CN101296041A - 光纤传输直放站及其大动态光收发模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大动态光收发模块，该光收发模块在应用蝶形封装激光器的基础上，对光探测器和激光器增加外围的电路，包括：温度控制电路，通过监测热敏电阻的阻值变化自动调节微型制冷器的工作电流以控制激光器工作在稳定温度条件下；功率控制电路，通过对蝶形封装激光器的电压进行取样，自动调节其激光二极管的偏置电流以稳定激光二极管的输出功率；光功率检测电路，检测蝶形封装激光器/光探测器的光发/收功率，将检测数据传输至所述控制芯片。此外还公开相应的光纤传输直放站。本发明使光纤收发模块具有更高线性度，有利于系统增益分配以及大功率直放站系统的设计；在高温条件下性能稳定；生产调试安全性高。

Description

光纤传输直放站及其大动态光收发模块

技术领域

本发明涉及一种大动态光收发模块，以及涉及一种应用该大动态光收发模块的光纤传输直放站。

背景技术

光纤传输直放站主要由光近端机、光纤及光远端机组成，光近端机与光远端机都包括射频单元和光单元。射频单元主要用于完成上行信号和下行信号的放大处理，光单元用于转换光电或电光信号以完成近端机和远端机之间的数据传输。在下行链路中，近端机将接收到的来自基站的射频信号转换成光信号，通过光纤传输至远端机，远端机将光信号转换恢复成射频信号，放大后再通过覆盖天线发出，对目标区域进行信号覆盖；上行链路的工作原理相同，手机发射的信号经过接收天线到光远端机，通过光纤传输至光近端机，再送入基站设备。实现电信号至光信号转换的关键器件为激光器，实现光信号至电信号转换的关键器件为光探测器。从结构方面考虑，常将下行链路近端机中激光器功能单元与上行链路近端机中光探测器功能单元设计在同一个模块中，称之为近端光收发模块；同样，在远端机中我们称之为远端光收发模块，两个模块结构相同。

目前光收发模块普遍采用DFB激光器(分布反馈半导体激光器)，为普通四管脚封装，内部组成相对简单，主要包括激光二极管(LD)、PIN光电二极管(PD)、光隔离器及单模光纤。LD将射频电信号调制成光信号，经过光隔离器后耦合入单模光纤进行传输，光隔离器对光反射信号进行抑制，保障激光器工作状态稳定，维护系统性能；PD对LD后向输出的光信号进行检测，通过激光器外围对地电阻进行电压取样，取样后送入自动功率控制(APC)电路稳定激光器的输出光功率，同时，取样电压经过放大后送入监控从机可以实现激光器光发功率的自动检测功能，方便系统维护。

图1给出了目前采用普通DFB激光器的光收发模块内部组成结构示意图，近端光收发模块与远端光收发模块在组成结构上完全相同。在光发射单元中，射频信号由端口RFin进入，经过单元滤波器101与匹配网络102后，送入LD管105调制成光信号，光信号经过光隔离器106后耦合进单模光纤107，然后通过光纤传输到远端光收发模块的光接收单元，其中LD管105的阳极及PD管104的阴极采用+5V电压供电并与激光器封装外壳相连接，此外APC电路103起到稳定LD管105输出光功率的作用，而光发功率检测电路108对LD管105的光发射功率大小进行检测，最终检测电压送入单片机109，与其中的数据表进行对照，从而可以通过本地联机或远程监控进行查询；在光接收单元中，光信号经过光收探测器的单模尾纤115后送入其内部的光电二极管114解调为射频信号，射频信号经过匹配网络113后，送入放大器112，再经滤波器111后通过RFout端口传出，其中单元110对光接收功率进行检测，检测电压送入单片机109。

图2是图1中APC电路103的具体实现方式。如图所示，PD检测脚(PD管的阳极管脚)通过电阻201对地进行电压取样，取样电压通过跟随电路202后，在203中与204产生的标准电压进行差分比较放大，放大电压经滤波电路205后送入三极管208，三极管208导通后对LD管105的偏置电流进行控制。当LD光发功率增大时，电阻201对地取样电压随之增大，此时203的输出电压减小，使得LD偏置电流减小，光发功率值降低；当LD光发功率降低时，情况刚好相反，因此，通过APC电路的调节，使得LD的光发功率值保持稳定。

图3为图1中光发功率检测电路108的具体实现方式。如图所示，PD检测脚(PD管的阳极管脚)通过电阻301对地进行电压取样，取样电压经过跟随电路302后送入单元303进行放大，放大后通过稳压二极管304稳压再送入单片机，在单片机中，该电压与光发功率数据表进行对照，从而可以通过本地联机或远程监控对光发功率值进行查询。

在普通光收发模块中，受激光器的输入动态的影响，模块的最大输入射频功率为5dBm，考虑到模块在高低温情况下的可靠性，模块的射频输入功率不宜超过3dBm，因此在大功率光纤直放站系统设计时，为保证系统的发射功率，光远端机的增益很高，系统的频谱发射模板等性能无法得到保障。同时，受激光器线性度的影响，光收发模块的输出IP3指标只能达到30dBm，在光模块批量生产时，考虑到激光器的性能一致性及模块调试效率，输出IP3指标有所降低，在高温条件下，模块的输出IP3指标会发生恶化因而使系统的线性度受到影响。此外由于激光器外壳接+5V电压，因此在模块调试时存在安全隐患，容易发生短路现象，从而损坏激光器。针对这些问题，申请人对现有技术进行改进。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种基于蝶形封装激光器的大动态光收发模块，使光收发模块克服现有技术的不足，提供更优异的性能。

为解决本发明的技术问题，本发明采用如下技术方案实现：

本发明大动态光收发模块，成对配置通过光纤进行连接用于实现双向的光信号传输，包括：

蝶形封装激光器，包括激光二极管、光电二极管、光隔离器、热敏电阻器以及微型制冷器，采用负电压控制，用于转换射频信号成光信号进行发射；

光探测器，包括光电二极管，接收蝶形封装激光器发射的光信号并转换成相应的射频信号；

控制芯片，管理光收发功能，并提供与外部模块的连接管理；

温度控制电路，通过监测热敏电阻的阻值变化自动调节微型制冷器的工作电流以控制激光器工作在稳定温度条件下；

功率控制电路，通过对蝶形封装激光器的电压进行取样，自动调节其激光二极管的偏置电流以稳定激光二极管的输出功率；

光发/收功率检测电路，检测蝶形封装激光器/光探测器的光发/收功率，将检测数据传输至所述控制芯片。

所述温度控制电路采用正电控制，功率控制电路和光功率检测电路均采用负电压控制。

所述温度控制电路具体包括：

分压电路，将蝶形封装激光器的热敏电阻通过电阻进行分压，并通过电位器获得标准电压；

差分比较电路，将分压电路中的热敏电阻分压与标准电压进行比较并输出；

开关电路，根据差分比较电路输出电压的大小控制蝶形激光器的微型制冷器的电流大小以最终调节蝶形封装激光器的工作温度。

所述热敏电阻的分压输入差分比较电路的反相输入端，所述电位器的标准电压输入差分比较电路的正相输入端。

所述开关电路与差分比较电路之间串连限流二极管。

所述温度控制电路的开关电路具体包括两个三极管和限流电阻组，两个三极管其中之一的基极连接所述限流二极管，发射极与另一个的基极电性连接，另一个的发射极直接与微型制冷器控制管脚电性连接；两个三极管的集电极通过限流电阻组外接电源。

所述功率控制电路具体包括：

取样电路，对所述蝶形封装激光二极管进行电压取样；

跟随电路，对取样后电压进行缓冲、隔离之用；

标准电路，用于产生标准电压；

差分比较电路，将跟随电路输出的电压与标准电路输出的标准电压进行比较并输出；

滤波电路，对比较后电压进行滤波处理；

开关电路，由滤波后电压控制其导通，藉此控制所述激光二极管的偏置电流。

其中，所述跟随电路的输出电压输入差分比较电路的反相输入端，差分比较电路的正相输入端输入标准电压。

所述功率控制电路的开关电路具体包括两个三极管、延时电路和激光器限流电路，其中一个三极管的基极接受滤波电路的输入，集电极通过激光器限流电路与所述激光二极管的管脚电性连接，通过该三极管的基极电压的变化控制所述激光二极管的偏置电流，该三极管的发射极接延时电路；另一个三极管的发射极与参考电平连接，其集电极与基极分别同前一个三极管的基极与发射极电性连接，主要实现对前一三极管的分流。

所述蝶形封装激光器的激光二极管的阳极和光电二极管的阴极接地并与蝶形封装激光器的外壳相连。

所述光发功率检测电路具体包括：

取样电路，对所述蝶形封装激光器的激光二极管进行电压取样；

差分比较电路，将取样后电压输入其反相输入端，与其同相输入端的电压进行比较后输出；

反相电路，将比较后电压进行反相，并输出正电压；

稳压二极管，用于稳定电路电压并输出至所述控制芯片。

所述光收功率检测电路具体包括：

取样电路，对所述光探测器的光电二极管进行电压取样；

放大电路，将取样电压进行放大并输出；

稳压二极管，用于稳定电路电压并输出至所述控制芯片。

本发明的第二目的在于提供一种应用第一目的所述大动态光收发模块的光纤传输直放站。

该光纤传输直放站包括光纤、远端和近端，远端/近端包括射频模块和如本发明第一目的所述的大动态光收发模块，所述射频模块发射或接收射频信号并对该射频信号进行放大处理，所述光收发模块将实现射频信号与光信号的互换，并通过光纤在远端和近端之间以光信号完成传输。

为实现传输链路的备份功能，所述远端和近端各包括两对所述的光收发模块，由光纤一一对应实现连接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)使光纤收发模块具有更高线性度，模块的输出IP3指标极大改善，最大可达38dBm；

2)光收发模块的最大射频输入功率提高约10dB，可达15dBm，更有利于系统增益分配以及大功率光纤传输直放站系统的设计；

3)温度控制电路的应用使得工作环境温度变化对激光器工作性能影响甚微，光收发模块在高温条件下性能稳定；

4)激光器外壳接地，生产调试安全性高。

附图说明

图1是公知的一种光收发模块的电路原理框图；

图2是图1标号为103的自动功率控制电路的电路图；

图3是图1标号为108的光发功率检测电路的电路图；

图4是大动态光收发模块的电路原理框图；

图5是图4中标号为409的负电压自动功率控制电路的电路图；

图6是图4中标号为410的负电压自动光发功率检测电路的电路图；

图7是图4中标号为411的正电压温度控制电路的电路图。

具体实施方式

光纤传输直放站一般包括光纤、远端和近端，远端/近端包括射频模块和光收发模块，所述射频模块发射或接收射频信号并对该射频信号进行放大处理，所述光收发模块将实现射频信号的互换，并通过光纤在远端和近端之间完成传输。

为实现传输链路的备份功能，所述远端和近端可各包括两对所述的光收发模块，由光纤一一对应实现连接。

本发明以下所述的大动态光收发模块，应用于光纤传输直放站中，替代普通的光收发模块。

参阅图4，近端光收发模块与远端光收发模块在组成结构上完全相同，所采用的激光器为蝶形封装激光器。在光发射单元中，射频信号由端口RFin进入，经过单元滤波器401与匹配网络402后，送入激光二极管403调制成光信号，光信号经过光隔离器404后耦合进单模光纤405，然后通过光纤传输到远端光收发模块的光接收单元，其中激光二极管403的阳极及光电二极管407的阴极采用0V电压(接地)供电并与蝶形封装激光器封装外壳相连接，此外功率控制电路409起到稳定激光二极管403输出光功率的作用，而负责光发送的光发功率检测电路410对激光二极管403的光发射功率大小进行检测，最终检测电压送入单片机控制芯片413，与其中的数据表进行对照，从而可以通过本地联机或远程监控进行查询；在光接收单元中，光信号经过光收探测器的单模尾纤419后送入其内部的光电二极管418解调为射频信号，射频信号经过光接收匹配网络417后，送入放大器416，再经滤波器415后通过RFout端口传出，其中负责接收的光收功率检测电路414对光接收功率进行检测，检测电压送入单片机413，其电路采用正电压控制，电路原理与普通光收发模块的光收功率检测电路110(参考图1)基本相同，因此不进行详细说明。

在光发射单元中，采用蝶型封装激光器412，与普通DFB激光器相比较，其线性度更好，同时激光器412内部组成结构增加热敏电阻器408及微型制冷器406，热敏电阻器408的阻值随发光二极管403的工作温度不同而发生变化，通过激光器412外围温度控制电路411对激光器412内部发光二极管403的工作温度进行控制，使得发光二极管403工作在稳定的温度条件下，从而保证光收发模块在高温条件下各项性能指标不会恶化；此外，激光二极管403的阳极及激光二极管407的阴极接地并与激光器412的外壳相连，功率控制电路409采用负电压控制，激光器412的外壳接地提高了模块生产调试过程中的安全性。

图5给出了一种负电压自动功率控制电路的具体实现方式。如图所示，光电二极管407的检测脚(阳极管脚)通过取样电路的电阻501以-5V为参考电平进行电压取样，取样后送入跟随电路502，跟随电路502的输出电压送至差分比较电路504的反相输入端，与正相输入端的由标准电路505产生的标准电压进行差分比较放大，差分比较电路504中的运算放大器506的输出电压经过滤波电路507滤波后送入开关电路的三极管510的基极，三极管510导通，从而对激光器412(参见图4)内激光二极管403(参见图4)的偏置电流进行控制。跟随电路502中运算放大器503及差分比较电路504中运算放大器506都采用-5V电压供电。开关电路包括三极管508和510、延时电路509和激光器限流电路511。三极管508起到电路限流保护的作用，防止发光二极管403(参见图4)的光发功率过大而发生损坏，当功率控制电路409电流增大时，三极管510的发射极电压随之增大，当电压达到三极管508的导通电压时，三极管508导通，进而对三极管510的基极电流进行分流，限制电流增加；单元509为RC延时电路，接通电源时，使得发光二极管403偏流缓慢启动；激光器限流电路511通过贴片电阻的额定功率值间接限制激光二极管403的偏置电流。

图6给出了一种负电压控制光发功率检测电路的实现形式。如图所示，激光二极管的检测脚(阳极管脚)通过取样电路的电阻601以-5V为参考电平进行电压取样，取样电压V1送入差分比较电路602的反相输入端，对同相输入端电压0V(接地)进行差分比较放大，其中运算放大器603采用+5V、-5V电压同时供电，其输出电压V2送入反相电路604中运算放大器605的反相输入端，其输出电压V3转化为正电压，正电压V3送入放大电路606中放大，放大电路606中运算放大器607采用+9V电压供电，其输出电压V4经稳压二极管608稳压后送入单片机控制芯片413(参见图4)。由于电压送入单片机413后，要进行光发功率的检测，因此要对检测范围及检测精度进行实验确认，并根据实验结果对电路参数进行适当调整。

图7给出了正电压自动温度控制电路的具体实现方式。如图所示，热敏电阻器408(参见图4)检测脚(热敏电阻器另一管脚接地)与取样电路的电阻701串连分压，热敏电阻器408分压V1送入差分比较电路703的反相输入端，电位器702的输出电压V2送入差分比较电路的同相输入端，差分比较电路703中运算放大器704采用+9V供电，其输出电压V3经过电阻705及二极管706后送至其开关电路的三极管707的基极，基极电压V4大于导通电压0.7V时，三极管707导通，导通后发射极电压V5送至其开关电路的三极管708的基极，当V5大于导通电压0.7V时，三极管708导通，导通后发射极电压V6送入微型制冷器406(参见图4)的控制脚(制冷器的另一管脚接地)对其工作电流进行控制。电路中二极管706为限流二极管，当其内部电流增大时，导通电压亦随之增大，对整个电路起到限流保护的作用。同时，由于微型制冷器406的工作电流较大，高温条件下最大工作电流可达1.4A左右，因此其前级放大三极管708选用大功率型，以防止高温条件下电流过大受损而影响模块正常工作。此外，+5V电源通过开关电路的限流电阻组709与三极管707、708的集电极相连，为其供电，限流电阻组709由若干电阻并联而成，起到限流作用，防止电流过大损坏微型制冷器406。常温条件下，使微型制冷器406的工作电流为为定值，当激光二极管403工作温度升高时，由于热敏电阻器408为负温度系数型，其阻值下降，分压V1降低，差分比较电路703的输出电压V3增大，从而使得最终经过微型制冷器406的电流增大，降低激光二极管403的工作温度，使其工作在稳定的温度条件下，模块指标不会发生明显变化。

综上，本发明通过应用蝶形封装激光器，并在其外围增设相应的自动温度控制电路、光功率检测电路以及功率控制电路，构造了大动态的光收发模块，使光纤传输直放站远端和近端机之间的传输更为可靠。

Claims (14)

1、一种大动态光收发模块，成对配置通过光纤进行连接用于实现双向的光信号传输，其特征在于其包括：

蝶形封装激光器，包括激光二极管、光电二极管、光隔离器、热敏电阻器以及微型制冷器，采用负电压控制，用于转换射频信号成光信号进行发射；

光探测器，包括光电二极管，接收蝶形封装激光器发射的光信号并转换成相应的射频信号；

控制芯片，管理光收发功能，并提供与外部模块的连接管理；

温度控制电路，通过监测热敏电阻的阻值变化自动调节微型制冷器的工作电流以控制激光器工作在稳定温度条件下；

功率控制电路，通过对蝶形封装激光器的电压进行取样，自动调节其激光二极管的偏置电流以稳定激光二极管的输出功率；

光发功率检测电路，检测蝶形封装激光器的光发功率，将检测数据传输至所述控制芯片。

光收功率检测电路，检测光探测器的光收功率，将检测数据传输至所述控制芯片

2、根据权利要求1所述的大动态光收发模块，其特征在于：所述温度控制电路采用正电压控制，功率控制电路和光功率检测电路均采用负电压控制。

3、根据权利要求2所述的大动态光收发模块，其特征在于所述温度控制电路包括：

分压电路，将蝶形封装激光器的热敏电阻通过电阻进行分压，并通过电位器获得标准电压；

差分比较电路，将分压电路中的热敏电阻分压与标准电压进行比较并输出；

开关电路，根据差分比较电路输出电压的大小控制蝶形激光器的微型制冷器的电流大小以最终调节蝶形封装激光器的工作温度。

4、根据权利要求3中所述的大动态光收发模块，其特征在于：所述热敏电阻的分压输入差分比较电路的反相输入端，所述电位器的标准电压输入差分比较电路的正相输入端。

5、根据权利要求4中所述的大动态光收发模块，其特征在于：所述开关电路与差分比较电路之间串连限流二极管。

6、根据权利要求5所述的大动态光收发模块，其特征在于：所述温度控制电路的开关电路包括两个三极管和限流电阻组，两个三极管其中之一的基极连接所述限流二极管，发射极与另一个的基极电性连接，另一个的发射极直接与微型制冷器控制管脚电性连接；两个三极管的集电极通过限流电阻组外接电源。

7、根据权利要求1至5任意一项中所述的大动态光收发模块，其特征在于所述功率控制电路包括：

取样电路，对所述蝶形封装激光二极管进行电压取样；

跟随电路，对取样后电压进行缓冲、隔离之用；

标准电路，用于产生标准电压；

差分比较电路，将跟随电路输出的电压与标准电路输出的标准电压进行比较并输出；

滤波电路，对比较后电压进行滤波处理；

开关电路，由滤波后电压控制其导通，藉此控制所述激光二极管的偏置电流。

8、根据权利要求7所述的大动态光收发模块，其特征在于：所述跟随电路的输出电压输入差分比较电路的反相输入端，差分比较电路的正相输入端输入标准电压。

9、根据权利要求8中所述的大动态光收发模块，其特征在于：所述功率控制电路的开关电路包括两个三极管、延时电路和激光器限流电路，其中一个三极管的基极接受滤波电路的输入，集电极通过激光器限流电路与所述激光二极管的管脚电性连接，通过该三极管的基极电压的变化控制所述激光二极管的偏置电流，该三极管的发射极接延时电路；另一个三极管的发射极与参考电平连接，其集电极与基极分别同前一个三极管的基极与发射极电性连接，主要实现对前一三极管的分流。

10、根据权利要求9所述的大动态光收发模块，其特征在于：所述蝶形封装激光器的激光二极管的阳极和光电二极管的阴极接地并与蝶形封装激光器的外壳相连。

11、根据权利要求1至5任意一项中所述的大动态光收发模块，其特征在于所述光发功率检测电路包括：

取样电路，对所述蝶形封装激光器的激光二极管进行电压取样；

差分比较电路，将取样后电压输入其反相输入端，与其同相输入端的电压进行比较后输出；

反相电路，将比较后电压进行反相，并输出正电压；

稳压二极管，用于稳定电路电压并输出至所述控制芯片。

12、根据权利要求1至5任意一项中所述的大动态光收发模块，其特征在于所述光收功率检测电路包括：

取样电路，对所述光探测器的光电二极管进行电压取样；

放大电路，将取样电压进行放大并输出；

稳压二极管，用于稳定电路电压并输出至所述控制芯片。

13、一种光纤传输直放站，包括光纤、远端和近端，其特征在于：

远端/近端包括射频模块和如权利要求1至12任意一项所述的大动态光收发模块，所述射频模块发射或接收射频信号并对该射频信号进行放大处理，所述光收发模块将实现射频信号与光信号的互换，并通过光纤在远端和近端之间以光信号完成传输。

14、根据权利要求13所述的光纤传输直放站，其特征在于所述远端和近端各包括两对所述的光收发模块，由光纤一一对应实现连接。

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