CN102932066B - 一种光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光模块，所述光模块包括：激光发射单元，其包括激光器及其驱动电路，所述驱动电路根据所述光模块接收的数字差分电信号驱动所述激光器发射光信号；所述激光器中内置有加热电阻；MCU和加热控制电路，所述MCU用于在获取温度传感器检测的温度值后，确定出与获取的温度值相对应的电压输出值；根据确定出的电压输出值，从其一个DAC输出端口输出相应电压到所述加热控制电路的控制端控制流过所述加热电阻的电流。由于在激光器中内置了一个加热电阻，并MCU通过简单的加热控制电路来控制通过加热电阻的电流，不用采用成本较高的内置TEC的激光器来实现控制激光器温度，大大降低了光模块的成本。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术，尤其涉及一种应用于粗波分复用系统中的光模块。
背景技术
随着网络中光通信技术的广泛应用，各种光网络被应用到各种领域。例如，GBE（千兆以太网）、EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太网无源光网络）、GPON（Gigabit Passive Optical Network，吉比特无源光网络）等光网络被应用于各种领域中。除了通常的应用环境，在一些具有极端温度环境中也需要应用到光通信技术，比如航空、航海等环境。
光模块作为电信号与光信号之间进行转换的设备为光网络中不可或缺的；然而，光模块的工作往往会受到环境温度的影响，尤其是光模块发射的激光波长会随着温度的改变而漂移。尤其是对于采用CWDM（粗波分复用）技术的光网络系统，由于一根光纤里要传输多个光波长的信号，通信标准要求每个信道间隔20nm，每一个信道光波长在典型波长+/-6.5nm以内；因此，激光波长的漂移不但会影响本信道的信号传输，还会干扰其它信道的信号传输。
由于光模块激光波长漂移的原因，CWDM系统的中的光模块激光器只能工作在0～70℃的温度范围。目前，为了让光模块可以在更宽的温度范围内工作，则采用基于TEC（Thermoelectric cooler，热电制冷器）技术的激光器；然而，这使得光模块的成本大大提高。
发明内容
本发明的实施例提供了一种光模块，可以在更宽的温度范围内工作，并具有较低成本。
根据本发明的一个方面，提供了一种光模块，包括：
激光发射单元，其包括激光器及其驱动电路，所述驱动电路根据所述光模块接收的数字差分电信号驱动激光器驱动所述激光器发射光信号；所述激光器中内置有加热电阻；
微程序控制器MCU和加热控制电路，所述MCU用于在获取温度传感器检测的温度值后，根据预先存储的温度值与电压输出值的对应关系，确定出与获取的温度值相对应的电压输出值；根据确定出的电压输出值，从其一个DAC输出端口输出相应电压到所述加热控制电路的控制端；
所述加热控制电路根据其控制端的电压控制流过所述加热电阻的电流。
较佳地，所述温度传感器内置于所述MCU中。
所述加热控制电路具体包括：三极管Q1和电阻R1；
其中，所述电阻R1的一端连接于Q1的基极，另一端作为所述加热控制电路的控制端与所述MCU的DAC输出端口相连；
所述三极管Q1的集电极、发射极以及所述加热电阻串接于电源和地之间。
进一步，所述光模块还包括：第一滤波电路；
所述MCU的一个PWM输出端口与第一滤波电路的输入端相连，第一滤波电路的输出端与所述驱动电路相连；
所述MCU通过该PWM输出端口输出特定占空比的PWM波到第一滤波电路；
第一滤波电路对PWM波进行滤波后，从其输出端输出与PWM波的占空比相应的电压到所述驱动电路，用以控制调节所述驱动电路输出到所述激光器的偏置电流。
较佳地，第一滤波电路具体为二级RC滤波电路。
进一步，所述光模块还包括：第二滤波电路、APD升压芯片，以及激光接收单元；
所述MCU还用于在获取温度传感器检测的温度值后，根据存储的温度值与占空比值的对应关系，确定出与获取的温度值相对应的占空比值，根据确定出的电压输出值，通过另一个PWM输出端口向第二滤波电路输出相应占空比的PWM波；
第二滤波电路对接收的PWM波进行滤波后，从其输出端输出与接收的PWM波的占空比相应的电压到所述APD升压芯片；
所述APD升压芯片对第二滤波电路107输出的电压进行升压，并将升压后的电压输出到所述激光接收单元中的APD。
较佳地，第二滤波电路具体为二级RC滤波电路。
进一步，所述MCU还用于通过另一个DAC输出端口控制所述驱动电路输出到所述激光器的偏置电流。
较佳地，所述激光器具体采用分布反馈式激光器。
所述光模块应用于同步数字系列光端机中，或光网络单元中，或光线路终端中。
本发明实施例的光模块中，由于在激光器中内置了一个加热电阻，并MCU通过简单的加热控制电路来控制通过加热电阻的电流，达到控制激光器温度的目的，使得光模块在更低的环境温度下也可正常工作，使得光模块的工作温度范围更宽；并且，由于不用采用成本较高的内置TEC的激光器来实现控制激光器温度，大大降低了光模块的成本。
进一步，光模块中的MCU通过两个DAC输出端口分别控制调节加热电阻的电流和调制电流，通过两个PWM输出端口分别控制调节偏置电流和APD电压；从而节省了MCU内置的DAC，可以采用成本更低的MCU实现上述功能，达到进一步降低光模块成本的目的。
附图说明
图1为本发明实施例的光模块的内部电路框图；
图2为本发明实施例的激光器内部集成器件示意图；
图3为本发明实施例的加热控制电路的一种具体的电路图；
图4为本发明实施例的激光接收单元内部电路示意图；
图5为本发明实施例的二级RC滤波电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
本申请使用的“模块”、“系统”等术语旨在包括与计算机相关的实体，例如但不限于硬件、固件、软硬件组合、软件或者执行中的软件。例如，模块可以是，但并不仅限于：处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行程序、执行的线程、程序和/或计算机。
本发明实施例的光模块，在激光器中内置一加热电阻，通过MCU来控制通过加热电阻的电流，达到调节激光器温度、避免激光波长随温度漂移过大的作用，从而使得光模块可以在更宽的环境温度范围内，比如在-10℃～70℃的温度范围内正常工作；由于没有采用更为昂贵、控制电路更为复杂的内置TEC的激光器，本发明的光模块的成本很低。
下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。本发明实施例的光模块的内部电路如图1所示，包括：激光发射单元101、激光接收单元102、MCU（Microprogrammed Control Unit，微程序控制器）103、加热控制电路104。
激光发射单元101用以根据光模块接收的电信号发射光信号；例如，若光模块具体为ONU（光网络单元）光模块，则激光发射单元101接收ONU系统设备发送的数字差分电信号，并根据接收的数字差分电信号发射相应的光信号。
激光发射单元101中包括：激光器121及其驱动电路122。激光发射单元101的驱动电路122根据光模块接收的电信号驱动激光器121中的激光发射光源发射特定波长的光信号。即驱动电路122根据光模块接收的数字差分电信号驱动激光器121中的激光发射光源（图2中的LD）发射特定波长的光信号。如图2所示，激光器121中内置了加热电阻Rt。
MCU103中内置有DAC（Digital-to-Analog Converter，数字模拟转换器），的MCU103中的一个DAC输出端口与加热控制电路104的控制端相连。DAC输出端口输出端口也可称为模拟量输出端口，用以输出模拟量。MCU103获取温度传感器检测的温度值后，根据预先存储的温度值与电压输出值的对应关系，确定出与获取的温度值相对应的电压输出值，根据确定出的电压输出值，MCU103从DAC输出端口输出相应电压到加热控制电路104的控制端。
具体地，MCU103获取温度传感器检测的温度值后，可以将获取的温度值与预先设定的温度阈值进行比较；若获取的温度值大于温度阈值，则查找电压值表，根据电压值表中记录的温度值与电压输出值的对应关系，确定出与获取的温度值相对应的电压输出值，根据确定出的电压输出值，MCU103从DAC输出端口输出相应电压到加热控制电路104的控制端；否则，MCU103从DAC输出端口输出的电压为0，或者从DAC输出端口不输出电压。上述的温度阈值本领域技术人员可以根据实际情况进行设置，例如，设置的温度阈值为0℃，或者-10℃。
加热控制电路104根据其控制端的电压，控制流过激光器121中的加热电阻的电流，从而实现控制、调节激光器121的温度，保证光模块即使处于-10℃以下的温度环境中，激光器121也可以正常工作。
上述的温度传感器可以是设置在光模块中，靠近或贴近激光器121；或者，温度传感器是内置于MCU103中的。较佳地，为节省电路空间，本发明实施例的光模块可采用具有内置温度传感器的MCU。
事实上，光模块中设置的温度传感器所检测的温度值虽然不能直接反映激光器121内的温度，但其检测的温度值与激光器121内的温度具有相应的关系；例如，对于内置于MCU103中温度传感器，如果激光器121内的温度越高，则也会使得激光器121周围的温度越高，进而使得光模块中的温度越高，也就使得内置于MCU103中温度传感器所检测的温度值越大；可以事先通过实验，获知激光器121内的温度与MCU103中温度传感器所检测的温度值之间的关系，以及激光器121内的温度与激光器121发射的光信号的波长的关系，以及MCU103从DAC输出端口输出的电压与激光器121内的温度的关系；根据这三个关系确定出上述的电压表，从而可以通过获取温度传感器所检测的温度值，向加热控制电路104的控制端输出相应电压，达到控制、调节激光器121内温度的目的，达到控制激光器121发射的光信号的波长在一定波长范围内的目的，使得激光器121发射的光信号的波长不会漂移过大，从而使得光模块可以在更宽的温度范围内，更低的工作环境下正常工作。
加热控制电路104的一种具体电路，如图3所示，包括：三极管Q1，以及与Q1基极相连的电阻R1。
电阻R1的一端连接于Q1的基极，另一端作为加热控制电路104的控制端与MCU103的DAC输出端口相连。Q1的集电极、发射极以及激光器121中的加热电阻Rt串接于电源和地之间；具体地，Q1的集电极与电源相连，Q1的发射极与激光器121中的加热电阻Rt的一端相连，Rt的另一端连接到地。由此，MCU103从DAC输出端口输出的电压可以控制Q1的开启程度，从而控制流过Q1的电流，进而控制流过Rt的电流。
显然，本领域技术人员可以根据本发明实施例公开的技术方案，采用其它的电路来实现加热控制电路104的功能，例如，采用MOS（Metal OxideSemiconductor，金属氧化物半导体）管等来实现加热控制电路104的功能。
光模块中还包括激光接收单元102，其用以接收光信号，根据接收的光信号输出相应的电信号。例如，若光模块具体为ONU（光网络单元）光模块，则激光接收单元102接收OLT（光线路终端）发送的下行光信号，并根据接收的光信号输出相应的数字差分电信号。激光接收单元102的内部电路如图4所示，包括：限幅放大电路和光接收组件；光接收组件中包括：APD和TIA（跨阻放大器）。
事实上，为了保证光模块的正常工作，MCU还需要对偏置电流、调制电流以及APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管）电压进行控制调节。而现有技术的光模块中，MCU都是通过3个内置的DAC分别对偏置电流、调制电流以及APD电压进行控制调节；如果，再增加本发明中的加热控制电路，则MCU需要4个内置的DAC。而MCU中内置DAC的成本很高，因此，内置4个DAC的MCU的成本将非常高，采用4个内置DAC的MCU将使得光模块的成本非常高。
为了进一步降低本发明光模块的成本，本发明的光模块采用如下方法对偏置电流、调制电流以及APD电压进行控制调节；具体地，本发明的光模块中还包括：APD升压芯片105、第一滤波电路106、第二滤波电路107。
MCU103中内置的另一个DAC，其输出端口与激光发射单元101的驱动电路122相连，MCU103通过该DAC输出端口输出相应电压控制驱动电路122输出到激光器的调制电流。MCU103通过DAC输出端口控制驱动电路122输出到激光器的调制电流的方法与现有技术中MCU控制驱动电路输出的调制电流的方法相同，此处不再赘述。
与现有技术不同的是，本发明的MCU103中内置了两个PWM模块，用以输出PWM信号；MCU103通过这两个PWM模块分别对偏置电流以及APD电压进行控制调节：
MCU103的一个PWM输出端口与第一滤波电路106的输入端相连，第一滤波电路106的输出端与激光发射单元101的驱动电路122相连。
MCU103通过该PWM输出端口输出特定占空比的PWM波到第一滤波电路106，第一滤波电路106对PWM波进行滤波后，从其输出端输出与PWM波的占空比相应的电压；第一滤波电路106输出端输出的电压用以控制调节驱动电路122输出到激光器的偏置电流。由此，MCU103可以通过调节该PWM输出端口输出的PWM波的占空比，控制第一滤波电路106输出的电压，进而通过控制第一滤波电路106输出的电压，实现控制调节驱动电路122的偏置电流。一般而言，在光模块工作过程中，MCU103输出到第一滤波电路106的PWM波的占空比为固定的，不需要进行调节；即第一滤波电路106输出的电压为驱动电路122的偏置电流提供了一个基础量，而驱动电路122本身会根据激光器中内置的APD反馈的发射的光信号的功率自动在偏置电流的基础量上进行偏置电流的负反馈调节。
MCU103的另一个PWM输出端口与第二滤波电路107的输入端相连，第二滤波电路107的输出端与APD升压芯片105的输入端相连；APD升压芯片105的输出端与激光接收单元102相连；
APD升压芯片105用于对从其输入端输入的电压进行升压，并将升压后的电压从其输出端输出，APD升压芯片105输出端输出的电压被提供给激光接收单元102中的APD。
在光模块工作过程中，MCU103可以调节输出到第二滤波电路107的PWM波的占空比，从而调节第二滤波电路107的输出端输出的电压，进而调节了APD升压芯片105输出端输出的电压，达到了调节激光接收单元102中的APD电压的目的。具体地，MCU103中存储了温度值与占空比值的对应关系，MCU103在获取温度传感器检测的温度值后，根据存储的温度值与占空比值的对应关系，确定出与获取的温度值相对应的占空比值，根据确定出的占空比值，MCU103通过上述的另一个PWM输出端口向第二滤波电路107输出相应占空比的PWM波，第二滤波电路107对接收的PWM波进行滤波，从其输出端输出与接收的PWM波的占空比相应的电压到APD升压芯片105；APD升压芯片105对第二滤波电路107输出的电压进行升压，并将升压后的电压输出到激光接收单元102中的APD；从而实现控制激光接收单元102中的APD的电压。
上述的第一滤波电路106以及第二滤波电路107中的具体电路具体可以是RC滤波电路；较佳地，可采用如图5所示的二级RC滤波电路，包括：两个电阻R401、R402，以及两个电容C401、C402。其中，R401的一端作为滤波电路的输入端，R401的另一端与R402的一端相连，R402的另一端作为滤波电路的输出端；C401的一端与R401和R402的连接点相连，C401的另一端接地；C402跨接于滤波电路的输出端与地之间。
较佳地，为实现2.5G速率下的80km的长纤传输，光模块的激光器121具体可以采用输出光功率较强的分布反馈式激光器（DFB），以及激光接收单元102中的光电二极管具体采用雪崩光电二极管（APD），以获得较大的发送光功率和较好的灵敏度，使系统余量够大，满足80km的传输。
上述的光模块具体可以应用于粗波分复用系统中的SDH（SynchronousDigital Hierarchy，同步数字系列）光端机中，或者应用于GBE光端机中，或者应用于ONU中，或者应用于OLT（光线路终端）中。
本发明实施例的光模块中，由于在激光器中内置了一个加热电阻，并MCU通过简单的加热控制电路来控制通过加热电阻的电流，达到控制激光器温度的目的，使得光模块在更低的环境温度下也可正常工作，使得光模块的工作温度范围更宽；并且，由于不用采用成本较高的内置TEC的激光器来实现控制激光器温度，大大降低了光模块的成本。
进一步，光模块中的MCU通过两个DAC输出端口分别控制调节加热电阻的电流和调制电流，通过两个PWM输出端口分别控制调节偏置电流和APD电压；从而节省了MCU内置的DAC，可以采用成本更低的MCU实现上述功能，达到进一步降低光模块成本的目的。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光模块，包括：激光发射单元、微程序控制器MCU、加热控制电路、第一滤波电路、第二滤波电路、APD升压芯片，以及激光接收单元，其中，
激光发射单元，包括激光器及其驱动电路，所述驱动电路根据所述光模块接收的数字差分电信号驱动所述激光器发射光信号；所述激光器中内置有加热电阻；
微程序控制器MCU，所述MCU用于在获取温度传感器检测的温度值后，根据预先存储的温度值与电压输出值的对应关系，确定出与获取的温度值相对应的电压输出值；根据确定出的电压输出值，从其一个DAC输出端口输出相应电压到所述加热控制电路的控制端；
加热控制电路，所述加热控制电路根据其控制端的电压控制流过所述加热电阻的电流；
第一滤波电路，所述MCU的一个PWM输出端口与第一滤波电路的输入端相连，第一滤波电路的输出端与所述驱动电路相连；所述MCU通过该PWM输出端口输出特定占空比的PWM波到第一滤波电路；第一滤波电路对PWM波进行滤波后，从其输出端输出与PWM波的占空比相应的电压到所述驱动电路，用以控制调节所述驱动电路输出到所述激光器的偏置电流；
第二滤波电路，所述MCU的另一个PWM输出端口与第二滤波电路的输入端相连，第二滤波电路的输出端与所述APD升压芯片相连；所述MCU获取温度传感器检测的温度值后，根据存储的温度值与占空比值的对应关系确定出与获取的温度值相对应的占空比值，根据确定出的电压输出值向第二滤波电路输出相应占空比的PWM波；第二滤波电路对接收的PWM波进行滤波后，从其输出端输出与接收的PWM波的占空比相应的电压到所述APD升压芯片；所述APD升压芯片对第二滤波电路输出的电压进行升压，并将升压后的电压输出到所述激光接收单元中的APD。
2.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述温度传感器内置于所述MCU中。
3.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述加热控制电路具体包括：三极管Q1和电阻R1；
其中，所述电阻R1的一端连接于Q1的基极，另一端作为所述加热控制电路的控制端与所述MCU的DAC输出端口相连；
所述三极管Q1的集电极、发射极以及所述加热电阻串接于电源和地之间。
4.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，第一滤波电路具体为二级RC滤波电路。
5.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，第二滤波电路具体为二级RC滤波电路。
6.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，
所述MCU还用于通过另一个DAC输出端口控制所述驱动电路输出到所述激光器的偏置电流。
7.如权利要求1-6任一所述的光模块，其特征在于，所述激光器具体采用分布反馈式激光器。
8.如权利要求7所述的光模块，其特征在于，所述光模块应用于同步数字系列光端机中，或光网络单元中，或光线路终端中。
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