崩光电二极管盖革工作模式下的增益以探测微弱光信号。本发明实现高灵敏度的光通信接收，可用于低功率、无中继长跨距或大损耗条件下的低误码光纤通信和空间光通信，具有较强实用性。

技术领域

本发明属于光通信技术领域，特别涉及一种基于门控雪崩光电二极管的光通信接收装置及方法。

背景技术

随着光器件的发展，特别是光探测和光中继放大技术的发展，光通信的容量和质量都在不断提高。然而，光探测灵敏度在一些特殊光通信应用中并不能满足应用需求。目前，高灵敏度光通信接收技术是低功率、无中继长跨距或大损耗条件下的光纤通信和空间光通信的核心技术，接收机的灵敏度在很大程度上决定了相关系统的性能。低功率光纤通信随着量子密钥分发实用化进程的加快、应用领域的拓展而出现，主要为解决量子信道光纤网络资源问题。目前现有接入网光纤资源中大量的用户终端可能只有一条光纤链路，而量子密钥分发系统需要量子信道和经典信道两条信道，为量子信道铺设一条新的专用光纤要付出昂贵的代价，为了降低量子信道对应光纤铺设的成本，量子信号和经典信号单纤融合的技术应用而生。但是由于现有的光通信中经典光探测器灵敏度有限，为保障经典通信不出错，光信号的光功率较大，会导致每个光脉冲平均光子数比量子信号高6到7个数量级，导致量子信号很容易被经典信号产生的拉曼串扰噪声所淹没，因此在量子信号和经典信号单纤融合通信过程中，需采用低功率光纤通信，通常要求光经典接收灵敏度优于500光子每比特才能避免对量子信道产生干扰。由于恶劣环境下光通信中继站在建设、运行中既存在安全隐患又增加了成本，因此无中继长跨距光纤通信在海底、戈壁、沙漠以及特高压电网等特殊环境下的信息传输有重要意义。目前，无中继长跨距光纤通信的实现只能通过增大光发射功率或者提高光探测灵敏度来实现。然而，由于存在端面损伤、非线性效应(如受激布里渊散射)，光通信系统的光发射功率并不能无限增大。因此，提高光探测灵敏度对提高无中继长跨距光纤通信系统的传输距离和传输质量有重要意义。空间光通信在星际、星地和地面上的应用都在不断拓展，由于长距离、大损耗和恶劣天气等因素的影响，空间光通信一直以来都对光接收灵敏度有较高要求，进一步提高光接收灵敏度，特别是高速接收灵敏度对拓展空间光通信的应用有巨大推动作用。

当前，国内外商用光通信通常采用光电二极管或者雪崩光电二极管作为接收端光电转换器件。其中，光电二极管不具有内增益，探测灵敏度不如具有内增益的雪崩光电二极管，而雪崩光电二极管在光通信应用领域均工作在线性模式，可用增益非常有限，一般不超过50，同样也限制了其探测灵敏度。

发明内容

为此，本发明提供一种基于门控雪崩光电二极管的光通信接收装置及方法，实现高灵敏度的光通信接收，可用于低功率、无中继长跨距或大损耗条件下的低误码光纤通信和空间光通信。

按照本发明所提供的设计方案，一种基于门控雪崩光电二极管的光通信接收装置，包含：用于探测光信号并将其转换为电信号进行雪崩放大处理的雪崩光电二极管模块，雪崩光电二极管模块提供直流偏执电压的偏置电压模块，及用于通过产生门控信号使雪崩光电二极管交替工作在线性模式与盖革模式下的门控信号模块，通过直流偏执电压和门控信号共同作用来增加雪崩光电二极管盖革工作模式下的增益以探测微弱光信号。

作为本发明基于门控雪崩光电二极管的光通信接收装置，进一步的，所述门控信号模块包含用于接收外部参考时钟光信号并将其转换为外部参考时钟电信号的时钟信号光接收子模块，用于依据外部参考时钟电信号来调整系统时钟以同步收发系统时钟信号的信号时延子模块，及用于产生与时钟信号同步的门控信号的门控信号产生子模块。

作为本发明基于门控雪崩光电二极管的光通信接收装置，进一步地，所述门控信号产生子模块包含用于生成正弦波信号的锁相环频率合成电路，及用于对正弦波信号频率和幅度进行整形放大处理的整形放大电路。