CN102122037A - 模块式光收发器 - Google Patents

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怀特海德·托马斯
瓦赫特尔·保罗
安德烈·鲍格丹
理查森·迪安
拉尔·布雷特
诺布尔·布莱恩
莫雷蒂·安东尼
麦卡勒姆·戴维斯·S
沙伊本赖夫·约瑟夫
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Abstract

本发明提供一种光收发器，其通过光纤转换及耦接含有信息的电信号，包含符合工业标准XENPAKTM外形尺寸的一外壳，包含一电连接器，其用于与外部电缆或信息系统器件耦接及用于发送及/或接收含有信息的电通信信号，及一光纤连接器，其适用于与用于发送和/或接收光通信信号的外部光纤耦接。在外壳中提供至少一个电光子配件，其用于在含有信息的电信号与对应于该电信号的模块化的光信号之间转换，在外壳中可互换通信协议处理印刷电路板，连同模块，用于将通信信号成处理为预定电或光通信协议，如IEFE 802.3ae 10吉比特BASE LX4实体层。

Description

模块式光收发器
本申请是申请人昂科公司、申请日2004年7月27日、申请号200410071023.8、发明名称“模块式光收发器”的发明专利申请的分案申请。
参考相关申请案
本申请案是关于2004年6月14日申请的转让到共同代理人的共同代决(copend)US专利申请案系列的第10/866,265号。
技术领域
本发明是关于光收发器，及尤其是关于耦接配件或在计算机或具有电输入/输出连接器或接口的通信单元之间提供通信接口及光纤的模块，如在光纤通信链路中所使用的。
背景技术
在此项技术中已知多种光收发器，其包含转换电信号至耦接到光纤的已调整的光束的光发送部分，及自光纤接收光信号且将其转换成电信号的接收部分。传统上，光接收部分包含光组合来集中或引导自光纤的光到光电检测器上，其依次连接到电路板上的放大器/限制器电路上。光电检测器或光电二极管一般被封装在封闭地密封包中以便保护其脱离苛刻的环境条件。光电二级管一般是数百微米到几毫米宽且100-500微米厚的半导体芯片。安装它们的包一般是直径3-6mm、2-5mm长且具有一些源于包的电导线。随后焊接这些电导线到含有放大器/限制器的电路板上。
发明内容
本发明的目的是提供使用模块的、可互换的发送器及接收器子配件的改良的光收发器。
本发明的另一目的是提供为了通过不同的光发送系统与光电子组件使用的光收发器。
本发明的另一目的是提供为了通过工业标准XENPAK外壳在光发送系统中使用的光收发器。
本发明的另一目的是提供为了适合短范围及长牵引应用的在光波分多路复用的(WDM)发送系统中使用的光收发器。
本发明的另一目的是提供能场升级硬件及软件模块两者的光收发器。
本发明的另一目的是在光收发器中通过使用热传导路径以提供改良的热分散自发送器子配件至外壳或箱。
本发明的另一目的是在光收发器中通过分别在外壳及盖子组件上使用相间错杂或啮合的金属城堡状物(castellation)来提供改良的EMI屏蔽。
本发明的另一目的是提供光收发器为了用在光发送系统中通过封装在封闭地密封外壳中的主要元件以保护其不暴露在环境条件中。
本发明的另一目的是提供通过使用简单化的光元件安装及排列技术容易制造的光收发器。
简要地，且概括地说，本发明提供光收发器，其用于通过包含包括用于与外部电缆或信息系统器件的电连接器及适合与外部光纤耦接的光纤连接器的外壳的光纤转换及耦接含有信息的电信号；在外壳中用于在含有信息的电信号与对应于电信号的调整的光信号之间转换的至少一个电光子配件；及在外壳中的用于处理通信信号至预定的电或光通信协议的通信协议处理子配件。
本发明的另一方面，提供有包含运行在不同波长及经各自用于发射第一与第二激光束的第一与第二电信号模块化的第一与第二激光器的发送器子配件；及用于接收第一与第二光束且多路复用各自的光信号至单一的多波长光束的光多路复用器，其被耦接到用于发送光信号至外部光纤的光纤连接器。
本发明的另一发面，提供有包含耦接到用于接收具有复数个含有信息的信号(每一个具有不同预定波长)的多波长光信号的光纤连接器的光多路分解器的接收器子配件。光多路分解器功能是转换光信号至对应于预定波长的不同(distinct)光束。子配件包含形成光参考面且包含在第一与第二光束的路径中分别布置在其上的第一与第二光电二极管的基板。
本发明的另一方面，本发明提供包含模块化可重编程序或可互换坚固子元件的协议处理子配件，如电可变可编程的只读存储器。此子元件使用于广泛的多种不同通信协议的简单化可制造性及大规模用户化成为可能。其亦使迅速重新配置单元成为可能以处理不同协议。物质层，或上部媒体存取控制层，通过简单移动一个印刷电路板及替换另一个，或在电路板上重新编程EEPROM。
自此揭示内容、包含下列详细描述以及通过实践本发明，本发明的另外目的、优点、及新颖特征对所属领域的技术人员将变得更加明显。当下面参照较佳实施例描述本发明时，应了解本发明不限于那里。得使用本文示教的所属领域的技术人员将认可如本文所揭示及主张的在本发明范围内的且相对其可实用本发明的另外的应用、修改及在其它领域的实施例。
附图说明
图1为根据本发明发面的示范性实施例中的光收发器的分解透视图；
图2为图1收发器的功能元件的高简单化方块图；
图3为收发器子配件的分解透视图；
图4为发送器子配件的剖面透视图；
图5为用于保护光纤的柔性基板的俯视图；
图6为图5柔性基板的后视图。
具体实施方式
现在将描述本发明的细节，包含示范性方面及其实施例。参照附图及下列描述，使用象参考数字来识别类似或功能上相似的元件，且希望以简单化图表的形式来说明示范性实施例的主要特征。此外，附图无意于描述实际实施例的每一个特征或所描述的元件的相关尺寸，且不是按比例绘制的。
尤其参照图1，提供有用于运行在多模式(MM)及单一模式(SM)两者使用多个激光源的、多个光电检测器、及光多路复用及多路分解系统的光纤上的光收发器100。这使单一收发器模块能越过多重协议且以最大限度距离目标传达。将收发器100及其外壳102设计为以有效的成本且在工业标准外形尺寸或封装设计中减少的电磁干扰(EMI)及热能级达成最大的运行效率。
有利地，以模块方式制造收发器100，较佳使用三个分离安装的安装在外壳发送器子配件、接收子配件、及协议处理板上的电路板，每一个板具有专门的功能且使用任一弯曲电路彼此电连接，配合多销连接器、接地栅极阵列、或其它电互连器件。这使能够配置基本的收发器模块到不同的协议且能支持不同使用简单子配件配置的器件的变化，因此最小化制造成本且排除用于制造为了每一不同应用的不同收发器的需要。另外，使用弯曲电路或可分离的连接器来互连板考虑到模块的可互换板设计(例如，接收器、发送器及PCS功能性，每一个在分离的板上)。尽管较佳的设计使用三个板，但是为了更紧密的设计，在单一的板上可组合任意两个的功能。
板的模块化的设计亦能使热敏感元件相对于模块外壳102内部的热产生元件(激光器与ICs)放置在理想的位置中。其同样能使在最后组装前独立地测试及检验分离的模块子配件方便且实际。另外，弯曲或其它互连考虑到制造多种多样的板(PX、TX、PCS)来用平行进行代替连续进行，因此减少用于整个单元的制造时间。
现在参看图1与2，根据本发明的较佳实施例已展示示范性光收发器模块100。在这个特定实施例中，模块100适应IEEE 802.3ae 10GBASE-LX4物质媒体依赖子层(PMD)及XENPAK(TM)外形尺寸。然而应注意的是，可配置收发器模块100在多种多样其它适应的协议(如光纤通道或SONET)下运行且在多种多样替代的外形尺寸如X2中生产。模块100较佳是10吉比特粗糙的波分多路复用(CWDM)收发器，其具有四个3.125Gbps分布反馈激光器并且提供经由传统安装的多模光纤的300米发送及经由标准单模光纤10到40km的发送。
收发器模块100包含具有底座104及盖子106的上下两件外壳102。另外，提供接触带152也使模块接地到底盘地面。外壳102由印模压铸或碾磨过的金属构成，所述金属较佳为印模压铸的锌，尽管同样可以使用其它材料，如特制的塑料及类其似物。较佳，在外壳构造中使用特殊材料帮助减少EMI。通过使用沿外壳102边缘形成的城堡形物(未图示)可达到EMI进一步减少。
外壳102的前面末端包含用于保护一对插座124、126的面板132。配置插座124、126以接收光纤连接器插头128、130。在较佳实施例中，配置连接器插座128、130以接收工业标准SC双的连接器(未图示)。同样，提供键控通道132及134以确保SC连接器是插入到它们正确的方向。此外，如在示范性的实施例及本文进一步所论述中所展示的，连接器插座130接收SC发送连接器且连接器插头128接收SC接收器连接器。
具体来说，外壳102拥有三个电路板，包含发送板108、接收板110及物质模式子层(PCS)/物质媒体附着(PMA)板112，使用其来提供到外部电系统(未图示)的电接口。光多路复用器(MUX)114在TO-罐中经由四个分布反馈(DFB)激光器116的组合接合至发送板108in。使用激光器支架118保护激光器116在外壳102底部适当的位置。激光器支架118同样可行使用于冷却激光116器的散热器的功能。另外，通过分别的弯曲互连120、或其它板对板连接器连接发送板108及接收板110到PCS/PMA板112。提供热传导缝隙垫160及161以发送通过激光器或其它组件产生的热至外壳的底座104或盖子106，其充当散热器。使用热传导粘合剂直接安装接收器子配件110于外壳底座104上以达到热分散。为了更一致的热分散，不同的子配件因此分散热到外壳的不同部分。如图1、5与6所说明的，四个激光器116的输出随后输入至光MUX114。安装MUX114于柔性基板140上。基板140可为光柔性平的材料，如自Molex，Inc.of Lisle，IL可得到的FlexPlaneTM，但是也可使用其它柔性基板。如所展示的，安装源自激光器组装116且将被输入至MUX114的光纤117a、117b、117c、117d到基板140上。被发送到发送连接器插头130的MUX 114的输出同样附着在基板140上。以此方式发送且光纤117a、117b、117c、117d使得最小化在光纤中的突然弯曲以避免光损耗及机械故障。
基板140在一部分直接位于重新定时器IC或安装在PCS/PMA板1 12上的其它热产生组件上方的材料中包含开口142或孔，开口142大体上的区域是基板140未使用的部分的大小，使在盖子上的散热器能接触热发送缝隙垫160，使得提供到板上安装组件的通道。如果不是因为开口142这个区域通常将是不能进入的。例如，可安装散热器在时脉及数据恢复组件202、208中以允许进入PCS/PMA板1 12，不会有在基板140上光纤发送的干扰且不要移动安装的基板140。
在使用柔性基板140时了解到一些另外的优点。具体来说，附着光纤到基板140上，而不是允许光纤在收发器模块外壳102内部自由移动，整洁地维持光纤的发送以防止在收发器的组装过程中不必要的缠结及破损。此外，附着光纤到基板140上大大减少光纤上的压力，因此减少形成在光纤涂层中的显微裂纹的发生。
图2说明了收发器100的示范性功能区块图，如在其中所展示的，收发器100包含从属部件(slave)MDIO/MDC接口200，其接合至板外的主件(master)MDIO/MDC 190，为了控制收发器100的运行。收发器100的发送部分，其接收自媒体存取控制器(MAC)180的信号，包含时脉及具有道(lane)排列功能的数据恢复模块202，一个或多个用于驱动为了输出光束的DFB激光器组合116的激光驱动器204。收发器100接收部分，其提供信号到外部MAC180，包含时脉及具有XAUI道(lane)排列功能的数据恢复模块202。
时脉数据恢复模块202接收自方形互阻抗放大器/限幅放大器(TIA/LIA)210的信号，方形互阻抗放大器/限幅放大器(TIA/LIA)210自方形InGaAs PIN 212接收信号。光多路分解器214接收光束到收发器100中且传递多路分解光束到InGaAs PIN 212上。收发器100经由10吉比特延伸的的附着单元接口(XAUI)兼容的电接口188与MAC180通信。通过外部符合IEEE 802.3ae的10吉比特媒体独立接口(XGMII)184、XGMII延伸器子层(XGXS)186及调和(Reconciliation)子层182来完成XAUI接口188与MAC 180之间的通信。
可互换PCS/PMA板112包含MDIO/MDC 200、时脉及数据恢复重新定时电路202、208及以156.25MHZ运行的板上参考时脉。其它协议如光纤通道可由类似的板支持。利用IEEE45条电气规范书使从属部件MDIO/MDC 200接合到主件MDIO/MDC 190且利用IEEE22条电气规范书接合到时脉及数据恢复模块202、208。从属部件MDIO/MDC 200同样接合到方形激光驱动器204及方形TIA/LIA 210上。可使用场可编程门阵列(EPGA)或微控制器来实施从属部件MDIO/MDC的功能。此外，MDIO/MDC 200接合到EEPROM201或用于另外功能性的其它永久存储器上。例如，可使用EEPROM 201用于实施控制及诊断能力，开始配置参数，在收发器自身内部制造数据、序号、或其它数据。
MDIO/MDC 200使收发器100能高度安全运行，它是到板外主件MDIO/MDC 190的从属器件。在本发明中MD 10器件的主件/从属部件配置的一个特别优点是EPGA允许操作者控制激光器及其它收发器功能，且防止自外源通过恶意的程序或函数重编程序。这是可能的因为仅预定函数或程序(操作者认为是经审定的)是可用在从属部件MDIO/MDC 200上执行。
发送板108包含方形激光驱动器204，通过方形激光驱动器204四个DFB激光组合116接合到发送板108。有利地，因为使用四个分离的激光器的配置，与单一激光器相反，可使用较低速度及较低成本的驱动器，且以一个较远距离的目标。用于10吉比特以太网市场的收发器外形尺寸类型中的一个是XENPAK LX4收发器。这个收发器以广泛的波分多路复用(WWDM)为基础，其中光信号由四个通过单一光纤发送的宽间隔波长组成。接收器要求自单一光纤的光分裂、或多路分解于个别光电检测器上。每个光电检测器转换它各自的光信号成电信号。
在WWDM接收段(section)的情况下，那里需要用于每一波长的分离的光电检测器。很明显在分离的密封罐中使用光电检测器导致用于此多波长接收器的大的接收段。替代地，本发明采取使用直接安装到含有放大器/限制器电路的电路板222上的单一空的多元件光电二级管阵列220的方法。
参看图1及3-6，有电路板222的接收器子配件224充当用于多路分解器226至光电二级管阵列220的附着与排列的光具座。具体来说，那里展示了校正至光电二极管阵列220的缩小的光多路分解器226，导致紧密的接收段。电路板222不仅充当用于电路的基板，而且充当用于光元件的光具座。尤其，电路板222的表面充当用于光组件的光参考面228。视情况，接收器板222是一个印刷电路板(PCB)，其由与较便宜的PCB材料相比具有较高玻璃含量且在高射频(RF)运行下提供较少信号遗失PCB材料形成。适当的材料是Rogers RO4003，可自Chandler，Arizona的Rogers Corp.得到。其比陶瓷或硅的任何一个都便宜。陶瓷或硅的使用提供使包紧密的能力。
电路板222的表面是光参考面228。光电二极管阵列220的顶面通过控制其厚度在50微米内及其附着材料如胶或焊料230的厚度被设定在预定的高度。多路分解器226同样附着在这个表面。多路分解器输出232因此在光电二极管阵列220的上方处于50微米内的预定高度。
更具体地，光电二极管阵列220的块与块的厚度可不同且通过环氧、焊接或熔接(bonding)可变厚度的易熔金属附着到电路板222上。制造熔接材料的厚度到控制的厚度使得光电二极管的活动表面在电路板表面的上方处于预定的高度以致于配合焦点(focus)距离。随后在平行于光电二极管阵列表面的平面中相对于光电二级管阵列220的活动区域校正缩小的光多路分解器226。多路分解器226具有精确的厚度使得当其建立在由电路板表面定义的光参考面228上时，多路分解器226的光出口表面是在光电二极管阵列226上方的正确高度上。
在本发明中利用和实施多路分解器226是较佳在第6,542,306号美国专利中所描述的，因此以引用的方式并入本文中，且包含具有上表面与下部部分的光区块。光区块具有至少一个光元件及复数个波长选择元件与反射器。光区块特别定位在引导光束构件的顶部上。在本发明的较佳实施例中，光区块与引导光束构件两者是光学透明的。
具体来说，如在上面著名的美国专利中所描述的，一般安置至少一个光元件在光区块的上表面上。它的功能主要是集中且引导沿指定的光信号路径的多波长光信号。此外，一般安置波长选择元件于光区块上表面的下方。波长选择元件是经设计的且运行着以接收自光元件的光信号。而且，一般安置复数个反射器于光区块的上表面上且与波长选择元件相对。由于此战略上的定位及定向，反射器能引导光信号自一个波长选择元件到临近的波长选择元件。其后。引导光束构件，其安置在大约光区块的下部，运行以重新引导和集中光信号自波长选择元件到光电二极管阵列220。尽管上面描述的多路分解器是较佳的，也可使用用于多路分解信号的其它光学配置，且此替代配置是在本发明的范围内的。
本发明实施收发器100，收发器100利用四个标准的、可商业上购买的光纤尾线式(pigtailed)激光器116，它接合至装有保险丝的双锥形(FBT)耦接器114上以收集和多路复用激光辐射成单一光纤。在光纤尾线式激光器116中使用光纤且附加FBT114到柔性基板材料140上。这防止光纤缠结及破损但是保持容易弯曲且因此容易一起工作。柔性基板材料140可为光柔性平面材料，如从Molex购买的FlexPlaneTM，从Dupont deNemours and Company of Wilmington Delaware购买的Inc、of Lisle、IL、或KaptonTM。也可使用其它柔性基板。在整个弯曲140上使用一致的涂层用于保护光纤到弯曲140上。
如上面以前标注的，当使用柔性基板140而不是允许光纤在收发器模块外壳102内自由移动时将会了解一些另外的优点，整洁地维持光纤的发送防止不必要的缠结。此外，附着光纤到基板140上大大减少光纤上的压力，因此减少形成在光纤涂层中的微裂纹的发生。以此方式发送和附着光纤使得在光纤中的突然弯曲。
本发明的附加的修改和改良对所属领域的技术人员而言也是显而易见的。因此，本文所描述及说明部分的特别的结合希望是仅代表本发明的某个实施例，且不希望是充当限制在本发明精神及范围内的替代器件。可在数字电路、或计算机硬件、固件、软件、或它们的结合中实施与本发明的协议处理方面相关的多种多样方面的技术和装置。可在计算机产品中，以有形地并入可读机器存储器件，其用于通过可编程的处理器来执行中、或并入位于网点或可自动或按需要下载到收发器的网站的软件来实施本发明的装置。可实行前述技术，例如，单一中央处理器、多处理器、一个或多个数字信号处理器、逻辑门的门阵列、或用于执行指示的一序列信号或程序的硬布线的逻辑电路以通过在输入数据上运行和产生输出来实行本发明的功能。可在一个或多个包含耦接的以接收数据和指示形成、及发送数据和指示的至少一个可编程处理器的可编程的系统上的可执行的计算机程序，数据存储系统，至少一个进/出器件，及至少一个输出器件中有利地实施本方法。可在高级程序上的或面向对象的程序语言中，或必要时在组装或机器语言中实施每一计算机程序；及在任何情况下，语言可编辑或翻译语言。经由实例，适当的处理器包含一般或特殊目的的微处理器两者。通常，处理器将自只读存储器及/或随即存取存储器接收指示及数据。适于有形地并入计算机程序指示及数据的存储器件包含永久存储器的所有形式，经由实例包含半导体器件，如EPROM、EEPROM，及闪存器件；磁盘如内部硬盘及可移动盘；磁光盘；及CD-ROM盘。上述的任何一个可被补充或合并到特别设计的特定应用的集成电路(ASICS)中。
将了解，上面描述的每一个元件或两个或更多一起的，可同样在不同于上面描述类型的其它类型的构造中发现有用的应用。
虽然已经在用于光通信网络的收发器中具体化的描述及说明本发明，但是并不希望受限于该等详细的展示，因为可做各种各样的修改及结构上的变化，而不会以任何方式脱离本发明的精神。
不做进一步分析，前述的将完全的展现本发明的要点，通过应用当前的知识，容易地使它适用于各种应用而不会忽略来自现有技术立场看来的特征，清楚地建立了本发明的一般或特定方面的本质特征，且因此，此等适用应该且欲涵盖在下列权利要求的等效的意义及范围内。

Claims (10)

1.一种用于通过一光纤来转换及耦接一含有信息的电信号的光收发器，其包括：一外壳，其包含一电连接器，其用于与一外部电缆或信息系统器件耦接及用于发送及/或接收一含有信息的电通信信号；一光纤连接器，其适合于与用于发送及/或接收一光通信信号的一外部光纤耦接；及一底座构件及一盖子构件形成一可插入模块；
一收发器子配件，其位于所述外壳中，其包含：(i)以不同波长运行及经分别用于发射第一与第二激光束的第一与第二电信号模块化的第一与第二激光器；(ii)一用于接收该等第一与第二光束且将各光信号多路复用成一单一的多波长光束的光多路复用器，其被耦接到所述用于发送该光信号至一外部光纤的光纤连接器；及(iii)一第一电互连；
一接收器，其位于所述外壳中，其包含：一耦接到所述光纤连接器的光多路分解器，所述光多路分解器用于接收一具有复数个各自具有不同预定波长的含有信息的多波长光信号，且将该光信号多路分解成对应于所述预定波长的不同的光束；多个光电二极管，所述多个光电二极管中的每一者安置于一不同的光束的路径中的一支撑件上，该等光电二极管功能是将该等各光信号转换成一电信号，及一用于传输所述电信号的第二电互连；及
在该外壳中的一通信协议处理子配件，其用于将该通信信号处理成一预定的电或光通信协议，所述预定的电或光通信协议支持至少10吉比特数据率。
2.根据权利要求1所述的光收发器，其进一步包括一安装在所述通信协议处理子配件上的一刚性的电互连。
3.根据权利要求1所述的光收发器，在所述通信协议处理子配件包括一连接到所述收发器子配件的所述第一互连的第三互连和一连接到所述接收器子配件的所述第二互连的第四互连。
4.根据权利要求3所述的光收发器，其中所述第一和第三电互连中的一者以及所述第二和第四电互连包括柔性电互连。
5.根据权利要求3所述的光收发器，其中所述第一和第三电互连中的一者以及所述第二和第四电互连包括刚性电互连。
6.根据权利要求1所述的光收发器，包括一个或多个热传导缝隙垫，所述热传导缝隙垫与所述激光器中的至少一者和所述底座构件及盖子构件中的至少一者接触。
7.根据权利要求1所述的光收发器，包括(1)一个或多个热传导缝隙垫中的至少一者，所述热传导缝隙垫与所述通信协议处理子配件的至少一个热产生组件和所述底座构件及盖子构件中的至少一者接触，或(2)一热传导缝隙垫，其位于所述子配件中的至少一者和用于分散来自所述至少一个子配件的热的所述外壳之间。
8.根据权利要求1所述的光收发器，其中所述多路复用器安装到一柔性基板。
9.根据权利要求8所述的光收发器，包括安置于该外壳内的复数个光纤，其在所述第一和第二激光器与该多路复用器之间延伸；其中所述复数个光纤安装到所述柔性基板。
10.根据权利要求1所述的光收发器，所述子配件中的至少一者使用一热传导材料直接安装到所述外壳上。
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