通过参照图1到图8的诸图，我们能对本发明的优先实施例和它的诸
优点有最好的了解。
图1说明一个用于将诸光信号变换到诸电信号的雪崩光电二极管电路
的现有技术的实施例的一个方框图。在图1中，一个方框10包括一个雪崩
光电二极管12，一个光信号输入14，和一条dc偏压导线16 。方框10在
导线17上提供一个到一个滤波器方框18的输出信号。将经过滤波的信号
输出到一个信号放大器20。放大器20向另一个滤波器22输出经过放大的
信号，滤波器22在导线24上输出一个电信号输出。这两个滤波器18和22
可以是诸低通的，高通的，带通的滤波器或诸匹配电路，如诸精明的设计
实践可以做到的那样。我们应该注意到当诸滤波器18和22如图1所示时，
不是所有的应用都需要它们，所以它们是可以任意选择的。例如，可以从
图1的电路中略去滤波器18。为了较好地说明这一点，将诸滤波器18和
22用虚线勾画出来。
图1的工作如下。将一个光信号加到包括雪崩光电二极管12的方框10
上，这使一个给定的电输出信号加到滤波器18。加到滤波器18的信号振
幅依赖于通过导线16加到雪崩光电二极管12上的dc偏压。dc偏压影响
输出信号的电平，因此能将它看作是一个增益变化的器件。如以后将在图5
到图8中证明的，当dc偏压增加时，增益增加，带宽减小和噪声增加。在
大多数情形中带宽减小和噪声增加都是不希望有的副作用。当诸滤波器18
和22存在时，诸滤波器18和22会移去一些噪声。为了得到较高的增益，
可以在放大器20或在它后面的电路中插入更多的信号放大。为了增加对光
信号输入的灵敏度，能够用一个光前置放大器如一个被称为一个1610 OA
(运算放大器)光放大器的Alcatel Network Systems公司的器件，来放大
到雪崩光电二极管12的光信号输入。换句话说，能够用一个对于诸光信号
的前置放大器。
图2说明本发明的优先实施例的一个方框图。在优先实施例的这个描
述中，我们用术语滤波器包括诸匹配电路，其中一个匹配电路包含一个或
多个与频率有关的单元，将这些单元设计得能使诸希望的信号频率分量在
诸电路单元之间的传递实现最佳化，而同时令人信服地防止或阻止了诸不
要的频率分量的传递。
在图2中，一个方框26，它可以和图1的方框10类似，包括一个雪
崩光电二极管28，一光信号输入端30和一个dc偏压导线31。此外，画
出了一个来自某种类型的调制发生器32的信号，调制发生器32通过一个
调制信号滤波器34将一个信号加到在一条导线36上的方框26。在方框26
中画出了一个典型的雪崩光电二极管，它包括二条电导线。可以将dc偏压
导线31和调制信号导线36加到同一个雪崩光电二极管的电导线上，或者
可能对电路是合适的那样将雪崩光电二极管的诸电导线分开。为了说明这
种灵活性，在图2中画出了dc偏压导线31和调制信号导线36作为到方框
26的诸输入，而不是作为连接到雪崩光电二极管的任何具体的电导线。
调制信号滤波器34可以是一个高通滤波器或带通滤波器，适合于将调
制信号传递到方框26。此外，调制信号滤波器34可以是一个匹配电路，
将该匹配电路设计得能使调制信号到雪崩光电二极管的传递实现最佳化，
而同时阻断了要在导线38上输出的诸雪崩光电二极管信号。
将由雪崩光电二极管28探测出的光信号变换到一个电信号并将该电信
号从方框26输出到一条导线38上。再一次，如果对于具体电路适合的话，
可以将输出导线38连接到雪崩光电二极管电路的无论那条电导线上。将来
自导线38的输出信号传递到滤波器40，然后将经过滤波的信号加到一个
信号放大器42。放大器42的输出作为一个代表在30输入的光信号功率的
电信号输出，它在导线46上输出前，再次在一个滤波器44中对它进行滤
波。
诸滤波器40和44，如果存在的话，可以是诸低通滤波器或诸带通滤
波器或诸带阻滤波器，它们适合于从光信号中除去高频调制信号。此外，
诸滤波器40和44也可以是诸匹配电路，它们使信号的输出功率实现最佳
化。我们也应注意到在图2中，和在图1中相同，诸滤波器都是诸任选的
项目，所以用虚线表示它们。
我们可以和图1相似的方式使用图2，但是由于实施了诸创造性的改
变，导致图2有诸改进了的工作特性。在导线31上的dc偏压使诸雪崩光
电二极管28保持在一个稳定的雪崩增益条件中。然而，和图1相反，在图
2中将一个从调制发生器32得到的调制信号叠加到来自导线31的dc偏压
上。调制信号以一种可以和一个叠加在一个dc信号上的交流信号相比较的
方式产生一个有效的附加信号。当用图2的放大器电路将一个光脉冲信号
变换到一个电信号时，优先地调制信号的频率应该大大高于要被变换的光
信号的脉冲重复频率。通常调制信号处在一个至少1GHz的高频率上，这
与脉冲重复频率有关。对于一个2.5 GBS的光信号的脉冲重复频率，优先
地调制频率处在一个约10 GHz的甚高频上。
参照图2，在实验室中已经证明，对于一个给定的平均增益，如通过
降低偏压而同时增加偏压调制信号所得到的，噪声降低而带宽增加。类似
地，对于一个给定的噪声或一个给定的带宽，平均增益增加。
对于那些熟练的技术人员来说，显然为了使诸任选的滤波器40和44
能够除去调制偏压信号，在诸任选的滤波器40和44内的电路可能要比图1
的现有技术的诸任选的滤波器18和22中需要的电路稍复杂一些，但是增
益，带宽，光信号灵敏度的增加和/或噪声的降低是十分重要的，足够保证
和在经济上判断用于诸滤波器40和44的附加电路以及用于调制发生器32
和光调制信号滤波器34的电路是正确的选择。与试验的配置设立有关，增
益中的诸显著增加在从5到20分贝的范围内。如下面所讨论的，图4的诸
波形92和100说明图1和图2之间在输出中的诸变化，并指出对于图2的
两个不同的调制偏压电平。尽管噪声的降低对于图4的诸波形92和100当
和输出86中的噪声比较时从肉眼来看不是十分明显，但是诸实验室的测量
和理论分析表明当和现有技术比较时噪声降低了和带宽增加了。下面用在
图5,6,7和8中的诸曲线对这一点加以说明。
在图2的工作中噪声降低是由于这样一个事实，即当增益迅速地从一
个小的值增加到一个大的值时，由在雪崩过程中的随机性产生的噪声落后
于增益中的这种上升。所以对于一段短的时期，得到一个大的增益和一个
比在诸正常的稳态条件下发生的噪声低的噪声是可能的。为了利用这个效
应，需要重复地增加和降低增益。在诸界限内，噪声因子随着调制偏压的
频率的增加而下降。进一步，当增益降低时，雪崩过程迅速地消失。因为
现在从一个入射的光脉冲产生的一个电流脉冲的持续时间在很大的程度上
受到增益调制周期的限制，所以导致带宽中的一个相当大的增加。
图3说明本发明的另一个实施例，它利用在一个被调制的光信号和对
于雪崩光电二极管的调制偏压信号之间的同步。虽然图3可以和许多类型
的诸光信号一起使用，但是优先地将图3用于光信号正在以称为一个光脉
冲流的有诸规则间隔的多个脉冲的形式发射数字数据的情形。诸光脉冲流
可以回到零(“RZ”)数据，不回到零(“NRZ”)数据，或孤子数据
的形式发射数据。对于RZ数据，一个逻辑“1”数据脉冲在一个时钟周期
结束以前，典型地是在通过时钟周期的半路上回到零。用不存在一个光脉
冲代表一个逻辑“0”数据。对于第二种数据形式，NRZ数据，一个逻辑
“1”数据脉冲在该周期中不回到零。第三种数据形式，孤子数据，包括
诸特别成形的窄脉冲，其中诸脉冲的形状通过平衡在光发射光纤中的色散
和自相位调制的诸效应，阻止畸变的发生。
参照图3，以一种和图2类似的方式，用在52的一个光信号输入和在
导线54上的一个dc偏压表示一个方框50。方框50也包含一个雪崩光电
二极管56并接收在一条导线58上的一个调制输入。在导线58上的信号是
在一个信号发生器60内产生的，再次以一种和图2类似的方式，信号发生
器60通过一个任选的调制信号滤波器62传递它的输出信号。和调制信号
滤波器34类似，调制信号滤波器62可以是一个高通滤波器，带通滤波器
或一个匹配电路，它们适合于将调制信号传递到方框50。
由雪崩光电二极管56探测出的电信号通过一个滤波器64，以便移去
由信号发生器60引入的诸分量。滤波器64进一步使信号到达一个信号放
大器66，使信号放大器66的输出通过另一个滤波器68。再次，滤波器64
和滤波器68可以是诸低通或带通或带阻滤波器或诸匹配电路，它们适合于
将由调制器60引入的诸调制分量滤去，并传递信号。将滤波器68的一个
输出加到一条通向一个时钟和数据再生器72的导线70上，以及为了实现
同步任选地使该输出返回到信号发生器60。将方框72的输出提供给二条
导线，其中的一条是在导线74上的一个数据信号，而其中的另一条是在导
线76上的一个时钟信号。图中画出了一个任选的同步信号，它是从导线70
和76取得的并到达信号发生器60，指出可以从无论哪个点得到一个适当
的信号。然而，一个来自源70和76二者的信号是不需要的。回到信号发
生器60的信号将必须以一种对那些熟练的技术人员已知的方式受到作用，
以便提供信号发生器60和导线52的光脉冲信号的同步，从而将高探测器
增益的诸周期和诸光数据脉冲入射到雪崩光电二极管56的诸时间协调起
来。在工作中，在图3中，光脉冲流的重复速率是或者从滤波器68或者从
一个时钟再生器72得到，并被反馈回到信号发生器60，以便稍稍在光脉
冲流的功率发生上升之前产生偏压的一个上升的电平。
尽管图3表示一个电路，在该电路中用一个起源于在雪崩光电二极管
56中探测出的信号的反馈信号实现同步，但是也可以用其它的诸方法。我
们将图3作为本发明的一个实施例的一个例子，在该实施例中使调制信号
和光脉冲数据速率同步。可以在本发明的优先实施例的工作中以任何方式
实现同步。
图4说明用于进一步解释图1,2和3的工作的一组波形。在图4中，
用标有“GAIN(增益)”的垂直轴和标有“BIAS VOLTAGE(偏压)”
的水平轴来表示一个曲线图。一条画出的曲线80代表对于诸不同的偏压一
个典型的雪崩光电二极管的光-电变换增益。一条虚线82代表一个不稳定的
偏压条件，称为雪崩光电二极管的反向偏压击穿电压。在这个反向偏压击
穿电压82，通过雪崩光电二极管的电流急剧增加，并且在电压中只要稍微
增加一点就能流过相当大的电流。此外，对光输入作出响应而产生的内部
电流甚至当光输入被移去后也将继续流动。
参照图1的现有技术和它与图4的关系，图4表示现有技术的雪崩光
电二极管12的偏压和相应的输出信号。特别是，一条第一条垂直线84代
表对现有技术的雪崩光电二极管12的一个给定的dc偏压，和一条宽的水
平线86代表对于一个在导线14上的给定的功率输入，在导线17上的一个
电信号输出的振幅。因为在方框10的输出中固有的噪声，所以线86显得
相当的宽。
参照在图2中表示的本发明和它与图4的关系，图4进一步表示了包
括雪崩光电二极管28的创造性的配置的偏压和相应的输出信号。特别是，
用一条偏压线87表示雪崩光电二极管28的偏压，一个调制信号88叠加在
偏压线87上。进一步，一条有叠加信号92的水平线90代表对于一个在导
线30上的给定的光信号输出在雪崩光电二极管28中的一个电信号的振
幅。注意偏压87有一个比现有技术的偏压84低的dc值，但是偏压87仍
然产生和一个输出信号相同的有效的增益，其中我们测得有效的电输出信
号，它和在现有技术的偏压84的现有技术的只有dc的诸条件下，对于给
定的光输入提供的电输出信号相同。我们应一步注意到当有叠加信号92的
输出线90包含一些噪声时，已经在诸试验测量中发现在输出信号92中的
噪声量远小于由现有技术的输出86代表的输出的噪声量。在有叠加的调制
信号88的偏压87上，雪崩光电二极管正工作在它的特性曲线的一个雪崩
区域。然而，雪崩光电二极管还没有到达反向偏压击穿的点。
进一步参照在图2中表示的本发明和它与图4的关系，我们可以构造
另一个实施例，其中由有叠加的虚线调制信号96的虚线94表示的那样，
对雪崩光电二极管28施加偏压。我们将注意到调制信号96的峰值在每个
循环的一个短时间内超过反向偏压击穿电压82。用一条虚线98和一条虚
线的调制输出100代表由这种比较低的偏压94和96产生的雪崩光电二极
管的电输出。调制输出100甚至有比或者是诸波形86或者是92小的总的
噪声输出。此外，对于输入光信号振幅随时间变化和对诸小量的光信号的
灵敏度在92和100二者之间增加，超过在86中得到的灵敏度的诸情形，
调制输出100有一个较大的带宽。
如果将诸叠加的调制信号88或96连同偏压84一起使用，则有效增益
比86的增益高是很明显的。虽然人们可以设想通过如96的调制使偏压增
加到落入反向偏压击穿电压82内的一个值，可能会引起增益增加到无穷
大，但是因为这是在调制信号的正半周的持续时间内，所以这种情形是不
会发生的，只有足够的时间使增益上升到一个有限的值，并且当负半周时
再次下降。此外，在诸高频处(换句话说，大于2 GHz)在噪声建立中存
在一个延迟。噪声不得不在电流已经增加后的一段时间内建立起来。进一
步，调制信号的诸负半周周期地使增益降低到一个低的值。从前面的讨论
我们相信噪声将比在如果增加偏压以便得到那个有效的增益的情形中的
低，这是很显然的。进一步，带宽将比在如果增加偏压到一个电平以便得
到那个增益的情形中可以得到的宽。
图5到图7包含了诸组波型，它们表示对于本发明的诸不同的实施例，
诸相对的噪声改善，其中我们将加到可用的雪崩光电二极管上的调制偏压
信号在类型，振幅或频率上作了改变。图5到图7的诸结果是用一个特殊
的雪崩光电二极管模拟模型得到的，这样对于任何特殊的雪崩光电二极管
可能会有某些变化。然而，本发明的全部优点应该和任何特殊的雪崩光电
二极管相一致。下面我们将分别对这些图中的每一个和相应的变化进行讨
论。
在图5中，用垂直轴以对数的标度代表噪声的诸增长电平，画出一个
曲线图。噪声轴用了工业术语“过剩噪声因子(EXCESS NOISE
FACTOR)”(F)。水平轴也是对数的标度，指出一个雪崩光电二极管
的增益，但是具体地用“雪崩倍增因子(AVALANCHE
MULTIPLICATION FACTOR)”(M)表示。一条粗线110说明对于
诸不同的增益因子仅用dc偏压(即没有调制)时的噪声。这条曲线在工业
中是很著名的。典型地，我们对雪崩光电二极管施加偏压，以便在一个增
益3和一个增益约20之间使用雪崩光电二极管。在一个增益20以上，噪
声如此地高和带宽如此地窄，使得大多数电路不能满意地工作，典型地要
用诸其它的方法来放大或者是光或者是电的诸信号。
参照图5的其它二条曲线，用一条有小方框的数据点曲线112表示调
制偏压，而用一条有小圆圈的数据点曲线114表示一个调制偏压，该调制
偏压进一步和输入光脉冲流的调制同步(即如图3所示)。有小方框的数
据点曲线112指出虽然噪声在开始的时候对一个给定的用调制的低增益可
以稍高于用dc(即没有调制)偏压的曲线110，但是只有在标度上一个约
6的增益处对于被调制电路，噪声电平才变得小于dc偏压时的噪声。从那
里到指出的约36的增益处，噪声电平几乎一直保持着平坦。有小圆圈的数
据点曲线114从小于一个增益2到它的指出一个增益大于50的最大数据点
有比dc偏压直线110低的噪声。事实上，在指出的约55的增益处，噪声
要比在现有技术的用dc偏压和没有调制的直线110中产生的噪声的1/10
低。对于一个特殊的雪崩光电二极管，诸结果可能会有一些变化。
图6说明了一个垂直轴和水平轴类似于图5的曲线图，再次画出了标
准的dc偏压曲线110。如所说明的，用一条有小方框的数据点曲线118表
示全调制，或100％调制，而用一条有×的数据点曲线116表示50％调制。
图6说明在诸较高的增益，对于最大调制的噪声要比对于一个较小的调制
值的噪声低。然而，在小于9的诸增益，对于这个特殊的雪崩光电二极管，
在较低的调制情形中的噪声量要比在最大调制的情形稍稍降低一些。
图7再次用和图5相同的标度并从调制频率方面说明诸变化的噪声电
平，其中调制信号不和光信号同步，但是有一个比光信号的任何调制都高
很多的频率。一条有×的数据点曲线120代表对于一个高频如5 GHz的
频率调制的噪声。一条有小方框的数据点曲线122表示用甚高频调制，如
一个10 GHz的调制信号的诸噪声情况。我们将注意到较高频率的调制和比
较低的调制频率相比，产生较低的雪崩光电二极管噪声。
图8表示一条对数曲线，其中和上面的图5到7相同，水平轴是雪崩
倍增因子或增益，而垂直轴表示相对带宽。一条有小方框-直线的曲线125
表示没有调制(或者换句话说，只有一个dc偏压信号)的现有技术情形，
显示出当增益增加时带宽减小。一条有×的数据点曲线127表示一个有某
些调制的情形，而一条有三角形的数据点曲线129表示一个调制大于曲线
127的情形。如我们将注意到的，对于一个典型的现有技术的增益为20的
情形，对于曲线129的调制的相对带宽表示带宽大于0.2，而对于曲线125
的dc偏压情形，相对带宽为0.05。换句话说，带宽对于用由曲线129指出
的调制的情形大致是对于用现有技术的dc偏压125的那个增益得到的带宽
的四倍。
本发明的诸实施例通过从整个电路产生提高了的诸特性对现有技术作
出了改进。当将一个各自的调制电压波形加到一个雪崩光电二极管电路(一
个光信号加到该电路上)的dc偏压上时，在电路的诸光-电特性中发生一个
变化。特别是，在一个实施例中，其中调制频率是一个高频率如至少1 GHz
或在一个甚高频，10 GHz或更高的频率上，存在诸有益的效应。变化的量
和调制波形的振幅及频率有关。当调制振幅增加时，通常平均增益增加；
然而，当调制波形的频率非常大时，增益中的增加可能减小或者甚至能够
在平均增益中有一个减小。对于雪崩光电二极管的偏压信号的调制提高了
雪崩光电二极管的诸特性，从而提高了雪崩光电二极管电路的输出信号的
诸特性。换句话说，当和现有技术的没有调制的雪崩光电二极管电路进行
比较时，对于一个给定输入信号的输出信号至少是一个噪声较低，振幅较
高和带宽较大的信号。
如果将一个现有技术的电路配置和本发明的一个电路配置在相同的平
均变换增益进行比较，则我们发现本发明的配置比现有技术的配置有较大
的带宽和较低的噪声。
我们也注意到当加到雪崩光电二极管上的对dc偏压的调制改善了它的
一个稳定状态或变化的光信号的诸特性时，在一个窄脉冲光信号的情形
中，如一个回到零(RZ)的被调制的光信号或一个和一个偏压信号的同步
调制一起使用的孤子信号(即图3的实施例)的情形中，增益的增加和噪
声的降低甚至更加明显。在一个窄脉冲光信号的情形中，能够提供调制信
号和窄脉冲光信号的同步，以便在任何一个给定的周期中将信号脉冲和调
制信号的诸峰值重叠在一起。为了实现重叠可能需要对调制信号的相位进
行调整。优先地，这样调整调制信号的相位，使得诸窄的光脉冲和调制信
号的诸峰值同时发生地或者近似或接近同时发生地到达雪崩光电二极管。
因为在调制信号的诸峰值附近增益最明显，所以窄信号脉冲将有最佳增
益。在本发明的实施例中，增益中的改善是在20分贝附近，其中对于dc
偏压的调制信号是和光信号的调制同步的。
从上面所述的，我们可以了解到本发明的诸实施例极大地改善了现有
技术的诸不同的缺点。然而，上面所述的证明了诸不同的可能的实施例，
这些实施例描述了本发明的范畴，包括说明如何应用诸概念的诸例子。作
为另一个例子，当将在优先实施例中调制信号的波形描绘成一个正弦波
时，在某些应用中我们可以用任何其它的重复波形，如一个方波，三角波
或其它什么波。因此，当已经对本发明进行了详细描述后，可以对上面提
出的诸描述实施诸不同的替换，修改或变化，而没有偏离由下列的权利要
求书定义的本发明的精神和范畴。