CN100413230C - 光学放大接收器 - Google Patents

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Abstract

一种集成的光放大接收器包括一种光抽运光前置放大器，一般用于通过光通信线路接收波长分割的多路复用光通信信号。一种PIN辐透检测器接收作为来自光前置放大器被滤波的多路分解信号的光通信信号，并转换该光通信信号为电通信信号。一种放大器电路放大电通信信号，用于数字化重定时或解调。

Description

光学放大接收器
本发明涉及通信接收器，并特别涉及转换光通信信号的通信接收器。
单通道(或波长)光纤远程链路的带宽主要受限于发送器和接收器所需要的高速电子装置。光通信信号的波分复用是一种在不增加电子装置速度之下，用于增加光纤远程通信链路带宽的技术。在通信接收器中，接收光通信信号的光通道必须被分开，或多路分解，并被发送到它们各自的接收器，这些接收器在它们的数据接收速率是不同的。一个例子是2.488Gb/s接收器。
多路分解过程是不理想的，并受到光损失，这就降低了整个接收器的灵敏度。灵敏度的降低还导致整个通信链路较短路的传输长度。当组件基于各自被优化时，任何较小的尺寸与较低功率操作的好处，并不能以这种类型的接收器结构实现。实现波分复用接收器高灵敏度当前的一种方法是，使用带有雪崩光电二极管(APD)的波长多路分解器。这些电子放大光接收器已经设计为机架安装结构的分开的单元。一般，机架安装结构内的每一个卡单元代表一个单独的组件，形成了很大的但不理想的单元，特别是在低功率应用中，如在先进的航空器设计或其它要求低功率小站位的设计规范中。
因为这些类型的光接收器是机架安装单元，并使用雪崩二光电极管，接收器灵敏度功率损失受到几乎等于光多路分解器的光插入损失。一般来说，使用光前置放大的远程通信接收器，不是对高灵敏度和低功率两者都被优化的，并且不包含在单个的组件中。而且，某些光通信接收器中，可能需要激光驱动器。为了传送向激光二极管供电所需的电流，就要使用一个电路并向激光驱动器供电，但它也消耗其自身的功率。在控制电路中消耗的这一功率基本上是浪费的功率，因为它不被转换为光子。
某些当前的设计的注入式激光二极管驱动器使用线性通道(pass)晶体管向注入式激光二极管传送被调节的电流。这种方法的结果是在于跨越整个器件上固定的电压以及通过器件的固定电流，其结果是功率大量消耗。例如，在某些先有技术的设计中，由注入式激光二极管驱动器所耗全部功率接近90％发生在通道晶体管。这样需要一种理想的解决方案，向注入式激光二极管提供清洁的电流源。
本发明包括一种光放大接收器，它包括一种光前置放大器，用于通过光纤通信线路接收光通信信号，一种与所述光前置放大器操作连接的带通滤波器，用于接收光通信信号，选择信号通道，并滤除由光前置放大器产生的噪声，一种PIN检测器，用于从所述带通滤波器接收光通信信号并把光通信信号转换为电通信信号，以及一放大器电路，用于放大电通信信号。
本发明的目的是要提供一种优化的并全集成的，高灵敏度，高功效的光放大接收器，该放大器被优化为一个系统并结合到单个的组件中。
本发明的另一目的是要提供一种光放大接收器，该接收器允许在当前可用的技术上增加传输距离，降低宝贵的失败机架空间体积，并提供更有效的热管理。
通常，降低功耗的集成的光放大接收器，有益于现代通信系统的大通道数及高数据率系统。接收器电子装置的噪声性能能够与较低的功率操作相协调。接收器包括高度的集成并允许结合共用的基片热管理。通过把光放大接收器组件设计为系统优化，并把它们结合到一单个的部件，能够增加在现有可用技术上的传输距离，降低宝贵的设备机架空间体积，并提供更有效的热管理。使用铒掺杂光纤放大器技术还允许PIN检测器用来替代雪崩光电二极管作为光电转换器，这样增加了接收器整体的可靠性，降低了功耗。
使用光放大器和PIN检测器能够达到的高的接收器灵敏度和组件的可靠性，与定制的低功率抽吸激光驱动器及接收器技术集成允许简化结构和提高效率。
光放大接收器优势地包含了一种光前置放大器，用于接收通过光通信线路的光通信信号，该线路在本发明的一种方式中是用于接收波分复用信号的单光通信线路，一个带通滤波器操作连接到光前置放大器并接收该光通信信号，选择单波分复用信号，并滤除由光前置放大器产生的噪声。在本发明的一种方式中的光前置放大器，是一种低噪声，增益匀平，铒掺杂的光前置放大器。
激光驱动器与激光接口，用来抽吸光放大器，并包括一注入式激光二极管和连接到注入式激光二极管的一电流源控制回路，该回路建立了通过注入式激光二极管的固定电流。一电压转换开关电路连接到注入式激光二极管及电流源控制回路。适配这一电压转换开关电路是为了接收固定供电电压，并感应转换供电电压降低到正向电压，以便对注入式激光二极管加偏压，并产生到具有最小功率损耗的前置放大器的光输出。
在本发明的另一方式中，一个多路分解器滤波器操作连接到低噪声，增益匀平，铒掺杂光前置放大器，用于把波分割多路复用的光通信信号多路分解为多路分解的光通信信号。多个接收器通道接收多路分解的光信号。一个光电转换电路位于每一接收器通道内，并把光信号转换为电通信信号。
或是壳体或是电路卡之一包含光放大器，激光驱动器，多路分解器以及光电转换电路，作为一集成的部件。带通滤波器操作连接到光其放大器，用于接收光通信信号并滤除由光前置放大器产生的噪声。这一带通滤波器可包括一可调谐带通滤波器。
光电转换电路可包括一PIN检测器及连接到PIN检测器的放大器电路，用于放大电通信信号。在本发明的另一方式中，放大器电路可包括一集成电路，除法电路和时钟恢复电路。在本发明的另一方式中，放大电路可包括用于模拟传输信号的解调器。
现在将通过例子参照附图描述本发明，其中：
图1是一高级图示，表示本发明的低噪声、波分复用接收器一例，连接到星形耦合器及在线，铒掺杂，光纤放大器转发器。
图2是本发明光放大接收器一例的框图。
图3是一框图，表示本发明的激光驱动器/功率转换器一例，用作为光放大接收器的一部分。
图4是一框图，表示可用于本发明的功率分离器/光带通可调谐滤波器，多路分解器一例。
图5是可用于本发明的功率分离器的一示意图。
图6的曲线图以dBm表示作为本发明一例的位错率对输入光功率。
本发明提供了一种高水平设计的，优化的，全集成的，高灵敏度波分分解光放大接收器，其设计最好与具有通信信号的多波长单输入光纤使用。而且，该接收器通过使用具有降低了功率的激光驱动器，允许超过许多当前技术状态连续波激光驱动器而显著地节省了功率。
这种功率的节省是通过使用标准电流源控制回路结构实现的，该电流源回路设置为通过注入结构二极管所需的电流。电流源已使用当前技术状态组件优化，以便尽量降低耗费的即不会传送到注入式激光二极管的功率量。激光驱动器还具有高效可变电压转换开关的电流源，其输出电压是可变的，使得通过电流源支线中每一组件有最小电压降。这些功率的节省能够转给系统中其它电路，并能够允许电池供电装置延长使用，增加了资金与能源的节省。
在本发明的一种方式中，转换电流源用于驱动光前置放大器中的注入式激光二极管，使其替代低效的线性驱动器。
某些注入式激光二极管驱动器使用线性通道晶体管向注入式激光二极管传送调节的电流。其结果是加在器件上的固定电压和通过器件的固定电流，这造成大量的浪费功率，并在某些情形下将近90％发生在通道晶体管。
本发明允许从转换通道晶体管向注入式激光二极管传送清洁的电流，这种转换通道晶体管交替地工作在“全导通”，然后是“全关断”模式。当处于“全导通”模式时，在晶体管两端没有电压。当处于“全关断”模式时，没有电流流过晶体管。其结果是，转换通道晶体管消耗的功率量降低。通过基于注入式激光二极管与铒增益元件的特性分配转换开关操作参数，转换开关噪声保持在与光放大器的高性能相一致的状态。预期的效率改进是通道晶体管功率降低到接近总驱动器功率的15％，而包括注入式激光二极管总的净效率高达大约为30％的程度。这允许在光缆中敷设附加的光纤。
本发明还提供了波分复用及低功率光放大接收器，这是全集成且以高灵敏度优化的器件。如上所述，它结合了低功率设计并具有定制的高效抽吸激光驱动器，以及抽吸激光器免热电冷却器操作。这允许在接收器中使用硅基片技术。在只作为非限制性例子本发明的一种方式中，它以基于100GHz(0.8nM)的2.488Gb/s通道的八个不同的通道的形式，被优化并集成为达到高灵敏度。
该接收器使用了如所述有多波长的单输入光纤。它具有低噪声，增益匀平铒掺杂的光纤放大器，作为前置放大器，其后跟随的是一种通道间输出功率变化极小的低损耗多路分解器。随后是一接收器阵列并在每一接收器中包括一PIN检测器和高速电子装置。
如前所述，单通道或波长光纤远程通信链路的带宽受到在发送器和接收器所需的高速电子装置的限制。虽然已知有各种通道数据率，但就大约2.5Gb/s的数据率对发明进行说明。当然，该设计可用于多种增加的数据率。某些用于单通道光纤远程通信链路的当前技术状态的光接收器，工作在2.488Gb/s，并被限制为工作在入射光纤功率为-34dBm时位错率为1×10-11。波分复用(WDM)增加了光纤远程通信链路的带宽而无需增加电子装置的速度。这一技术对多个通道和波长进行多路复用，作为一非限制性例子，每一在2.488Gb/s被调制到单光纤。这一聚集的光纤位速率现在成为N×2.488Gb/s，其中N＝2，3，4，...。在接收器处，光通道被分开并被多路分解，并发送到它们的各自的2.488Gb/s接收器。
多路分解过程不是理想的并发生光损失，于是降低了整个接收器的灵敏度。这转换为较短的传输程度。通过结合基于本发明的铒掺杂光纤技术的光前置放大器，克服了多路分解器的损失并能够增加信号水平远高于接收器噪声基数，并增加了接收器的灵敏度。铒掺杂光纤放大器技术允许使用PIN检测器，替代作为光电转换器的雪崩光电二极管。
图1示出一波分复用光纤网络10，其中各信号λ1，λ2，λ3，λ4通过作为光纤线路的多个光纤通道12进入主干光纤14，并进入在线铒掺杂光纤放大器转发器16到星形耦合器18。不同的信号分支20(ON-1，...ON-N)从星形耦合器18延伸，其中一个分支(或通道)表示为具有光接收器28，及低噪声铒掺杂光纤放大器22和光带通滤波器24，其后是诸如工作在2.5Gb/s的光电接收器26。
图2在30处示出本发明的一光纤放大接收器，包含在壳体中，或在本发明的另一方式，在印刷电路卡部件31上。在一种方式中，组件安装在单个的印刷电路卡部件上，该卡能够安装在一壳体中，并形成一集成的接收器部件。虽然说明将对于非限制性的数据率2.5Gb/s的描述进行。
如图2所示，信号Ps进入作为光前置放大器的铒掺杂光纤前置放大器32。对于所示的前置放大器32相关的操作参数，可调谐带通滤波器电路34以及光电转换电路36，以适当的图框示出。带通滤波器接收来自光前置放大器的信号，选择信号通道，并滤除由光前置放大器产生的噪声。
本发明的可调谐带通滤波器电路34包括一功率分离器40以及光带通可调谐滤波器42，如图4与5中所示，其中功率分离器40表示为级联3-dB耦合器44。虽然这只是示出一种类型的功率分离器/光带通可调谐滤波器和多路分解器。
在本发明的一种方式中，光电转换电路36包括PIN检测器(二极管)50，其后是低噪声电放大器52。电子限制放大器54与判定电路56配合工作，并允许数据恢复并整形电通信信号，同时时钟恢复电路58允许时钟信号恢复并重定时电通信信号。
图3示出本发明的低功率激光驱动器电路60，该电路用于驱动光前置放大器及接收器部件。五伏特的供电电压输入是许多电子电路的标准。激光驱动器电路60包括注入式激光二极管62，量子效率注入式激光二极管(HQEILD)。电流源控制回路64连接到注入式激光二极管62，并建立起通过注入式激光二极管的固定电流。这一电流源控制回路64具有一电压转换开关电路芯片66，连接到电流源控制回路内的注入式激光二极管，并适用接收固定的五伏特的供电电压，并把固定电压向下感应转换为正向电压，以便向激光注入式二极管加偏压，并产生具有最小功率损耗的一光输出。
这一电压转换开关电路芯片66是作为单独的电路芯片整体形成的，并用作为如图3所示的高效电压转换器。
电流源控制回路64包括作为低噪声电流源的高效电流源70，及电流控制电路72。这些电路都包含在一壳体内，并在一种方式中，包含在包含接收器组件的印刷电路卡部件74上，包括前置放大器，可调谐带通滤波器电路和光电转换电路。
该示意电路图示出各种功率和电压以及电流参数。在这一非限制性例子中，在260微瓦特和在五伏特DC，有一35分贝的增益，以一个通道作为设计目标。对于八通道可以有266微瓦特DC，并达到220瓦特DC。布拉格光栅73操作连接到注入式激光二极管62，并按业内专业人员熟知的原理操作。布拉格光栅73配置用于接收光输出并稳定光波长。
图5示出一曲线图，表示对于位错率(BER)对输入光功率(dBm)以10为底的对数。方形的点代表没有光放大器的PIN只接收器，而三角形点代表本发明的光放大PIN接收器。图上示出使用光前置放大接收器系统灵敏度18分贝的改进。
一种集成的光放大接收器包括光泵浦光前置放大器，一般用于接收通过光通信线路的波分复用光通信信号。PIN光检测器接收作为来自光前置放大器的已滤波多路分解信号的光通信信号，并把这光通信信号转换为电通信信号。一个放大器电路放大电通信信号，供数字重定时或解调。

Claims (7)

1. 一种光放大接收器，包括：
一个光前置放大器，用于通过光纤通信线路接收光通信信号，
一个激光驱动器，用于泵浦所述光前置放大器，该激光驱动器包括注入式激光二极管和连接至所述注入式激光二极管、用于建立固定电流的电流源控制回路，
一个带通滤波器，连接到所述光前置放大器，用于接收光通信信号，选择信号通道，并滤除由光前置放大器产生的噪声，
一个PIN检测器，用于接收来自所述带通滤波器的光通信信号并转换该光通信信号为电通信信号，以及
一个放大器电路，用于放大所述电通信信号。
2. 如权利要求1中所述的光放大接收器，其中所述带通滤波器包括一可调谐带通滤波器。
3. 如权利要求2中所述的光放大接收器，其中所述激光驱动器包括一个位于所述电流源控制回路内的、与所述注入式激光二极管连接的电压转换开关电路，所述光前置放大器连接到单输入光通信线路，并且通过所述光通信线路接收的所述光通信信号包括波分复用的光通信信号。
4. 如权利要求3中所述的光放大接收器，其中所述可调谐带通滤波器包括一个多路分解器，用于多路分解所述波分复用的光通信信号，所述放大器电路包括：一电子限制放大器，用于整形电通信信号；一判定电路，连接到所述电子限制放大器；以及一个时钟恢复电路，与所述电子限制放大器和所述判定电路并联，用于重定时电通信信号。
5. 一种集成的光放大接收器，包括一个光前置放大器，用于通过光通信线路接收光通信信号；一个激光驱动器，用于泵浦所述光前置放大器，该激光驱动器包括注入式激光二极管和连接至所述注入式激光二极管、用于建立固定电流的电流源控制回路；一个带通滤波器，连接到所述光前置放大器，用于接收光通信信号并滤除由光前置放大器产生的噪声；一个PIN检测器，用于接收来自所述带通滤波器的所述光通信信号并转换该光通信信号为电通信信号；一个放大器电路，用于放大电通信信号；以及壳体或印刷卡部件之一，包含所述光前置放大器，PIN检测器及放大器电路作为集成接收器部件。
6. 如权利要求5中所述的光放大接收器，其中所述带通滤波器包括一可调谐带通滤波器。
7. 如权利要求6中所述的光放大接收器，其中所述激光驱动器还包括一个位于所述电流源控制回路内的、与所述注入式激光二极管连接的电压转换开关电路，所述光前置放大器连接到单输入光通信线路，其中通过所述光通信线路接收的所述光通信信号包括波分复用的光通信信号，所述可调谐带通滤波器包括多路分解器，用于多路分解所述波分复用的光通信信号，所述放大器电路包括：一电子限制放大器，用于整形电通信信号；一判定电路，连接到所述电子限制放大器；和一时钟恢复电路，与所述电子限制放大器和所述判定电路并联，用于重定时电通信信号。
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