CN102204125A - 具有阈值电压补偿的光接收器 - Google Patents

Abstract

一种光接收器包括光检测器，其具有被放置用于检测光数据信号的输入端。光检测器在输出端生成与光数据信号的光强度成比例的电压。差分放大器包括与光检测器的输出端电连接的数据输入端，以及判定阈值电压信号输入端。差分放大器在数据输出端生成数据信号并且在data_bar输出端生成反转数据信号。判定阈值电压信号生成器包括与差分放大器的判定阈值电压信号输入端耦接的输出端。判定阈值电压信号生成器生成具有以下振幅的判定阈值电压信号，该振幅使得差分放大器在生成的数据信号与反转数据信号之间保持基本恒定的差分电压。

Description

具有阈值电压补偿的光接收器

在此使用的部分标题仅用于组织的目的并且不应该解释为限制本申请中描述的主题。

背景技术

因为光纤具有非常低的光衰减、宽的带宽、以及是安全的，大多数光通信系统采用光纤以便传播光数据信号。对带宽的需求正在驱使光传输系统向全部规模的家庭以及单位的扩张。单波长光纤系统可支持大量的数据率。然而，例如HDTV、点播电视节目、因特网电话、以及远程呈现的服务可能需要非常高的带宽。

大多数当前的光通信系统采用通过1位和0位表示的二进制信号的数字传输。最具技术发展水平的光通信系统采用多波长光信号以便达到期望的带宽。采用波分复用(Wavelength division multiplexing，WDM)来在单光纤上同时地传输许多高容量光信号。每个在WDM光通信系统中传播的光信号在光放大器的增益光谱内占用其自身的波长，所述光放大器用于弥补用于传输光信号的其它光网络元件以及光缆的插入损失。

对于通过WDM光通信系统的高位速率数据传输日益增加的需求对光纤光学电信产业呈现了显著的挑战。这些挑战中之一是当将一个或多个光信道的光路径切换至不同的光路径时，光通信系统经历大的功率波动。这个是在系统中采用的光放大器的基本的局限。这些放大器采用光功率监控器以便将信号反馈至放大器控制电路，其依次，调整输出功率以便为传输的每个WDM信号保持恒定的增益。光放大器用于重新调整功率的时间为显著的时间，典型地类似于一毫秒。在此期间，预期光链路性能的显著的下降。

附图说明

通过参照以下描述协同附图可更好地了解本发明的方面。可通过相同的参考数字指定附图中相同或相似的元件。可不重复关于这些相似元件的具体描述。附图不必为成比例。技术人员将了解到下述附图仅用于图示目的。附图不旨在以任何形式限制本公开的范围。

图1图示了对于三个不同的接收器判定阈值条件作为以dBm为单位的接收的光功率的函数的测量的位错误率数据。

图2图示了作为以dBm为单位的接收的输入功率的函数的以伏为单位的最佳接收器判定阈值的数据。

图3图示了根据本发明的光接收器。

图4图示了当调整DC偏移电压以便生成接收器的最佳BER时，根据本发明的作为以dBm为单位的接收器输入功率的函数的接收器输出交叉。

图5图示了用于具有根据本发明的自动阈值补偿系统的光接收器的闭环阈值偏移控制电路。

图6A图示了用于没有本发明的自动阈值电压补偿的光接收器的作为接收器DC偏移电压的函数的位错误率的数据图。

图6B图示了用于具有本发明的自动阈值电压补偿的光接收器的作为接收器DC偏移电压的函数的位错误率的数据图。

具体实施方式

对说明书中“一个实施例”或“实施例”的参照意思是在至少一个本发明的实施例中包括了连同实施例描述的特定的特征、结构、或特点。在说明书中各个地方短语“在一个实施例中”的出现不必全部参照相同的实施例。

应该理解的是只要本发明保持可运作，可以任何顺序以及/或者同时地执行本发明方法的单独步骤。此外，应该理解的是只要本发明保持可运作，本发明装置和方法可包括任何数量的或全部所描述的实施例。

现在将参照附图上所示的示范性实施例更加具体地描述本公开。虽然与各种实施例或实例协同描述本公开，但是不旨在将本公开局限于该实施例。正相反，正如本领域技术人员将要认识到的，本发明包含各种可替换选择、修改或等同物。那些取得了在此的公开的本领域普通技术人员将认识到在此描述的本公开范围以内的其他实现方式、修改、以及实施例、还有其它运用领域。例如，应该理解本发明的方法或装置不限于特定的数据格式或特定的数据率。实际上，可以任何数据格式类型以及任何数据率使用本发明的方法以及装置。

在目前发展水平的光通信系统中使用的光放大器采用反馈电路以便监控到放大器的输入或者到放大器的输出。放大器电路采用一系列的算法来调整光放大器的操作条件以便在输出端保持每信道恒定的功率。一旦一个信道停止，放大器感应到该变化并且调整其操作参数以便保持每信道的输出功率。这个处理所花费的时间根据特定的光放大器相当的不同。然而，几乎全部放大器输出(对于至少短暂的时间)都将要经历光瞬变，其在一些情况下，相对于每信道稳态功率可高达10dB。

几乎全部目前发展水平的光通信系统都采用光放大器以便弥补光链路插入损失。当将在光链路中传播的多信道光信号中的一些或全部信道从一个光信号路径切换到另一个光信号路径时，任一光信号路径中的功率将经历大的功率波动。在这些切换活动期间，未切换的光链路应该以尽可能小的中断运行。在一些目前发展水平的光链路中，通过添加保持链路中功率恒定的附加快速可变光衰减器来减轻该现象。附加可变光衰减器对于安装以及维护两者而言是体积庞大并且非常昂贵的。然而，大多数情况中，附加可变光衰减器不能以足够快的时间去除功率瞬变。

也可采用接收器中的自动增益控制(AGC)放大器来减轻功率瞬变的效果。自动增益控制放大器采用接收器中的光功率监控器来生成与调整RF放大器的电增益的控制电路耦接的反馈信号。然而，采用平均光功率作为反馈信号不提供精确并可预测的信号来控制AGC放大器。最终，光链路性能将依赖于接收器对这些功率波动的容限。

大多数光链路采用外部反馈机制来克服这些波动。然而，该外部反馈机制相对地缓慢并且不能处理大的动态功率变化。此外，例如EDFA的大多数光纤放大器为了保持所需的每信道功率，需要显著的时间来调整它们的增益。在此期间，可预期系统BER中显著的下降。

采用在接收到数据后区别输入数据的0位和1位的位错误率计数器来测量光链路性能。大多数接收器由光电(OE)信号转换器、继之以将输入光信号转换至数字化的电1位与0位的流的信号数字化器组成。如果在确定输入信号是1位还是0位中出现错误，光通信链路遇到位错误率错误。在光通信链路中遇到的错误的数量强烈地依赖于数字化输入光信号的处理。

在大多数光链路中的BER强烈地依赖于接收器判定阈值。接收器阈值基本上定义电平，认为高于该电平的接收的数据为二进制“1”并且认为低于该电平的接收的数据为二进制“0”。该阈值的位置强烈地依赖于在接收器的光功率。已经执行了实验以便确定BER对接收的光功率的依赖以及作为接收的光功率的函数的最佳判定阈值。

图1图示了对于三个不同的接收器判定阈值条件的作为以dBm为单位的接收的光功率的函数的测量的位错误率数据100。在该测试中使用的光信号为具有光噪声负载的不归零(NRZ)格式信号。图1呈现了第一曲线102，该第一曲线102示出当将判定阈值固定在静止设置点时(其是最常见光接收器的操作方式)位错误率的数据。呈现在第一曲线102中的数据指示随着接收的光功率被增加，位错误率的逐渐增加。

图1还呈现了第二曲线104，该第二曲线104示出当对于每个接收的光功率最优化了判定阈值时位错误率的数据。数据指示了当对于每个接收的光功率最优化判定阈值时在总系统性能中相应于大约3db的位错误率性能的改进。

此外，图1呈现了示出当将判定阈值调谐为-17dBm时位错误率的数据的第三曲线106。数据指示了在-17dBm处性能最佳。然而，数据也指示了在其它功率等级，位错误率增加了几个数量级。例如，如果然后突然将光功率从-17dBm改变至-22dBm，位错误率上升了几乎六个数量级至将导致同步丢失事件的等级。在接收的光功率中的这种改变通常发生在光切换期间。因此，曲线102、104、以及106中的数据指示，当在接收的光功率中有波动时，为了最优化性能需要持续地改变判定阈值。已知不同的接收器在类似的条件下表现不同。在已知系统中，判定阈值需要最优化以便达到最好的BER。

数字化光信号的处理具有影响处理的精确性的几个因素。这些因素的其中一个是这些数字化器用于确定输入信号是1位还是0位的判定电平。另一个重要的因素为到接收器的输入信号的形态以及稳定性。到接收器的光输入功率的变化将改变电数字化器处理的信号形态。尝试使得电信号恒定而不管到光接收器的输入功率已经显示为艰难的任务。具有非常快的响应时间(大于10微秒)的闭环反馈系统在突然的以及不可预测的功率改变下，对于保持应用于数字化器的信号的形态是必需的。

大多数光接收器具有控制管脚，其被设计以接收被选择以便改变在输出端生成的信号形态的控制电压。采用控制电压来达到阈值最优化已经显示了提供改善的BER性能。然而，使用该控制电压需要精确的反馈。因为大多数在光通信链路中使用的接收器功率监控器仅报告平均DC功率，所以对于大多数系统使用光功率反馈系统是不实际的。为了达到精确的并且有意义的闭环控制机制，需要监控关于输入信号的形态的信息。

图2图示了作为以dBm为单位的接收的输入功率的函数的以伏为单位的最佳接收器判定阈值的数据200。图2呈现了第一曲线202，该第一曲线202示出对于光通信系统作为以dBm为单位的接收的输入功率的函数的以伏为单位的最佳判定阈值的数据，该光通信系统包括具有50km长度的光纤链路。在第一曲线202中的数据指示了最佳判定阈值可强烈地依赖于接收的输入功率。图2也呈现了第二曲线204，该第二曲线204示出对于光通信系统作为以dBm为单位的接收的输入功率的函数的以伏为单位的最佳判定阈值的数据，该光通信系统具有与光发送器背对背放置的光接收器，在光发送器与光接收器之间没有光纤链路。在第二曲线204中的数据也指示了最佳判定阈值可强烈地依赖于接收的输入功率。

将第一曲线202中的数据与第二曲线204中的数据相比较指示了对于不同的系统条件最佳判定阈值显著不同。特别地，第一曲线202中的数据指示了最佳判定阈值强烈地依赖于光纤链路中的差量。由光信号的失真引起对差量的强烈依赖，因为光信号通过光链路传播。该接收器阈值的变化需要可被用于为作为光功率的函数的每个系统条件调整阈值的简单并且精确的反馈机制。

图2中的数据表示了最佳判定阈值为接收的光功率以及系统条件二者的复值函数。不能采用使用光功率的静态开环补偿系统来保持用于不同系统条件的最佳判定阈值。

图3图示了典型的光接收器300布局。光接收器300包括光电检测器302，其具有与从光发送器传输数据的光纤链路的输出耦接的光输入。电压源在期望的操作点对光电检测器302施加偏压。例如，光电检测器302可为在本领域皆熟知的PIN二极管光电检测器或雪崩光电检测器(Avalanche-Photo-Detector，APD)。光电检测器302响应从光纤链路接收的光信号生成电流信号。

将光电检测器302的输出电力地连接至跨阻抗放大器304的输入。跨阻抗放大器304将由光电检测器302生成的电流信号转换为电压数据信号。在许多实施例中，跨阻抗放大器304的转换函数在接收器302的整个操作光功率范围上相对地线性。

将跨阻抗放大器304的输出电力地与差分RF放大器306耦接。差分RF放大器306生成表示原始数据以及反转数据(data_bar)的差分输出。在大多数通常的差分放大器306中，可通过采用到RF放大器306的支臂之一的DC偏移308来调整输出数据与data_bar交叉。在大多数通常应用中，至少使用一个附加的差分放大器310以便生成更高的输出等级。

在一些实施例中，将差分放大器306的数据输出以及data_bar输出与处理第二放大差分信号以及第二放大差分信号的反转的电数据滤波器312以及电data_bar滤波器314的相应一个相连接。在可替换实施例中，将最后的差分放大器的数据输出以及data_bar输出与电数据滤波器312以及电data_bar滤波器314的相应一个电连接。例如，可采用Bessel-Thomson滤波器来改善接收器的电回送损耗与/或差分组延时。将数据滤波器312的输出电连接至接收器300的数据输出316。将data_bar滤波器314的输出电连接至接收器300的data_bar输出318。

在操作中，光电检测器302响应从光纤链路接收的光信号生成电流信号。跨阻抗放大器304将由光电检测器302生成的电流信号转换为电压数据信号。然后使用差分放大器306放大来自跨阻抗放大器304的输出。然后将来自该差分放大器306的输出馈送至数字化器电路。采用DC偏移控制308来改变差分放大器输出交叉以便最优化数字化电路的操作，其导致最优化光系统的BER。

如图2所示，作为到光接收器300的输入光功率的函数，最优化的TIA DC偏移显著地改变。此外，图1显示了利用作为光功率的函数的TIA DC偏移的最优化显著地改善光链路的性能。本发明一方面在于以下认识：将跨接RF放大器306的输出端的差分电压保持在恒定的电平将导致基本恒定的链路BER，而与光输入功率的变化无关。因此，采用本发明的方法和装置，可将BER保持在最佳的性能点。换言之，通过将RF放大器306的输出交叉保持恒定，光链路BER的性能保持在最佳点。因此，在一个实施例中，根据本发明的光接收器包括自动阈值补偿系统，其可通过将跨接光接收器的输出端的差分电压保持在基本恒定的值来保持最佳判定阈值。

图4图示了当调整DC偏移电压以便生成接收器的最佳BER时，根据本发明的作为以dBm为单位的接收器输入功率的函数的接收器输出交叉400。第一曲线402图示了根据本发明的光接收器的接收器输出交叉400，该光接收器与光发送器背对背放置，在光发送器与光接收器之间没有光纤链路。第二曲线404图示了在光通信系统中根据本发明的光接收器的接收器输出交叉，所述光通信系统包括具有50km长度的光纤链路。曲线402以及404的数据显示了根据本发明的光接收器中，对于具有将光接收器与光发送器背对背放置的光通信系统，以及包括具有50km长度的光纤链路的光通信系统二者，输出的交叉是恒定的。因此，通过使用根据本发明的光接收器，可将接收器输出交叉保持在基本恒定值，其可保持用于预定的或用于最小的BER的最优化的阈值。将接收器输出交叉保持恒定等价于将跨接数据与data_bar输出的差分电压保持在恒定值。

图5图示了根据本发明用于具有自动阈值补偿系统的光接收器502的闭环阈值控制电路500。在一个实施例中，包括数据输出504以及data_bar输出506的接收器502为连同图3描述的接收器300或等同物。数据输出504以及data_bar输出506与电子数字化器(BERT或Demux等)508的输入耦接。另外，将数据输出504与数据传输线510耦接并且data_bar输出506与data_bar传输线512耦接。

将数据传输线510与差分放大器514的第一输入耦接。将data_bar传输线512与差分放大器514的第二输入耦接。将差分放大器514的输出电连接至积分器516的第一输入520。将可调整控制电压源518电连接至积分器516的第二输入。也将可选参考电压517电连接至积分器516的第一输入。

在操作中，差分放大器514在输出端生成差分信号，其是数据传输线510上电压和data_bar传输线512上电压的放大差分。差分放大器514生成应用于积分器516的输入520的电压从而到积分器516的两个电输入具有相等的电压。可通过可调整控制电压518改变积分器516的输出锁定的电压。典型地将这个可调整控制电压调整一次来提供光链路的最佳BER性能。可选择电阻器R1至R9以及电容器C1至C2以便分别地最优化闭环电路的理想增益以及积分时间。

图6A图示了用于没有本发明的自动阈值电压补偿的光接收器的、作为接收器DC偏移电压的函数的位错误率的数据图600。传输的数据是10.709Gbps的NRZ数据信号。呈现了与传送器直接地背对背连接的接收器的位错误率数据(B-B或背对背数据)。该背对背传输系统的光信噪比为16dB/0.1nm。

呈现了接收的光功率等级等于-10dBm、-14dBm、-18dBm、以及-22dBm的数据。作为接收器DC偏移电压的函数的位错误率的数据图600指示了最佳BER强烈地依赖于接收器输入光功率。

图6B图示了用于具有本发明的自动阈值电压补偿的光接收器的、作为接收器DC偏移电压的函数的位错误率的数据图650。选择与用于获取连同图6A描述的没有本发明的自动阈值电压补偿的光接收器的数据图600的数据以及传输条件近似的数据以及传输条件。传输的数据为10.709Gbps的NRZ数据信号。呈现了与传送器直接地背对背连接的接收器的位错误率数据(B-B或背对背数据)。该背对背数据的光信噪比为16dB/0.1nm。

呈现了接收的光功率等级等于-10dBm、-14dBm、-18dBm、以及-22dBm的位错误率数据。作为接收器DC偏移电压的函数的位错误率的数据图650指示了提供最低的位错误率的接收器阈值电压本质上独立于在接收器的光功率等级。

虽然连同各种实施例以及示例描述本公开，但不意欲将本公开局限于该实施例。相反，本公开包含如本领域技术人员将认识到的各种可替换选择、修改和等同物，其可在不背离本发明精神及范围的情况下进行。

Claims (20)

1.一种光接收器，包括：

a.光检测器，其具有被放置用于检测光数据信号的输入端，所述光检测器在输出端生成与所述光数据信号的光强度成比例的电压；

b.差分放大器，其具有与所述光检测器的所述输出端电连接的数据输入端，以及判定阈值电压信号输入端，所述差分放大器在数据输出端生成数据信号并且在data_bar输出端生成反转数据信号；以及

c.判定阈值电压信号生成器，其具有与所述差分放大器的所述判定阈值电压信号输入端耦接的输出端，所述判定阈值电压信号生成器生成具有以下振幅的判定阈值电压信号，所述振幅使得所述差分放大器在通过所述差分放大器生成的所述数据信号与所述反转数据信号之间保持基本恒定的差分电压，从而，在所述光数据信号的所述强度中的波动期间减少位错误率。

2.如权利要求1所述的光接收器，其中，所述光检测器包括：光电检测器，其响应所述光数据信号生成光电流；以及跨阻抗放大器，其从所述光电流生成与所述光数据信号的所述光强度成比例的所述电压。

3.如权利要求2所述的光接收器，其中，所述光电检测器包括PIN光电二极管。

4.如权利要求2所述的光接收器，其中，所述光电检测器包括雪崩光电二极管(APD)。

5.如权利要求2所述的光接收器，其中，所述跨阻抗放大器包括：基本线性的跨阻抗放大器，其生成与所述光数据信号的所述光强度线性地成比例的电压。

6.如权利要求1所述的光接收器，还包括：第二差分放大器，其具有与所述差分放大器的所述数据输出端电连接的第一输入端以及与所述差分放大器的所述data_bar输出端电连接的第二输入端，所述第二差分放大器在数据输出端生成具有预定增益的放大的数据信号并且在data_bar输出端生成具有预定增益的放大的反转数据信号。

7.如权利要求1所述的光接收器，还包括：第一电滤波器，其与所述差分放大器的所述数据输出端电连接，以及第二电滤波器，与所述差分放大器的所述data_bar输出端电连接。

8.如权利要求7所述的光接收器，其中，所述第一以及所述第二电滤波器的至少一个包括Bessel-Thomson滤波器。

9.如权利要求1所述的光接收器，其中，所述判定阈值电压信号生成器包括：积分器，其将所述数据信号与所述反转数据信号之间的所述差分电压积分，以便生成所述判定阈值电压信号。

10.一种接收光数据信号的方法，所述方法包括：

a.生成与所述光数据信号的强度成比例的电压检测信号；

b.生成判定阈值电压信号；以及

c.生成数据信号以及反转数据信号，所述数据信号以及所述反转数据信号与所述电压检测信号与所述判定阈值电压信号之间的差成比例，其中，选择所述判定阈值电压信号以便保持在所述数据信号与所述反转数据信号之间的基本恒定的差分电压，从而，在所述光数据信号的所述强度中的波动期间减少位错误率。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述电压检测信号与所述光数据信号的所述强度线性地成比例。

12.如权利要求10所述的方法，其中，生成与所述光数据信号的所述强度成比例的电压的步骤包括：以光电检测器检测光数据信号，以及利用跨阻抗放大器将通过所述光电检测器生成的光电流转换至电压。

13.如权利要求10所述的方法，其中，生成与所述光数据信号的所述强度成比例的电压的步骤包括：生成与所述光数据信号的所述强度线性地有关的电压。

14.如权利要求10所述的方法，还包括：对所述数据信号与所述反转数据信号之间的所述差分电压积分，以便生成所述判定阈值电压信号。

15.如权利要求10所述的方法，还包括：对所述数据信号与所述反转数据信号的至少一个滤波，以便改善电回送损耗以及差分组延时的至少一项。

16.一种光接收器，包括：

a.用于生成与接收的光数据信号的强度成比例的电压检测信号的部件；

b.用于生成数据信号以及反转数据信号的部件，所述数据信号以及所述反转数据信号与在所述电压检测信号与判定阈值电压信号之间的差成比例，以及

c.用于调整所述判定阈值电压信号、以便在所述数据信号与所述反转数据信号之间保持基本恒定的差分电压的部件，所述判定阈值电压作为所述接收的光数据信号的光功率的函数。

17.如权利要求16所述的光接收器，其中，所述电压检测信号与所述光数据信号的所述强度线性地成比例。

18.如权利要求16所述的光接收器，还包括：用于生成所述判定阈值电压信号的部件。

19.如权利要求18所述的光接收器，其中，用于生成所述判定阈值电压信号的部件将所述数据信号与所述反转数据信号之间的所述差分电压积分。

20.如权利要求16所述的光接收器，还包括：用于将所述数据信号以及所述反转数据信号的至少一个滤波的部件。

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