CN108123701A - 时钟信号发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及时钟信号发生器，例如，一种用于将光脉冲转换为电子脉冲的设备，该设备包括具有第一和第二端子并且能够接收源自锁模激光源(202)的脉冲激光信号(204)的光敏电阻器(302)，其中：该第一端子经由并联连接的电阻元件(214)和电容元件(304)联接至用于施加参考电势(GND)的节点；并且该第二端子连接至用于施加电源电势(VDC)的节点(210)。
Description
技术领域
本申请涉及光电设备，并且具体地涉及用于生成时钟信号的设备。
背景技术
图1展示了作为时间的函数的时钟信号100。时钟信号旨在被电子电路(例如，具有高输入频率(例如，高于1GHz)的高分辨率(例如，高于14位)模拟-数字转换(ADC)电路)使用。时钟信号的时钟频率可以很高，例如高于100MHz。
时钟信号100包括电子脉冲102，每个电子脉冲以上升沿104开始。对ADC电路而言，将期望时钟信号对应于具有由规律的持续时间tC隔开的连续上升沿的理想信号108(如虚线所示出的)。然而，在实践中，上升沿104相对于理想上升沿不是完全有规律的，上升沿104以随机持续时间Δt提早或延迟。持续时间Δt对应于不稳定值，该不稳定值的标准偏差(或RMS值，均方根(Root Mean Square))被称为抖动。由当前时钟设备生成的时钟信号展现高抖动，例如，几十fs。此外，当理想信号108从低值瞬间变为高值时，在实践中证明将很难获得小于几ps的上升时间。
发明内容
一个实施例提供了一种克服以上所描述的全部或部分缺点的设备。
一个实施例提供了一种传递展现低抖动(例如小于10fs)的脉冲信号的时钟电路。
一个实施例提供了一种生成具有非常短的上升时间(例如小于4ps)的脉冲信号的时钟电路。
一个实施例提供了一种在光脉冲与电子脉冲之间的低程度的随机偏移(例如小于10fs)的情况下允许光脉冲转换为电子脉冲的电路。
由此，一个实施例提供了一种用于将光脉冲转换为电子脉冲的设备，该设备包括具有第一和第二端子并且能够接收源自锁模激光源的脉冲激光信号的光敏电阻器，其中：该第一端子经由并联连接的电阻元件和电容元件联接至用于施加参考电势的节点；并且该第二端子连接至用于施加电源电势的节点。
根据一个实施例，在导通状态下，该电容元件的电容与该光敏电阻器的电阻值的乘积小于3ps。
根据一个实施例，规定该光敏电阻器在该光脉冲期间具有小于50Ω的电阻值。
根据一个实施例，该光敏电阻器包括掺杂为小于5*1016atoms/cm3并且配备有以3μm至9μm之间的距离隔开的两个触点的半导体区域。
根据一个实施例，该半导体区域由锗制成，并且该光脉冲的中心波长在1.3μm至1.8μm之间。
根据一个实施例，该半导体区域在波导的硅芯的漏斗状部分的延伸段上。
根据一个实施例，该半导体区域的长度在15μm至20μm之间。
根据一个实施例，该光敏电阻器的该第一端子联接至放大器的输入端。
根据一个实施例，该电阻元件的电阻值在该光敏电阻器在导通状态和在断开状态下的电阻值之间，例如，等于该光敏电阻器在导通状态和在断开状态下的电阻值的乘积的平方根。
根据一个实施例，该电容元件的电容和与该电阻元件并联的该光敏电阻器在断开状态下相对应的电阻值的乘积与大于100ps的持续时间相对应。
一个实施例提供了一种包括如以上所描述的设备的时钟信号发生器。
附图说明
这些特征和优势连同其他特征和优势一起将在以下非限制且关于附图提供的具体实施例的描述中详细呈现，在附图中：
以上描述的图1展示了作为时间的函数的时钟信号；
图2是时钟设备的示意性表示；
图3A是时钟设备的示例性实施例的示意性表示；
图3B是时序图，展示了图3A的设备中的激光信号和时钟信号；以及
图4A和图4B分别是时钟设备的一个实施例的示例性光敏电阻器的俯视和截面示意图。
具体实施方式
在不同附图中相同元件由相同参考号表示，并且此外，不同时序图和视图并不按比例绘制。为了清楚起见，仅示出和详细描述了对理解所描述的实施例有用的那些元件。具体地，没有详细示出发射光脉冲的激光源和使用电子脉冲的电路。
贯穿以下说明书，除非另外指定，否则表达“基本上”和“大约”表示10％以内，优选地5％以内。
贯穿本说明书，术语“连接”表示两个元件之间的直接电气连接，而术语“耦合”或“联接”表示两个元件之间的可能为直接的或经由一个或多个无源或有源部件(如电阻器、电容器、电感器、二极管、晶体管等)发生的电气连接。
为了获得展现低抖动的脉冲时钟信号，在此提议将锁模类型的激光源传递的光脉冲转换为电子脉冲。例如，这种源生成具有极其低抖动(通常小于10fs)并且展现具有小于例如100fs的上升时间和下降时间的极其直的沿的脉冲激光信号。
图2是时钟设备200的表示。时钟电路包括被设计成用于生成脉冲激光信号204的脉冲激光源202(脉冲(PULSE))。
光电二极管206经由波导208联接至脉冲激光源202。波导的存在不增加激光信号的抖动，但是稍增加上升时间和下降时间，该上升时间和下降时间仍然非常短，通常小于几ps。光电二极管206的阴极连接至用于施加高电势VDC的节点210，并且其阳极连接至经由电阻元件214联接至用于施加参考电势(例如，地面GND)的节点的节点212。将节点212联接至电压放大器216的输入端，该电压放大器例如传递用于ADC电路220的时钟信号218。
在操作中，根据每个光脉冲，光电二极管生成光电流I2，该光电流触发时钟信号脉冲218。一个问题是：当ADC电路220是具有高输入频率的高分辨率电路时，此电路难以使用获得的时钟信号。
具体地，如果期望获得能够将激光器的几乎所有光辐射转换为光电流的光电二极管，则此光电二极管的尺寸必须足够。光电二极管的电容CD然后在其阴极与其阳极之间很高，通常大于1pF(针对在0.5V至2V之间的高电势VDC)。电容CD增加时钟信号218的脉冲的上升时间，由此，使ADC电路具有与由时钟信号中的高抖动引起的那些操作问题类似的操作问题。
可能试图通过减小光电二极管的尺寸来减小光电二极管的电容CD，但是这样做不可避免地降低生成的光电流I2的强度。节点212的电势的变化然后难以从光电二极管206和电阻元件214生成的噪声水平中区分。尽管脉冲激光信号204具有极低的抖动，此噪声在时钟信号中产生了高水平的抖动，例如，大于50fs。
为了克服这些问题，例如，将可能尝试用PIN类型的光电二极管或用光电晶体管代替该光电二极管，但是这将造成集成、制造和实施的问题。
在此提出了基于脉冲激光信号到电子时钟信号的转换的时钟设备，其中，当保留短上升时间时，执行光脉冲与电子脉冲之间的转换，并且不增加光脉冲的任何实质的抖动。
图3A表示基于光信号到电子信号的转换的时钟设备300的示例性实施例。
设备300与图2的设备200的不同之处在于：其包括光敏电阻器302而不是设备200的光电二极管206。光敏电阻器302包括或者本征的或者轻掺杂为例如小于5*1016atoms/cm3或大约5*1016atoms/cm3水平的半导体区域，优选地，在激光的情况下具有锗，该激光的中心波长位于近红外中并且在例如1.3μm至1.8μm之间。此半导体区域在任一侧配备有以3μm至9μm之间(例如大约8μm)的距离隔开的两个触点。
此外，设备300包括与图2的设备200的元件类似的元件，并且这些元件以相似的方式安排。由此，光敏电阻器302将用于施加电势VDC的节点210联接至经由电阻器214耦合至地的节点212，节点212耦合至放大器216的输入端，该放大器的输出端耦合至ADC电路220。
设备300另外地包括将节点212联接至地GND的电容元件304。电容值C表示电容元件304以及连接至节点212的所有其他元件的电容值。作为变体，电容元件304可以是放大器216的输入电容器。
图3B是时序图，展示了作为时间的函数的在图3A的操作中的设备300中的脉冲激光信号204和时钟信号308，该时钟信号由放大器216传递。
脉冲激光信号204的电平与光敏电阻器302接收的光辐射的功率P相对应。脉冲激光信号204包括具有峰值功率PC的脉冲310，在这些脉冲之间，光敏电阻器没有接收有意义的光辐射。通过示例的方式，激光信号的平均功率高于10mW。光脉冲310具有以持续时间tC隔开的上升沿312。通过示例的方式，激光源202被设计成使得持续时间tC小于10ns，优选地小于1ns。通过示例的方式，激光源202和波导208被选择以使得光脉冲310的持续时间tP小于4ps，在该持续时间期间，功率P大于峰值功率PC的一半。在光脉冲310之间，光敏电阻器302具有高电阻值R断开。在光脉冲期间，光敏电阻器302的电阻值转到低电阻值R导通。
设备300的光敏电阻器302被选择以使得其电阻值R导通和电容值C的乘积与短持续时间(例如，小于光脉冲310的持续时间，例如小于3ps)相对应。此外，将电阻值R导通选为低，例如，将电阻值R导通选为小于50Ω，优选地，小于15Ω。此外，高VDC与低GND电势之间的差例如在0.5V至2V之间。电阻器214的值R例如在0.2kΩ至5kΩ之间。
对每个光脉冲310而言，存在时钟信号308的相应电子脉冲314。在脉冲314的每个上升沿期间，信号308的电平V从初始值V0增加，并且在上升时间t导通之后达到峰值VP。电平V然后在下降阶段降低，以便在下降时间t断开之后达到值V0。
因为乘积R导通*C很小，所以时钟信号的上升时间t导通很短，例如小于4ps。为了实现这种情况，选择足够快的放大器216，以便不有意图地增加节点212上的电压的上升时间。
此外，因为乘积R导通*C很小，并且因为电阻R导通很低，所以设备300传递的时钟信号308展现特别低的抖动，例如小于10fs。具体地，低电阻值R导通允许选择足以在时钟信号308的上升沿期间获得节点212的电压的特别低的噪声水平的电容C。与短上升时间相关联的这种低噪声水平允许节点212的电压的抖动很低。
应注意的是，相比于关于光敏电阻器的常见假设，光敏电阻器302的反应时间足够短，以便允许其频率与脉冲激光信号204的频率一样高的信号被转换。具体地，相比于此假设，光敏电阻器302足够快以使其电阻值具有在每个光脉冲310之后返回至电阻值R断开的时间。为了实现这种情况，如以上所提及的，已经规定光敏电阻器302中的半导体区域的任一侧上的触点以例如小于9μm的短距离隔开。选择此距离以使得根据每个光脉冲在半导体区域中生成的并且然后允许电流流过光敏电阻器的电荷在例如小于1ns的时间之后在触点处重新组合。
此外，光敏电阻器302的电阻值R断开很高，例如高于电阻器214的电阻值R。电容元件304可能获得时钟信号308的脉冲314的下降时间T断开，该下降时间足够长以使得脉冲314的持续时间足以允许ADC电路220使用时钟信号308。通过示例的方式，电容C和与具有电阻值R的电阻并联的具有值R断开的电阻器的电阻值的乘积与大于100ps的持续时间相对应。
通过示例的方式，规定电阻元件214将由与不经历激光的光辐射的光敏电阻器302类似的光敏电阻器形成。由此获得基本上相等的值R和R断开。作为变体，电阻值R在R导通与R断开之间，例如，等于乘积R导通*R断开的平方根，允许优化节点212的电压的低电平与高电平之间的差。
图4A和图4B分别是设备300的光敏电阻器类型的示例性光敏电阻器302的俯视示意图和沿平面B-B的截面示意图。当在此参照术语“在……上”或“水平的”时，其指图4B中所讨论的元件的方向，应理解，在实践中可能有区别地定向所描述的结构。
光敏电阻器302包括在覆盖有二氧化硅层404的载体402上的由锗制成的区域406，该区域位于波导芯208的末端的漏斗状部分408的延伸段上。芯208、漏斗状部分408和区域406搁置在层404上，并且例如基本上厚度相等。当从上方看时，区域406采用例如矩形形状，该矩形的一个短边与漏斗状部分408接触。二氧化硅层410在芯208的外部、漏斗状部分408的外部和区域406的外部覆盖层404，这些外部与层410的表面齐平。该结构覆盖有具有二氧化硅层411。波导芯208、其漏斗状部分408和区域406由此被二氧化硅包围。
区域406在上部部分上、在区域406的任一侧上配备有与层410接触的触点412和414。在图4B的截面视图中详细示出了示例性触点412和414。每个触点包括与金属喷镀418接触的掺杂区域416(例如p掺杂区域)，该金属喷镀当远离区域406时可以在层410上延伸。触点412和414的掺杂区域416属于相同的导电类型。如从上方看到的，每个掺杂区域416和相关联的金属喷镀418可以在区域406的一侧的整体上延伸。触点412和414形成光敏电阻器的端子，并且联接至设备300的节点210和212。
锗区域406是本征的(即没有特意掺杂)或展现与区域416相同导电类型的低掺杂水平(例如，小于5*1016atoms/cm3或大约5*1016atoms/cm3)。
通过示例的方式，芯208的横向尺寸在300nm至3μm之间，例如，芯208具有跨层厚度方向上300nm和水平方向500nm的矩形截面。通过示例的方式，如从上方看到的，区域406描绘的矩形的宽度在3μm至9μm之间。通过示例的方式，光敏电阻器从漏斗状部分408处延伸的长度或光敏电阻器的长度在15μm至20μm之间。
例如，在操作中，激光源发射光辐射，该光辐射的中心波长在1.3μm至1.8μm之间，例如1560nm。此辐射传播通过波导208而在任何有意义的程度上不被吸收，并且到达区域406。由于区域406由锗制成，因此光辐射被吸收并使电流在触点412与触点414之间流动。
由于由锗制成的区域406位于波导208的漏斗状部分408的延伸段上，因此光辐射在被吸收之前有效地穿透区域406。获得光辐射到电流的特别高的转换率，允许导通状态下的低电阻R导通。此外，如以上所提及的，已经获得能够以高频率(例如大于100MHz)实现这种转换的光敏电阻器。
已经描述了具体实施例。对本领域技术人员而言各种变化和修改将是明显的。具体地，在图3A的设备300中，电阻元件214和放大器216形成用于将源自节点212的输入电流转换为与时钟信号308相对应的电压的电路。将可能用任何其他合适的电流-电压转换电路来代替电阻元件214和放大器216。通过示例的方式，设备300的转换电路的放大器216被省略，并且节点212直接连接至电路220。电流-电压转换电路然后可以包括单个电阻元件214和/或电路220的将节点212联接至地GND的输入电阻器。
此外，在所描述的实施例中，作为变体，可能交换低GND电势和高VDC电势，并且由此获得下降沿。还可能例如通过用逆变器放大器代替放大器216来转换时钟信号的沿的上升和下降方向。由此，可能通过交换电阻器214和光敏电阻器302的位置以及通过用逆变器放大器代替放大器来获得上升前沿。
尽管在所描述的实施例中，接收时钟信号的电子电路220是模拟-数字转换器，但是时钟信号可由采用时钟信号来进行操作的任何电路(例如，数字电路或逻辑电路)使用，或者其可以例如用作锁相环(PLL)中的参考信号。
Claims (11)
1.一种用于将光脉冲(310)转换为电子脉冲(314)的设备，所述设备包括具有第一和第二端子并且能够接收源自锁模激光源(202)的脉冲激光信号(204)的光敏电阻器(302)，其中：
所述第一端子经由并联连接的电阻元件(214)和电容元件(304)联接至用于施加参考电势(GND)的节点；并且
所述第二端子连接至用于施加电源电势(VDC)的节点(210)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，在导通状态下，所述电容元件(304)的电容(C)与所述光敏电阻器(302)的电阻值(R导通)的乘积小于3ps。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，规定所述光敏电阻器(302)在所述光脉冲(310)期间具有小于50Ω的电阻值(R导通)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述光敏电阻器(302)包括掺杂为小于5*1016atoms/cm3并且配备有以3μm至9μm之间的距离隔开的两个触点(412，414)的半导体区域(406)。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述半导体区域(406)由锗制成，并且所述光脉冲(310)的中心波长在1.3μm至1.8μm之间。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其中，所述半导体区域(406)在波导(208)的硅芯的漏斗状部分的延伸段上。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的设备，其中，所述半导体区域(406)的长度在15μm至20μm之间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中，所述光敏电阻器(302)的所述第一端子联接至放大器(216)的输入端。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述电阻元件(214)的电阻值(R)在所述光敏电阻器在导通状态(R导通)和在断开状态(R断开)下的电阻值之间，例如，等于所述光敏电阻器在导通状态和在断开状态下的电阻值的乘积的平方根。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其中，所述电容元件(304)的电容(C)和与所述电阻元件(214)并联的所述光敏电阻器(302)在断开状态下相对应的电阻值的乘积与大于100ps的持续时间(t断开)相对应。
11.一种时钟信号发生器，包括根据权利要求1至10中任一项所述的设备。
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