CN106506086B - 光到光收发器及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光到光(O2O)信号路径，包括此路径的O2O和混合型收发器，包含一个或多个所述收发器的网络系统或装置，及其制造和使用方法。所述O2O信号路径包括第一和第二端口，和光学放大器，用于通过第一端口接收来自主机或网络的光信号并通过第二端口为主机和网络中另一个发送光放大信号。在某些例子中，所述O2O信号路径还包括一个或多个光隔离器和/或时钟和数据恢复功能。O2O信号路径中的光信号完全在光域中进行处理。所述收发器包括O2O信号路径且包括光电信号路径，穿透式连接器，或第二O2O信号路径。

Description

光到光收发器及其制造和使用方法
技术领域
本发明涉及光收发器领域。更具体地说，本发明实施例适用于能够双向接收和/或发送光学数据信号，包含此收发器的光网络设备(比如光学开关和大数据存储和/或传输装置)，及其制造和使用方法。
背景技术
网络和通信带宽的需求在不断增长。由于光信号能在目前网络需求的数据速率上比电信号传输得更远，光网络已经实现了网络在更高带宽和速度上运行。
尽管数据是以光的形式通过光纤在光网络中传输，但网络装置中仍然主要用电域处理数据，比如数据中心交换机和服务器，光纤网络单元(ONU)，光网络终端(ONT)，光线路终端(OLT)，及类似装置。这创造了对数据电光转换的要求。光电转换是光收发器或光模块的重要用途。举例来说，图1为光电收发器，从主机接收电信号(比如，通过端口Rx[主机])，将接收的电信号转换为光信号，然后将光信号传输到网络(比如，通过端口Tx[网络])，同时接收来自网络的光信号(比如，通过端口Rx[网络])，将接收的光信号转换为电信号，然后将电信号发送到主机(比如，通过端口Tx[主机])。因此，网络中，网络装置采用如光电收发器的装置，数据在电路中处理却是在光域中通过网络传输，实现更长的传输距离。由于集成电路(IC)的交换容量在不断进步，甚至IC的电气输入/输出(I/O)针脚或衬垫也能成为限制IC性能的因素。未来的IC正准备用光学I/O端口替代电气I/O端口处理此问题。这些光学I/O端口会有小的光学链路预算，也许仅能处理较短距离的网络应用，从而无法满足光网络的全部需求。
一种能解决此问题的方案是包含第一和第二光-电-光(OEO)转换器的可插拔光电模块。一个OEO转换器将来自网络的光信号转换为用于主机的光信号，而另外的OEO转换器将来自主机的光信号转换为用于网络的光信号。每个OEO转换器都包括一定数量的光接收器，用于将光信号转换为电信号，与光接收器通信性质耦合的电信号处理电路，和一定数量的光发射器，用于接收从信号处理电路接收的电信号并转换电信号到光信号。这样实现了低链路预算光链路到高链路预算光链路的转换，实现很多网络链路要求的较长传输距离。但是，电信号处理电路内和外的数据传输路径都在电域中运行，因而增加了收发器的复杂性和与OEO转换器中需要电路相关的功耗。
本“技术背景”部分仅用于提供背景信息。“技术背景”的陈述并不意味着本“技术背景”部分的主旨向本发明许可了现有技术，并且本“技术背景”的任何部分，包括本技术背景”本身，都不能用于向本发明许可现有技术。
发明内容
本发明实施例涉及一种包括光到光(O2O)信号路径的光收发器，包含此类收发器的光网络设备，及其制造和使用方法。本发明收发器包括接收器、发射器和外壳；所述接收器和发射器中至少一个包含一个O2O信号路径；所述信号路径包括第一和第二端口和第一光学放大器，用于通过第一端口接收来自主机和网络中任何一个的第一光信号，然后通过第二端口将第一光放大信号发送给主机和网络的另外一个；放大器部分的一个用途是增大光链路预算，实现比其他方式更长的传输距离；所述外壳用于容纳所述接收器和发射器，包括所述第一和第二端口；O2O信号路径中的光信号完全在光域中进行处理。
在某些实施例中，O2O信号路径还包括第一滤光器，用于过滤来自第一光学放大器的第一光放大信号和/或第一光学隔离器，用于将第一光放大信号光学隔离，并将光学隔离的第一光放大信号发送到主机和网络中的另一个。或者，O2O信号路径还包括第二光学隔离器，用于(i)光学隔离来自主机或网络的第一光信号和(ii)向第一光学放大器提供光学隔离的第一光信号。
在其它实施例中，O2O信号路径还包括第一光学时钟恢复单元，用于从第一光信号、第一光放大信号、或其中一部分恢复第一光学时钟信号。在某些此类实施例中，O2O信号路径还包括第一光闸，用于(i)接收第一光学时钟信号和第一光放大信号和(ii)根据第一选择信号输出第一光学时钟信号或第一光放大信号；或者，O2O信号路径还包括第一分光器，用于将部分第一光信号或第一光放大信号引向第一光学时钟恢复单元。
在不同实施例中，所述收发器可以是纯粹的光到光，所有数据信号都在光域中处理，或混合模式；此类混合模式收发器包括一个O2O信号路径和光电信号路径。纯O2O收发器包括穿透式连接器或第二O2O信号路径。
当所述收发器包含第二O2O信号路径时，所述第二O2O信号路径可包括第二光学放大器，用于从主机和网络中另一个接收第三光信号。当所述接收器包含(第一)O2O信号路径，第一光学放大器从主机接收第一光信号，而所述发射器(包含第二O2O信号路径)则从网络接收第三光信号。
在包含第二O2O信号路径的实施例中，所述第二O2O信号路径还包括第二滤光器，用于过滤来自第二光学放大器的第二光放大信号，第三光学隔离器，用于光学隔离来自主机和网络中另一个的第三光信号并将光学隔离的第三光信号发送至第二光学放大器，和/或第四光学隔离器，用于光学隔离第二光放大信号并将光学隔离的第二光放大信号发送至主机和网络之一。
与(第一)O2O信号路径类似，第二O2O信号路径还可包含第二时钟恢复单元，用于从第三光信号或第二光放大信号恢复第二光学时钟信号，这种情况下所述O2O信号路径还可包含第二分光器，用于将部分第三光信号或第二光放大信号引导至第二光学时钟恢复单元。在某些实施例中，所述第二O2O信号路径还可包含第二光闸，用于(i)接收第二光学时钟信号和第二光放大信号，和(ii)根据第二选择信号输出第二光学时钟信号或第二光放大信号。
当所述接收器和发射器中其一包含光到光信号路径，当所述接收器和发射器中另一个可包含光电信号路径，用于通过第三端口从主机或网络中另一个接收输入信号然后通过第四端口向主机或网络提供输出信号。所述光电信号路径可以是光到电、电到光、或光到电到光信号路径。所述输出信号可以是电的或光的。当输入信号是电的那么输出信号就为光的，而当输入信号为光的那么输出信号可以是光的或电的。
在所述收发器的某些实施例中，接收器包含O2O信号路径，而发射器包含电到光信号路径。在此类实施例中，第一光学放大器通过第一端口从网络接收第一光信号，而电到光信号路径包括(i)驱动器，用于通过第三端口从主机接收电输入信号并向发射光器件(TOSA)提供驱动信号，和(ii)所述TOSA中的激光器，用于通过第四端口向网络输出输出光信号。
或者，所述发射器包含O2O信号路径，而所述接收器包含光到电信号路径。第一光学放大器通过第一端口从主机接收第一光信号，而光到电信号路径包含(i)光电二极管，用于将来自网络的光输入信号转换为第二电信号和(ii)放大器，用于放大第二电信号并将电信号通过第四端口输出到主机。
在混合型收发器的实施例中，接收器和发射器中一者包含O2O信号路径而接收器和发射器中另一个则包括光到电到光信号路径，用于通过第三端口从主机或网络中另一个接收输入光信号并通过第四端口向主机或网络提供输出光信号。举例来说，接收器可包含O2O信号路径而发射器可包含光到电到光信号路径，反之亦然。
当接收器包含O2O信号路径时，第一光学放大器通过第一端口从网络接收第一光信号，而发射器则包含(i)光到电转换器，用于通过第三端口从主机接收输入光信号，(ii)信号处理器，用于处理来自光到电转换器的电数据信号，和(iii)电到光转换器，用于转换电数据信号到光输出信号。或者，当发射器包含O2O信号路径时，第一放大器通过第一端口从主机接收第一光信号，而接收器则包含(i)光到电转换器，用于通过第三端口从网络接收输入光信号，(ii)信号处理器，用于处理来自光到电转换器的电数据信号，和(iii)电到光转换器，用于将电数据信号转换为输出光信号。
在其他O2O收发器中，接收器和发射器中其一可包含O2O信号路径，而接收器和发射器中另一个包含穿透型连接器，用于通过第三端口从主机或网络中另一个接收第三光信号并通过第四端口向主机或网络提供第三光信号。当接收器包含穿透型连接器时，第三光信号由网络接收，而当发射器包含穿透型连接器时，第三光信号由主机接收。第三光信号的内容不受穿透型连接器影响，尽管穿透型连接器可能汇聚或反射第三光信号。
另一方面，本发明还涉及网络系统或装置，包含多个本收发器，一个或多个控制器，用于监控和/或控制收发器运行，存储器，用存储(i)控制器的指令和/或命令和/或来自收发器的信息和/或数据，和外壳，用于将收发器固定到位并保护控制器和存储器/时钟装置，所述时钟装置用于生成一个或多个时间选择信号，控制网络系统或装置中各种操作的时机。所述外壳中至少有一个开口，用于光纤和/或光波导管从各收发器的主机端口通到主机。在某些实施例中，所述网络系统或装置位于数据中心。
另一方面，本发明涉及一种处理信号的方法，包括在光或光电收发器中用光到光信号路径接收光信号，放大光信号，然后发送光放大信号。所述光信号来自主机或网络，而所述光放大信号传输给主机和网络中的另一个。在某些实施例中，本方法还包括过滤光放大信号，并向主机和网络中另一个发送过滤后的光放大信号。在许多实施例中，本方法还包括从主机接收第一光信号然后向网络发送放大的第一光信号(将被过滤)，和从网络接收放大的第一光信号，和从网络接收第二光信号并向主机发送放大的第二光信号(将被过滤)。
在某些实施例中，本方法还包括在接收光信号后和放大光信号之前对光信号进行光学隔离。或者，在发送光放大信号和过滤光放大信号之后对光信号进行光学隔离。这种光学隔离操作可在来自主机和/或网络的光信号上实施。
在其他实施例中，本方法还包括分离或隔离部分光信号，从这部分光信号恢复光学时钟信号，和根据光信号值发送光学时钟信号替代光放大信号。所述部分光信号在放大光信号之前分离或隔离。此类光束分离，时钟恢复和/或输出光信号选择操作也可在来自主机和/或网络光信号上实施。
另一方面，本发明还涉及一种制造具有光到光信号路径的收发器的方法。本方法包括将第一和第二端口安装、粘贴或固定(在下文中“固定”)到收发器外壳，和将第一光学放大器固定到收发器的第一内表面。从第一端口到第二端口的路径规定了光到光信号路径，而第一内表面是在光到光信号路径上。所述第一端口用于从主机和网络中其一接收第一光信号，所述第一光学放大器用于放大第一光信号，而所述第二端口用于向主机和网络中另一个提供放大的第一光信号。
在其他实施例中，本方法还包括将第一滤光器沿O2O信号路径固定到第二内表面。所述第一滤光器用于过滤来自第一光学放大器的放大的第一光信号。本方法的实施例中还包括第二光学放大器沿收发器的第二光到光信号路径固定到第三内表面，然后将第二滤波器沿第二光到光信号路径固定到第四内表面。所述第二光学放大器用于放大来自主机和网络中另一个的第二光信号。所述第二滤波器用于过滤来自第二光学放大器的放大的第二光信号。所述第二光信号通过接收器的第三端口接收，而所述放大(或过滤和放大)的第二光信号通过收发器的第四端口发送。所述第三和第四端口规定了收发器中的第二O2O信号路径。
在某些实施例中，本方法还包括沿O2O信号路径将第一隔离器固定到收发器第五内表面，沿O2O信号路径将第二隔离器固定到收发器第六内表面，沿第二O2O信号路径将第三隔离器固定到收发器第七内表面，和/或沿第二O2O信号路径将第四隔离器固定到收发器第八内表面。所述第一隔离器用于在第一光学放大器放大第一光信号之前光学隔离第一光信号。所述第二隔离器用于光学隔离放大的(或过滤和放大)第一光信号。所述第三隔离器用于在第二光学放大器放大第二光信号之前隔离第二光信号。所述第四隔离器用于光学隔离放大的(或过滤和放大)第二光信号。
在其他实施例中，本方法还包括沿O2O信号路径将第一分光器固定到收发器第九内表面，将第一光学时钟恢复单元固定到收发器第十内表面，和沿O2O信号路径将第一光闸固定到收发器第十一内表面。所述第一分光器用于在第一光学放大器放大第一光信号之前分离或隔离部分第一光信号。所述第一光学时钟恢复单元用于从部分第一光信号恢复第一时钟信号。所述第一光闸用于根据第一光信号的值选择来自第一时钟信号或放大的(或过滤和放大)第一光信号的第一输出光信号。在另外的实施例中，本方法还包括沿第二O2O信号路径将第二分光器固定到收发器第十二内表面，沿第二O2O信号路径将第二光学时钟恢复单元固定到收发器第十三内表面，和/或沿第二O2O信号路径将第二光闸固定到收发器第十四内表面。所述第二分光器用于在第二光学放大器放大第二光信号之前隔离或分离部分第二光信号。所述第二光学时钟恢复单元用于从部分第二光信号恢复第二光学时钟信号。所述第二光闸用于根据第二光信号的值从第二光学时钟信号或放大的(或过滤和放大)第二光信号选择第二输出光信号。
本制造方法可实现混合型O2O和光电收发器，这样本方法还包括安装、粘贴或固定收发器第三和第四端口间光电信号路径的一个或多个元件。光电信号路径的第一元件用于通过第三端口从主机或网络中另一个接收输入信号，而光电信号路径的第二元件则用于通过端口四向主机或网络发送输出信号。
或者，本方法还包括安装，粘贴或固定穿透式连接器，用于通过收发器第三端口接收来自主机或网络中另一个的第三光信号并通过收发器的第四端口将第三光信号发送至主机或网络。
本发明实现了完全以光域在数据中心网络中主机和网络系统间的信号处理和传递。这样就提高了执行此类信号处理和传递的收发器的信号传输速率，从而提高此类光网络的带宽，减小功耗和产生的热量，并可能减少此类收发器中元件的数量。本发明还可用于光纤到户(FTTP)，光纤入户(FTTH)，或者其他无源光网络(PON)。本发明的优势会通过下文中不同实施例进行详细说明。。
附图说明
图1为传统的光电收发器。
图2为与本发明实施例相关典型光到光(O2O)收发器的原理框图。
图3与另一本发明实施例相关典型光到光(O2O)收发器的原理框图。
图4与又一本发明实施例相关典型光到光(O2O)收发器的原理框图。
图5为与本发明实施例相关典型网络系统(比如，光开关或路由)的原理框图，包括多个O2O收发器和带一个或多个控制器的主板(比如，开关IC提供光I/O能力)。
图6A为使用本发明O2O收发器的典型方法流程图，而图6B为本发明典型O2O收发器中信号波形图。
图7-8为本发明典型混合型O2O和光电收发器的原理框图。
图9-10为本发明其他典型混合型O2O和光电收发器的原理框图。
图11A-B为本发明其他典型混合型O2O和光电收发器的原理框图。
具体实施方式
本发明的各种实施例都会有详细的参照。参照的例证会在附图中得到阐释。本发明会用随后的实施例说明，但本发明不仅限于这些实施例的说明。相反的，本发明还意欲涵盖，可能包括在由附加权利要求规定的本发明的主旨和值域内的备选方案，修订条款和等同个例。而且，在下文对本发明的详细说明中，指定了很多特殊细节，以便对本发明的透彻理解。但是，对于一个所属技术领域的专业人员来说，本发明没有这些特殊细节也可以实现的事实是显而易见的。在其他实例中，都没有详尽说明公认的方法，程序，部件和电路，以避免本公开的各方面变得含糊不清。
为方便起见，术语“收发器”和“光收发器”在文中都可交替使用。尽管有术语“连接到”，“耦合到”，和“与…通信”(都包含直接和间接的连接，耦合和通信)，“安装”，“粘贴”和“固定”和“数据”，“信息”和“比特”，但这些术语都具有技术含义。
文中所披露的各种实施例和/或例子都可与其他实施例和/或例子组合，只要这样的组合是适宜，有必要或有利的。下面将结合典型的实施例对本发明进行详细说明。
典型光到光收发器
图2为一个典型的O2O收发器100，包括第一光学放大器110，第一滤光器120，第二光学放大器115，第二滤光器125，和外壳130。O2O收发器100还包括第一和第二主机端端口132和137，和第一和第二网络端端口134和135。第一主机端端口132，第一光学放大器110，第一滤光器120和第一网络端端口134可构成或规定发射器光路，而第二网络端端口135，第二光学放大器115，第二滤光器125和第二主机端端口137可成或规定接收器光路。
第一光学放大器110用于通过第一主机端端口132从主机接收光信号。所述光信号可通过传统光纤传输，所述光信号包括单一光信号(单模或多模信号，但通常单模信号速率范围在50Gbps到1Tbps之间)或多个复用光信号，比如四个或多个波分复用(WDM)光信号。端口132可包括用于光纤的传统连接器，比如传统EC，FC，LC或SC连接器。或者，第一和第二主机端端口132和137都包括传统FJ，FDDI，MPO/MTP或SC-DC连接器(比如，用于两个或多个光纤)。在其他实施例中，第一和第二主机端端口132和137可组合成用于单模或多模光纤的单端口/连接器，这种情况下端口/O2O收发器还包括分光器，用于反射入射或出射光信号并让剩余的入射或出射光信号通过。在端口132上或靠近其的位置上设置有一枚或多枚透镜，在外壳130内且用于将接收自主机的光信号汇聚到光学放大器110，和/或使接受自主机的光信号准直或偏振。
在不同的实施例中，第一光学放大器110包括半导体光学放大器(SOA)，比如垂直腔SOA或末端耦合SOA。虽然所述半导体光学放大器包括与激光二极管完全相同或大致相同的结构，但带有一个或多个防反射罩和/或带角度的波导管和/或窗口区域用于使激光二极管或类似结构的端面反射减小到忽略不计的程度(比如，<0.1％,0.01％或任意其他小于<0.1％的值)。所述防反射罩，带角度的波导管和/或带角度的窗口区域造成了来自激光二极管或类似结构的功率损失大于获取，从而防止光学放大器成为激光器。因此，第一光学放大器110可包含多个组III-V或II-VI复合半导体层，比如GaAs/AlGaAs,InP/InGaAs,InP/InGaAsP,InP/InAlGaAs，它们中一个或多个用常规n型或p型掺杂剂掺杂，或它们中一个或多个也可不掺杂。此外，半导体光学放大器110可电驱动，实现一个或多个非线性操作，比如交叉增益调制，交叉相位调制，波长转换，光信号的不同波长区域中四路波长和/或可变或不同增益。因此，在某个实施例中，第一光学放大器110可将一个或多个来自主机的光信号波长转换为不同波长用于网络传输。
在某些例子中，第一光学放大器110会将带外的噪音带入光放大信号112。因此，第一滤光器120用于过滤来自第一光学放大器110的光放大信号112并通过第一网络端端口134将过滤的光放大信号122发送至网络。滤光器120可轻易地将带外噪音从光放大信号122中去除，或将带外噪音和一个或多个其他成分从光放大信号112中去除。在不同实施例中，滤光器120包含带通滤光器(比如，用于使波长或频率在预定范围内的光通过，但阻隔，去除或拒绝范围外的光)，长通或低通滤波器(比如，用于阻隔，去除或拒绝波长低于或频率高于预定阈值的光，但允许其他光通过)，或其组合。发射器光路还可贴近网络端端口134的一个或多个透镜和/或波导，在外壳130范围内。所述透镜通常用于汇聚光信号到光纤上和/或使发送到网络的光信号准直或偏振。所述波导用于将来自发射器光路的光信号引导和/或合成到连接在网络端端口134的光纤。
第二光学放大器115用于通过第二网络端端口135接收来自网络的光信号。来自网络的光信号可通过常规光纤传输，且来自网络光信号的特性可与来自主机光信号相同或不同。举例来说，虽然来自网络的光信号可以是与主机光信号类型相同的光信号(比如，单模vs.多模，单信号vs.多个复用信号)，但波长或波长范围可与主机光信号不同。同样，第二光学放大器115的特性可以与第一光学放大器110相同或不同。举例来说，虽然第二光学放大器115可包含与第一光学放大器110同类型的半导体官学放大器(SOA)和与第一光学放大器110相同或类似的结构(比如，各层中层和材料的数量，有无防反射涂层和/或带角度的波导和/或窗口区域和目前此类特征的数目，等)和同等功能(比如，执行的操作)，但所述特定掺杂剂浓聚物，波导或窗口区域角，层厚度，波长转换等都可与第一光学放大器110不同。所述接收器光路还可包含贴近网络端端口135的一个或多个透镜，在外壳130之内并用于将从网络接收的光信号汇聚到第二光学放大器115和/或让从网络接收的光信号准直或偏振。
像第一光学放大器110一样，第二光学放大器115也会将带外噪音带入光放大信号117。因此，第二滤光器125用于过滤来自第二光学放大器115的光放大信号117并通过第二主机端端口137向主机发送过滤的光放大信号127。第二滤光器125可起到与第一滤光器120相同的作用，且具有类似或相同结构，具体情况视被过滤光的类型和/或波长而定。因此，虽然第二滤光器125可包含带通滤光器，长通或低通滤光器，高通滤光器，或其组合，与第一滤光器120类似或相同，但还是用于阻隔，去除或拒绝除第一滤光器120外的不同波长光。所述接收器光路还包含贴近网络端端口134的位于外壳130之内一个或多个透镜和/或一个或多个波导。所述透镜通常用于汇聚光信号到光纤上和/或使发送到网络的光信号准直或偏振。所述波导用于将来自接收器光路的光信号引导和/或合成到连接在主机端端口137的光纤。
外壳130通常包含一个或多个结构，容纳和保护第一光学放大器110，第一滤光器120，第二光学放大器115和第二滤光器125，并提供一光学放大器110，第一滤光器120，第二光学放大器115和第二滤光器125的安装面。端口132，134，135和137可集成在外壳130的壁中，包含在外壳130之内，或安装，粘贴或固定在外壳130的内外结构或表面。像第一光和第二主机端端口132和137，第一和第二网络端端口134和135可被组合成为用于单个单模或多模光纤的单端口/连接器，这样组合的网络端口和/或O2O收发器就还包含分光器，用于反射入射光或出射光并允许其他入射或出射光信号通过。外壳130可包含同时用于发射器和接收器光路的单一光学腔室，或具有分别用于发射器和接收器光路的单独光学腔室(比如，被不透明或遮光物分隔的)。此外，O2O收发器100中发射器和接收器都可接收一个或多个单模或多模光信号并独立地发送相同或不同数目的单模或多模光信号。
图3所示为另一典型O2O收发器200，包含第一光学放大器110，第一滤光器120，第二光学放大器115，第二滤光器125，第一和第二主机端端口132和137，和第一和第二网络端端口134和135，如图2所示，和与图2所示类似或相同的外壳230。因此，在本公开中，使用了相同或类似标识编号(即，至少最后两位相同)来辨别通过参考本公开中任意或全部此元件或信号合并的特殊元件或信号。O2O收发器200还可包含发射器和接收器路径中或发射器路径或接收器路究竟中一个或多个透镜和/或一个或多个波导，与图2中O2O收发器100类似。
图3中典型O2O收发器还包括第一和第二发射器端隔离器240和242，和第一和第二发接收器端隔离器245和247。第一主机端端口132，第一发射器端隔离器240，第一光学放大器110，第一滤光器120，第二发射器端隔离器242和第一网络端端口134可构成或定义发射器光路，而第二网络端端口135，第一发接收器端隔离器245，第二光学放大器115，第二滤光器125，第二接收器端隔离器247和第二主机端端口137可构成或定义接收器光路。
为了保护主机激光器和/或将第一光学放大器110发出的光对主机端端口132的潜在干扰最小化，第一发射器端隔离器240设置在第一光学放大器110和主机端端口132之间。第二发射器端隔离器242同样有保护第一光学放大器110不受第一网络端端口134或附近透镜反射光的损害，但是这对第一光学放大器110不是大问题，因此第二发射器端隔离器242可与第一发射器端隔离器240不同，或不设置。
第一和第二发射器端隔离器240和242将光信号202和204分别隔离(比如，阻隔在光路反方向传播的光)。第一和第二接发射端隔离器240和242可包含，比如，光学隔离器，偏振相关隔离器，或拉法第隔离器。在主机光信号偏振的实施例中，第一和第二发射器端隔离器240和242可通过将入射光信号转动预定量或角度(比如，45°,90°等)，分别隔离光信号202和204。举例来说，第二发射器端隔离器242可按照与第一发射器端隔离器242一样的角度或量转动光信号122，但方向与第一发射器端隔离器242相反，从而保留主机光信号的偏振类型(比如，p型偏振)。但是，在其他例子中，第二发射器端隔离器242可在与第一发射器端隔离器242相同方向转动光信号122。当第一和第二发射器端隔离器240和242各自将入射信号转动45°时，主机光信号的偏振类型改变(比如，从p型偏振到s型偏振)。但是，当第一和第二发射器端隔离器240和242各自将入射信号转动90°时，主机光信号的偏振类型得到保留。同样，隔离器的各种元件(比如，法拉第转子，四分之一波片，双折射楔等)可按不同方式组合完成隔离功能(比如，隔离光信号202和204，和保留或改变来自主机用于网络传输的光信号的偏振类型)。
一种带时钟和数据恢复的典型光到光收发器
另一方面，本发明还涉及光器件，包括图3中典型O2O收发器200的元件，另外还有时钟和数据恢复(CDR)功能。图4为典型O2O收发器300，包括第一光学放大器110，第一滤光器120，第二光学放大器115，第二滤光器125，第一和第二主机端端口132和137，和第一和第二网络端端口134和135，如图1-2所示，和与图1-2所示类似的外壳330。所述典型O2O收发器300还包括第一和第二发射器端隔离器240和242与第一和第二接收器端隔离器245和247，如图2所示。O2O收发器300还包括发射器路径或/和接收器路径的一个或多个透镜和/或一个或多个波导，与图2中O2O收发器100类似。但是，典型O2O收发器300还包括第一分光器350，带时钟恢复功能的第一光学时钟恢复单元360，第一光闸370，第二分光器355，带时钟恢复功能的第二光学时钟恢复单元365，和第二光闸375。
第一主机端端口132，第一分光器350，第一发射器端隔离器240，第一光学放大器110，第一滤光器120，第一光闸370，第二发射器端隔离器242和第一网络端端口134可构成或定义O2O收发器300中的发射器光路。第一分光器350，第一光学时钟恢复单元360和第一光闸370可构成或定义发射器CDR路径。
第二网络端端口135，第二分光器355，第一接收器端隔离器245，第二光学放大器115，第二滤光器125，第二光闸375，第二接收器端隔离器247和第二主机端端口137可构成或定义O2O收发器300中的接收器光路。第二分光器355，第二光学时钟恢复单元365和第二光闸375可构成或定义接收器CDR路径。
第一和第二分光器350和355通常为非选择性分光器。即，它们通常一般引导预定比例(比如，从5％到95％，或其范围中任意值)的接收光信号(比如，Rx[主机]或[网络])至相应光学时钟恢复单元360或365。在某些实施例中，O2O收发器300还包括一个或多个反射镜或其他反射表面，用于向相应光学时钟恢复单元360或365反射分离光信号302或304。在其他实施例中，第一分光器350可以是在第一发射器端隔离器240，第一光学放大器110，或第一滤光器120下游。比如，接收光信号Rx[主机]在经第一分光器350分离前，可通过第一接发射端隔离器240和第一光学放大器110，或第一发射器端隔离器240，第一光学放大器110和第一滤光器120。同样，第二分光器355可在第一接收器端隔离器245，第二光学放大器115或第二滤光器125的下游(比如，接收光信号Rx[网络]可在经由第二分光器355分离前通过第一接收器端隔离器245和光学放大器115，或隔离器245，光学放大器115和滤光器125)。
第一和第二光学时钟恢复单元360和365用于分别从分离光信号302和304恢复和/或生成光学时钟信号306或308。举例来说，第一和第二光学时钟恢复单元360和365都包含锁模激光器(MLL)。本技术领域中此类MLL为大家所熟知(详见，例，Koch等，光纤通讯大会/国家光纤工程师大会，OSA技术文摘[美国光学学会，2008]，页数：OMN1，加州圣迭戈，2008年2月24-28，其余部分一并被本会作为参考)。虽然光学时钟信号306和308具有与相应接收光信号相同或基本相同的调制频率，但比接收的光数据具备更高的消光比和更小的抖动。光学时钟信号306和308的波长可与相应接收光信号相同或不同。但是，恢复的光学时钟信号306和308分别具备(i)与光学时钟信号恢复的源光信号不同的波长和/或(ii)一个或多个异于第一光信号或第一光放大信号的光纤传输特性(比如，啁啾声，模式等)。这些不同可实现恢复的光学时钟信号更长的传输距离。
光闸370和375用于根据来自独立滤光器120或125的光数据信号322或324的值选择来或放弃自相应光学时钟恢复单元360或365的光学时钟信号306或308。举例来说，光闸370和375是光学开关，在光数据信号322或324具备第一逻辑状态时(比如，二进制“1”状态)使独立光学时钟信号306或308通过到达独立光隔离器242或247，并在光数据信号322或324具备不同逻辑状态时(比如，二进制“0”状态)阻挡独立的光学时钟信号306或308通过独立的光闸370或375或独立的光隔离器242或247。在某些实施例中，第一和第二光学放大器110和115可忽略，因为从主机和/或网络接收的光信号可不经放大就可以控制光闸370和375。但是，放大从主机和/或网络接收的光信号可略微使光信号变宽，以便在光闸370或375处不会剪掉或超过恢复的光学时钟信号306或308的边缘。
光闸370和375包含非线性折射性系数的材料或器件，比如非线性水晶，非线性纤维，半导体光学放大器，共振器，干涉仪，导光管，环形反射镜，滤光器，光学半导体闸流管，其组合等。因此，光数据信号322和324和独立光学时钟信号306和308都具备波长，调制频率，光功率和/或其他特性足以(i)使光学时钟信号306或308在光数据信号322和324都具备第一逻辑状态时通过独立光闸370或375，且(ii)使光闸370和375在光数据信号322和324具备与第一逻辑状态不同的第二逻辑状态时阻挡独立光数据信号322和324通过光闸370或375。光数据信号322和324和光学时钟信号306和308的这些特性都取决于独立光闸370和375的光学特性。
当光闸370和375以此方式工作时，它们有效地对将发送至网络或主机的光数据信号进行重新定时和改造。比如，当接收数据具有逻辑“1”状态时，恢复的光学时钟脉冲以数据信号进行传输(详见，例，图6B和文中对其的说明)。以此情况下传输的数据信号通常会具有比接收的光数据具备更高的消光比和更小的抖动，并因此“被恢复”，尽管它的脉冲宽度小于接收光数据信号。此外，当接收数据具有逻辑“0”状态时，光学时钟脉冲就被阻隔(比如，破坏性干扰，或调制到具有光学“0”逻辑状态的特征)。因此，此情况下的发射数据信号通常具有光学“0”逻辑状态的特征，但通常噪音小于接收光数据信号。
或者，光闸370和375可包含光复用器，在接收光信号具有第一逻辑状态时输出光学时钟信号，且在接收光信号具有第二逻辑状态时输出接收光数据信号。虽然这样的光复用器会因此具备与光学开关相同的功能，但对“0”逻辑状态的发射光数据还是有小问题。实施这样一个光复用器在本技术领域的专业人员技术和能力范围内。
在其他实施例中，第一和第二光闸370和375可分别设置在第二发射器端隔离器242和第二接收端隔离器247下游。这样，第三光隔离器(未显示)可设置在独立滤光器120/125和独立光闸370/375之间的发射器和/或接收器光路上。此外，不考虑第二个隔离器242和247相对于第一和第二光闸370和375的设置，O2O收发器300还包含独立光闸370/375和独立发射端口134/137之间的第三和第四滤光器(未显示)，位于独立第二隔离器242/247上游或下游。
在其他实施例中，O2O收发器300中的接收器和发射器路径都还包含光学时钟恢复单元360/365和光闸370/375间的相位调节单元，用于调节光学时钟信号306/308的相位。举例来说，所述相位调节单元包含(i)一个或多个光学开关和(ii)一条或多条光学延迟线，用于从光学开关接收光学时钟信号306/308并以预定量更改光学时钟信号306/308的相位。这样的相位调节单元完全在光域中运行。或者，所述相位调节单元还包括光到电到光(OEO)路径，包含光到电(O2E)转换器，电信号处理器，和电到光(E2O)转换器，其中对光学时钟信号306/308的相位调节是通过电域中电信号处理器完成的。文中结合图9-10对此类光到电到光(OEO)路径，O2E转换器，电信号处理器和E2O转换器进行了说明。
一种包含多个光到光收发器的典型网络系统
本发明还涉及一种网络系统或装置(比如，光学开关或路由器)，包括多个所述光或光电收发器，至少一个控制器，用于控制收发器的运行，至少一个存储器，用于存储来自和/或用于控制器和收发器的指令和数据，和外罩或外壳，用于容纳收发器、控制器和至少一个存储器。在不同实施例中，所述光或光电收发器都包含O2O收发器或混合型收发器(比如，具有O2O信号路径和光到电[O2E]，电到光[E2O]，或光到电到光[OEO]信号路径)。
图5为典型的网络系统或装置400，包括多个O2O收发器410a-p，和主板450，为带光I/O功能的开关集成电路提供接口。因此，网络系统或装置400还可包含第一和第二控制器420a-b，第一和第二存储器430a-b，时钟装置440，和外壳或外壳460，用于包裹，支撑和/或保护收发器410a-p(或光模块，包括两个或以上的收发器410a-p)，主板450，和设置在主板450上的控制器420a-b，存储器430a-b和时钟装置440。尽管所示的网络系统或装置400包括16个收发器，但任意复整数的收发器都是适用的(比如，2或以上，4或以上，8或以上，等)。此外，多个(比如，2，4或以上)的收发器410a-p可以光模块415的形式出现(比如，包括多个收发器的单元)。
通常，O2O收发器410a-p都包括与网络端口连接的光纤412a-p，用于运送光信号往来网络，和与主机端口连接的光纤412a-p，用于运送光信号往来主机。网络端口和主机端口都包含独立的信号接收和信号发送端口。因此，在其他实施例中，各收发器410a-p都具有两条与网络端口和/或主机端口都连接或其一连接的光纤，一条用于发送的信号而另一条用于接收的信号。
O2O收发器410a-p有效地将从主机接收的光信号发送至网络，并把来自网络的光信号发送至主机。因此，外罩或外壳460可包含一个或多个开口455a-p，通过所述开口光纤414a-p从主机进或出。或者，O2O收发器410a-p还可包含一个或多个在主机端口的波导，与图2中O2O收发器100类似。尽管如图5所示有16个开口455a-p，两个或以上的开口410a-p可合并，减少开口数量，从而简化制造并增强外罩或外壳460中收发器410a-p和电子器件的散热性能。另一方面，当开口455a-p合并时(并因此变大)，外罩或外壳460提供给收发器410a-p，任何安装有电子器件(比如，控制器420a-b，存储器430a-b和时钟装置440)的印刷电路板，和任何散热装置或结构的支持就会变弱。或者，开口455a-p也可用常规光纤到光纤连接器替换。
此外，两个或多个收发器功能可合并在光模块415中。举例来说，光模块415可包含多个(比如，四个)O2O收发器410e-h，通常设置在它自己的外壳中(这样各独立收发器410e-h都没有单独外壳，但模块415中每个独立接收器和发射器都有其自己的封装)。因此，光模块415可包含多个O2O接收器和多个O2O发射器，且在其他实施例中，与第一多通道光纤连接的网络端口，与第二多通道光纤连接的主机端口，第一光信号解复用器，用于将从第一和第二多通道光纤中之一接收的光信号分离到独立通道由相应的O2O接收器或发射器进行处理(比如，根据波长)，第一光多路复用器，用于将来自相应O2O接收器或发射器的处理光信号合入第一多通道光信号以便在第一和第二多通道光纤中的另一条光纤上传输，第二光信号解复用器，用于将从第一和第二多通道光纤中任何一条光纤接收到的光信号分离到独立通道并由相应的O2O接收器或发射器中的另一个进行处理(比如，根据波长)；和第二光多路复用器，用于将来自相应O2O接收器或发射器中任何一个的处理光信号并入第二多通道光信号中以便在第一和第二多通道光纤中的另一条光纤中传输。
第一和第二控制器420a-b用于监控和/或控制O2O收发器410a-p的运行并存储和检索来自第一和第二存储器430a-b的命令或指令。举例来说，第一和第二控制器420a-b中一个或全部都可以是设置在主板460上的开关集成电路，具备光输入/输出(I/O)功能和/或能力，与控制O2O收发器410a-p连接。当第一和第二控制器420a-b中一个为此类开关集成电路(比如，光I/O控制器)时，第一和第二控制器420a-b中另一个可以是操作控制器(比如，用于控制网络系统/装置的其他操作，比如存储器读取操作，参数采样，启动/停机/休眠功能，中断和/或告知功能，等)。或者，第一控制器420a可控制O2O收发器410a-p的发射器运行(比如，沿发射器路径设置的器件和控制此类器件的任意电路)，而第二控制器420a可控制O2O收发器410a-p的接收器运行(比如，沿接收器路径设置的器件和控制此类器件的任意电路)。在此类可选的实施例中，发射器功能以与接收器功能相异的速率或频率进行。此外，第一控制器420a可控制O2O收发器410a-p的部分成员(比如，收发器410a-j)，包括其光I/O功能，而第二控制器420a可控制O2O收发器410a-p的其余成员(比如，收发器410h-p)，包扣其光I/O功能。
尽管只展示了两个控制器420a和420b，但单个控制器或三个或以上控制器都可以用于控制网络系统或装置400中收发器和电器件的各种操作。第一和第二控制器420a-b还可通过时钟装置440控制(比如，关闭和/或打开，划分和/或增加)时钟信号输出。因此，第一和第二控制器420a-b通常被称为主板上的集成电路(IC)并包含一个或多个微控制器，微处理器，信号处理器，现场可编程门阵列(FPGA)，复杂可编程逻辑控制件(CPLD)，专用集成电路(ASIC)，或能驱动网络系统操作的其他可编程集成电路或器件。
第一和第二存储器430a-b存储用于第一和第二控制器420a-b的指令和/命令和来自O2O收发器410410a-p的信息和/或数据，除了别的之外。因此，第一和第二存储器430a-b中一个可存储用于第一和第二存储器420a-b的指令和/或命令，且包含非易失性存储器，比如只读存储器(ROM)，电可编程只读存储器(EPROM),电可擦只读存储器(EEPROM)，闪存，磁性随机存储器(MRAM)，等，而第一和第二存储器430a-b中另一个可存储来自O2O收发器410a-p的数据，且可包含易失性存储器，比如静态随机存储器(SRAM)，动态随机存储器(DRAM)，等。所述随即访问存储器包括复数个寄存器，用于存储某种或预定信息。所述易失和非易失性存储器可以是单独的或与其他易失和非易失性存储器组合。一个或多个来自时钟装置440的时钟信号(还可以通过控制器420a或420b或另外的分立元件进行复用，分离，调整时间和/或闸通)可用于控制各存储器430a-b中的读和/或写操作的时机。尽管只显示了两个存储器430a和b，但单存储器装置或三个或以上存储器都可用于存储用于和/或来自网络系统或装置400中收发器和电器件的指令，命令，信息和/或数据。此外，存储器420a和420b中一个或多个都可集成到一个或多个控制器420a-b。
时钟装置440向O2O收发器410a-p，第一和第二控制器一个或多个420a-b和第一和第二存储器430a-b发送定时(比如，周期或时钟)信号。所述定时信号用于控制网络系统或装置400中各种操作的时机选择，比如存储器430a-b中读写操作，控制器420a-b中指令提取和/或执行，等。时钟装置440还包括一个或多个乘法器和/或除法器，用于改变定时信号和频率和/或一个或多个缓冲器或驱动器，用于放大和/或整形时钟信号。或者，此类乘法器，除法器，缓冲器和/或驱动器都可设置在分离器件上，比如控制器420a或420b。
尽管网络系统400包括了O2O收发器，但图5中O2O收发器仍可与混合型O2O光电收发器或带穿透式连接的O2O收发器合并和/或被其替换。在其他实施例中，本网络系统/装置还可以是ONU，ONT或OLT。
一种使用光到光收发器的典型方法
发明还涉及使用光或光电收发器完全在光域中处理光信号的方法，不涉及光-电或电-光信号转换。通常，本方法包含在光或光电收发器中光到光(O2O)信号路径上从主机和网络中之一接收光信号，放大所述光信号(比如，在O2O信号路径上采用光学放大器)，然后将放大的光信号发送至主机和网络中另一个。所述方法还包括利用滤光器过滤所述光放大信号，这样发送过滤且放大的光信号。在许多实施例中，第一光信号从主机接收，然后放大的(且滤过的)第一光信号被发送至网络，之后第二光信号从网络接收，然后放大的(且滤过的)第二光信号被发送至主机。
图6A是流程图500，为一种将主机光信号发送到光网络的典型方法。在510，来自主机或光网络的光信号在具有O2O信号路径的光或光电收发器中被接收。所述光信号具有常规主机或光网络光信号的波长，调幅和调制频率特征，且光功率在适于光学方法的范围内(比如，从-30dB到+5dB或其范围内的任意值)。
在520，从主机或光网络接收的光信号可被光学隔离(比如，利用常规光隔离器)。这样，当光信号发生偏振时，偏振角度会发生改变(比如，45°)。部分光信号可在530从接收光信号分离。如文中所述，这可以通过让来自主机的光信号通过非选择性分光器来实现。光学隔离光信号与拆分或分离部分光信号的顺序可颠倒。
在540，如文中所述，来自主机的光信号(或从分离部分光信号后剩余的光信号，或被光学隔离的部分)可通过光学放大器放大。在某些实施例中，所述光学放大器可包含常规半导体光学放大器。或者，所述光放大信号还可在540过滤，优选在放大之后。在某些实施例中，所述光放大信号控制了光输出信号的选择(比如，如文所述，利用光闸)。
在542，则选择从分离出的部分接收光信号恢复出光学时钟信号570(FIG.6B)。光学时钟信号570为具有特征频率v的周期信号。在某个实施例中，如文中所述，光学时钟信号570利用光学时钟恢复单元(比如，带时钟恢复能力的锁模激光器)从部分光信号恢复。在某些实施例中，恢复的光学时钟信号570可具备与接收光信号相异的波长。恢复的光学时钟信号570的相位可在544(图6A)改变或调整来减少、尽量避免或消除恢复的光学时钟信号570(图6B)和光信号580(可被放大，或放大并过滤)间可能出现的时机选择问题(比如，在光闸处)。
在550(图6A)，可根据接收光信号的数据值(或放大或过滤，放大光信号，所有相同光信号的数据值)选择和/或发送光输出信号。比如，选择和/或发送所述输出光信号可包含(i)使恢复的光学时钟信号通过到达主机和光网络中另一个或(ii)利用光闸，阻挡恢复的光学时钟信号向主机和光网络中另一个传输。或者，如文中所述，在使用光闸时，所述输出光信号也可以是恢复的光学时钟信号或放大的光信号(也可能被过滤)。
无论何种情况，在550，接收光信号能作为用于光闸的控制信号580(FIG.6B)。举例来说，当光信号580中的数据位(比如，控制)具备第一逻辑状态582(比如，二进制逻辑中逻辑“1”)时，光闸就可输出作为光输出信号(比如，数据[输出]590)的恢复时钟信号570。此外，当光信号580中的数据位(比如，控制)具备第二逻辑状态584(比如，二进制逻辑中逻辑“0”)时，光闸就放弃或阻挡输出光信号590(比如，抑制或破坏性干扰通过光闸非控制端的恢复时钟信号570或光放大信号)。在某个实施例中，所述光闸包括由接收光信号(比如，放大和可被过滤的光信号)580控制的光学开关。
最后，在560(图6A)，所述方法和过滤的光信号和/或输出光信号可在传输到光网络前进行光学隔离，具体情况视发送到光网络的光信号而定。在560的光学隔离保护光学放大器不受任何光输出信号反射(比如，来自光纤端头或收发器输出端处汇聚透镜)的损害。因此，图6A典型方法中所有操作都在光域中执行。
一种制造光到光收发器的典型方法
本方法还涉及制造具有光到光(O2O)信号路径的光或光电收发器的方法，包括将第一和第二端口安装，粘贴或固定(一下使用“固定”)到收发器外壳，和将第一光学放大器沿O2O信号路径固定到收发器的第一内表面。从第一端口到第二端口的路径定义了O2O信号路径。在其他实施例中，所述方法还包括沿光到光信号路径将第一滤光器固定到收发器第二内表面和/或沿第二O2O信号路径将第二光学放大器固定到收发器第三内表面。在后面的实施例中，所述方法还包括沿第二光到光信号路径将第二滤光器固定到收发器第四内表面。
所述第一光学放大器和第一滤光器分别用于放大和过滤来自主机和网络中一者的第一光信号。所述第二光学放大器和第二滤光器分别用于放大和过滤来自另一个主机和网络的第二光信号。因此，第一光学放大器/滤光器和第二光学放大器/滤光器组合中一者可定义O2O收发器中的发射器光路，而另一者则可定义O2O收发器中的接收器光路。
固定所述光学放大器和滤光器包含将所述光学放大器和滤光器放置到收发器光学腔室中的预定位置，确定来自各光学放大器(或，当下，各滤光器)的输出光信号光学强度，调整各光学放大器和/或各滤光器(当下)的位置直到输出光信号的光学强度超过预定阈值，和将各光学放大器和滤光器(当下)粘贴或固定到与光学强度超过阈值程度相应的位置。所述光学腔室可包含沿发射器光路的第一光学腔室元件，和沿接收器光路的第二光学腔室元件。元件可利用可固化粘合剂固定到预定位置，然后在元件设置到输出光信号光学强度最大化的位置后固化所述粘合剂。
在某些实施例中，所述方法还包含沿独立的第一和第二O2O信号路径将第一和可选的第二隔离器固定到收发器的内表面。所述第一和第二隔离器分别用于在通过独立的第一和第二光学放大器放大之前，对第一和第二光学信号进行光学隔离。所述方法还包括沿独立的第一和第二O2O信号路径将第三和可选的第四隔离器固定到收发器的内表面。所述第三和第四隔离器分别用于光学隔离放大的(且可过滤的)第一和第二光信号。所述第一，第二，第三和第四隔离器都可固定到与正光学隔离的光信号相应的光学腔室表面，与第一和第二光学放大器和第一和第二滤光器固定方式类似或相同。
在其他实施例中，所述方法还包含沿独立的第一和第二O2O信号路径将第一和第二分光器，第一和第二光学时钟恢复单元，和/或第一和第二光闸固定到收发器内表面。所述第一和第二分光器分别用于在通过相应第一和第二光学放大器放大之前，拆分或分离部分的第一和第二光信号。所述第一和第二光学时钟恢复单元分别用于从第一和第二光信号相应部分恢复第一和第二光学时钟信号。所述第一和第二光闸用于根据相应光信号的值从相应光学时钟信号或过滤后的，光放大信号选取第一和第二输出光信号。在此类实施例中，所述第一光闸可用于根据第一光信号的值放弃或输出第一光学时钟信号，而所述第二光闸则可用于根据第二光信号的值输出或放弃第二光学时钟信号(当下)。所述第一和第二分光器，第一和第二光学时钟恢复单元，和第一和第二光闸可固定到与光学隔离的光信号相应光学腔室的表面，与第一和第二光学放大器和第一和第二滤光器固定的方式类似或相同。
所述制造方法还可包含在元件固定到位后，用外壳将收发器元件包裹。举例来说，所述元件可以固定到发射器光学腔室或接收器光学腔室的表面，所述发射器和接收器光学腔室集成到或固定到外壳的底座，而用外壳包裹元件位于发射器和接收器光学腔室上方，将外壳或盖子固定到外壳底座。第一到第四端口(比如，用于光纤到主机和网络之间相互连接的常规连接器)可在外壳中成型或固定到外壳(比如，在底座和外壳或盖子中一者或全部之中或之上)。
带光到光功能的混合型收发器
图7为典型混合型光到光(O2O)和电到光收发器，包括O2O接收器和电到光发射器。由于制造质量足够高和/或输出功率与主机集成电路(典型情况下工作在高温环境)内单光纤耦合的光发射器是很大的挑战，所以混合型光收发器600就具有特殊优势。
图7的O2O接收器本质上就是图3的O2O接收器，包含网络端端口135，隔离器245和247，光学放大器115，滤光器125，和主机端端口137，所有都按文中所述的方式运行。但是，图7的O2O接收器还可包括光学开关670(比如，非选择性分光器，与图4中分光器355类似或相同)。此类控制器(可以是微处理器，微控制器，现场可编程门阵列，专用集成电路或类似逻辑装置)和光学开关可出现在图2-4中的O2O收发器100，200和300中。混合型收发器600还包含与图3的O2O收发器300外壳330类似或相同的外壳660。尽管图7显示了图3的O2O接收器，图2-4中任意O2O接收器都可以用于混合型收发器600。
图7中电到光(E2O)发射器包含调制器驱动电路630，激光偏压电路610，发射光器件(TOSA)640，和一个或多个波导650。TOSA640包括一个或多各激光器(比如，激光二极管)642，一个或多个调制器644，和一个或多个监控光电二极管646，用于监控激光器642和/或调制器644的输出。激光器642，调制器644，和监控光电二极管646关系通常为1:1:1。控制器620向调制器驱动电路630和偏压电路610提供控制信号和/或指令，还可以从调制器驱动电路630，偏压电路610，和/或监控光电二极管646接收信息。
在某些实施例中，混合型光收发器600还可包含存储器，用于存储数据(比如，参数信息)和/或指令，一个或多个计数器，向计数器，存储器和/或控制器提供周期信号的时钟电路，和备选电池。举例来说，所述存储器可存储与混合型光收发器600运行和性能相关的控制信息，参数信息，和操作信息(比如，警告和/或警报阈值数据)。此类信息在存储器中的位置可存储于地址和/或指针存储器或存储器模块。
来自主机的数据以电信号的形式在调制驱动电路630被接收，用于随后向调制器644的传输和向光信号的转换，通过波导650从发射端口134输出到网络。当对激光偏压电路610施加足够高的电流或电压时，激光二极管642就会持续发出和光束。调制器644根据来自主机的数据信号允许来自激光二极管642的光通过或阻挡此类光。在某个实施例中，监控光电二极管646监控激光器的输出并向控制器620(可通过模数转换器[ADC]，未显示)发送反馈电流，所述控制器则与激光器642连接并向其提供驱动电流。监控光电二极管646，激光偏压驱动器610，和激光器642构成了封闭的自动功率控制(APC)回路，维持来自TOSA640的目标输出光功率稳定。
或者，来自主机的数据还可输出到激光驱动器610，根据来自监控光电二极管646的反馈电流值以目标输出光功率驱动激光器。E2O发射器还可通过调制激光器642直接操作。所述调制器也不在此类可选实施例中出现。
图8为另一个典型混合型O2O和电到光收发器600，包括O2O发射器和光到电(O2E)接收器。由于实现带偏振低敏和/或波分复用功能，且同时主机集成电路装置内具有足够性能的光接收器是很大的挑战，因此混合型光收发器600就具有特殊优势。
图8中O2O发射器本质上就是图3中O2O发射器，包括主机端端口132，隔离器240和242，光学放大器110，滤光器120，和网络端端口134，所有都按文中所述方式运行。但是，图8中O2O发射器还可包括光学开关750(比如，非选择性分光器，与图4中分光器350和/或图7中光学开关670类似或相同)和控制器730。此类控制器和光学开关可出现在图2-4的O2O收发器100，200和300中，而控制器730和光学放大器110之间存在双向电气连接(如也存在于图2-4和7的收发器100-300和600中任意光学放大器和控制器之间)。混合型收发器700还包括外壳740，与图7的混合型收发器600中外壳660类似或相同。尽管图8中出现了图3的O2O发射器，但图2-4的O2O发射器仍可用于混合型收发器700。
图8的O2E接收器包括光接收器件(ROSA)710和限幅放大器720。ROSA710包括跨阻放大器(TIA)714和光电二极管(PD)712。比如，PD712可包含P型/本型/N型(PIN)光电二极管或雪崩激光二极管(APD)。ROSA710用于从网络(比如，从光信号介质，例如光缆)接收光数据信号Rx并电输出信号提供给限幅放大器720。限幅放大器720用于通过主机端端口137向主机发送放大的输出信号Tx，然后限制电输出信号的电压。控制器730用于控制和/或调整收发器700的各个功能(比如，TIA714，光学放大器110，等)。与图7的混合型收发器600类似，混合型光收发器700还可包含存储器，用于存储数据(比如，参数信息)和/或指令，一个或多个计数器，向计数器，存储器和/或控制器提供周期信号的时钟电路，备用电池等。
图9为另一典型混合型光到光(O2O)和光到电到光(OEO)收发器800，包括O2O接收器和OEO发射器。图9中O2O接收器本质上就是图3和7的O2O接收器，包括网络端端口135，和隔离器245和247，光学放大器115，滤光器125，光学开关670，和主机端端口137，所有都按文中所述的方式运行。混合型收发器800还包括外壳840，与图3和7的O2O收发器300或600中外壳330或660类似或相同，和与图7的控制器620类似的控制器850。尽管图9出现了图3和7的O2O接收器，图2-4中任意O2O接收器都可用于混合型收发器800。此外，如图7-8的实施例中，混合型光收发器800还包括存储器，用于存储数据(比如，参数信息)和/或指令，一个或多个计数器，向计数器，存储器和/或控制器提供周期信号的时钟电路，和备选电池。
图9中OEO发射器包含光到电(OE)转换器810，信号处理电路820，和EO转换器830。OE转换器810和830都具有复数个通道，数目可相同也可不同。
OE转换器810可包含一个或多个光接收器(比如，光电二极管)。OE转换器810可用于从主机接收一个或多个入射光信号(比如，通过主机端口132)并将入射光信号转换为电信号，给信号处理器820处理。
信号处理电路820与OE转换器810通信式耦合。信号处理电路820可用于放大和/或过滤电信号并为EO转换器830生成会驱动相同或不同数量的电信号。在某些实施例中，信号处理电路820包括放大器，用于放大来自OE转换器810的电信号，时钟和数据恢复(CDR)电路，用于从(放大的)电信号恢复出时钟信号和数据，和/或激光驱动器，用于在足够驱动EO转换器830中激光器的水平向EO转换器830发送一个或多个(恢复的)电数据信号。在其他实施例中，信号处理电路820还可包含电信号解调制器，用于解调制来自OE转换器810的电信号，信号齿轮箱，用于将第一复数单位的电信号转换为第二复数单位的电信号(第二复数单位中的信号数量与第一复数单位不同)，光信号调制器，用于为EO转换器830调制电数据信号，模数转换器(ADC)，用于将模拟电信号(比如，来自放大器和/或滤光器)转换为数字电信号，和/或数模转换器(DAC)，用于将数字电信号(比如，来自放大器，滤光器或CDR电路)转换为模拟电信号，用于驱动器和/或EO转换器830。
EO转换器830与信号处理电路820通信式耦合且可包含一个或多个发射器。EO转换器830可用于从信号处理器820接收电信号并将电信号转换为光信号，通过网络端口134向网络传输。相应地，图9的OEO发射器用于将主机端端口132的入射光信号转换为网络端端口处的出射光信号。
图10为另一典型混合型光到光(O2O)和光到电到光(OEO)收发器900，包含O2O发射器和OEO接收器。图10的O2O发射器本质上就是图3和8的O2O接收器，包括主机端端口132，隔离器240和242，光学放大器110，滤光器120，光学开关750，和网络端端口134，所有都按文中所述方式运行。混合型收发器900还包括与图3，7和9的O2O收发器300，600或800类似或相同的外壳330，660或840，和与图8-9的控制器730或850类似的控制器。尽管图10出现的是图3和8中的O2O发射器，图2-4中任意O2O发射器都可用于混合型收发器900。此外，如在图7-8的实施例中，混合型光收发器900还可包含存储器，用于存储数据(比如，参数数据)和/或指令，一个或多个计数器，时钟电路。
图10的O2O接收器包含光到电(OE)转换器910，信号处理电路920，和EO转换器930。OE转换器910和EO转换器930都具有复数个通道，而通道数量可相同或不同，而OE转换器910，信号处理电路920和EO转换器930都分别与图9的OE转换器810，信号处理电路920和EO转换器830相同或相似。
图11A-B分别为典型光到光((O2O)收发器1000和1050。图11A为包括O2O接收器和穿透式发射器的O2O收发器。图11B为包括O2O发射器和穿透式接收器的O2O收发器1050。
图11A中O2O接收器本质上就是图3，7和9的O2O接收器，包括网络端端口135，隔离器245和247，光学放大器115，滤光器125，和主机端端口137，所有都按文中所述方式运行。O2O收发器1000还包括外壳1040，与图3，7和9的O2O收发器300，600或800中外壳330，660或860类似或相同。O2O收发器1000还包含光学开关和控制器，与图7和9的O2O收发器600或800。尽管图11A出现的是图3，7和9的O2O接收器，但图2-4的任意O2O接收器都可用于接收器1000。
图11A中穿透式发射器包含耦合在网络端端口135和主机端端口137之间的光学穿透连接1010。举例来说，光学穿透连接1010包含光纤，和主机和网络端端口135和137各自独立包含推入/推出连接器或LC连接器。网络端端口135和/或主机端端口137可接纳单纤或多纤，而所述光纤(包含光学穿透连接1010)可以是单模光纤或多模光纤。或者，光学穿透连接1010可包含外壳1040中光学腔室内的一枚或多枚透镜和/或一枚或多枚反射镜。所述透镜和/或反射镜用于将网络端口135处的入射光信号汇聚和/或引导至与主机端137外端连接的光信号介质(比如，一个或多个光纤)。
图11B中的O2O发射器本质上就是图3，8和10中的O2O发射器，包括主机端端口132，隔离器240和242，光学放大器110，和网扩端端口134，所有都按文中所述方式运行。O2O收发器1050还包括光学开关和控制器，与图8和10的O2O收发器700或900类似或相同。O2O收发器1050还包括与图11A的穿透式连接1010类似或相同的穿透式连接1020，和与图3，8，10和11A的O2O收发器300，700，900或1000中外壳300，760，940或1040类似或相同的外壳1060。尽管图11B出现的是图3，8和10的O2O接收器，但图2-4的任意O2O发射器都可用于接收器1050。
综述
因此，本发明提供了一种光到光收发器，包括它的网络系统或装置(比如，在数据中心里)，及其制造和适用方法。本光到光收发器实现了光网络(比如，数据中心)主机和网络系统或装置间信号处理和信号传递完全在光域中进行。这增强了收发器执行此类信号处理和传递的信号传输距离和链路预算，从而通过实现以更长距离对开关或路由进行隔离提升此类光网络的性能，并有可能减少指定网络中开关或路由的数量，降低光网络的成本，功耗和复杂性。
图解和说明已经详细展示了前述的本发明的特殊实施例。本公开并不限于前述实施例，并且很明显，也可以鉴于以上所述的技术，对本发明进行修改和变更。本文选定实施例并对其进行描述，以便最精确地阐述本发明的原理及它的实际应用，从而使所属专业技术领域的其他人员能最大程度的利用本发明及带有各种修改的实施例，以适用于预期的特殊用途。即，由添加至此的权利要求和它们的等效叙述所定义的发明范围。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (26)

1.一种光或光电收发器，包括接收器、发射器和外壳，其特征在于，所述接收器和发射器中其中一个包括光到光信号路径，所述光到光信号路径包括：
a)第一和第二端口；
b)第一光学放大器，用于通过第一端口从主机和网络中任何一个接收第一光信号，并将第一光放大信号通过第二端口发送至主机和网络中另一个；
其中外壳用于容纳接收器和发射器；
所述接收器和发射器中另一个包含光电信号路径，用于通过第三端口从主机或网络中另一个接收输入信号并通过第四端口向主机和网络中一者发送输出信号。
2.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，所述光到光信号路径还包括第一滤光器，用于过滤来自第一光学放大器的第一光放大信号并通过第二端口为主机和网络中另一个提供第一光放大信号。
3.如权利要求2所述的收发器，其特征在于所述光到光信号路径还包括第一光隔离器，用于光学隔离第一光放大信号并将光学隔离的第一光放大信号发送到主机和网络中另一个。
4.如权利要求2所述的收发器，其特征在于所述光到光信号路径还包括第二光隔离器，用于(i)光学隔离来自主机和网络中另一个的第一光信号和(ii)向第一光学放大器发送光学隔离的第一光信号。
5.如权利要求1所述的收发器，其特征在于还包括第一光学时钟恢复单元，用于从第一光信号或第一光放大信号恢复第一光学时钟信号。
6.如权利要求5所述的收发器，其特征在于所述光到光信号路径还包括第一光闸，用于(i)接收第一光学时钟信号和第一光放大信号和(ii)根据第一选择信号输出第一光学时钟信号或第一光放大信号。
7.如权利要求6所述的收发器，其特征在于所述光到光信号路径还包括第一分光器，用于将部分第一光信号或第一光放大信号引导至第一光学时钟恢复单元。
8.如权利要求6所述的收发器，其特征在于包括位于光闸和光学时钟恢复单元之间的相位调节单元，用于调节第一光学时钟信号的相位。
9.如权利要求5所述的收发器，其特征在于所述第一光学时钟信号具不同于第一光学信号的波长和/或具有一个或多个不同于第一光信号或第一光放大信号的光纤传输特性。
10.如权利要求1所述的收发器，其特征在于所述接收器包括光到光信号路径，所述第一光学放大器通过第一端口从网络接收第一光信号，而所述发射器包含的电到光信号路径包括(i)驱动器，用于通过第三端口从主机接收第一电信号并将驱动信号发送至发射光器件(TOSA)和(ii)TOSA中的激光器，用于通过第四端口向网络输出第六光信号。
11.如权利要求1所述的收发器，其特征在于所述发射器包括光到光信号路径，所述第一光学放大器通过第一端口从主机接收第一光信号，而所述接收器包含的光到电信号路径包括(i)光电二极管，用于将来自网络的第五光信号转换为第二电信号和(ii)放大器，用于放大第二电信号并通过第四端口向主机输出放大的第二电信号。
12.如权利要求1所述的收发器，其特征在于所述接收器和发射器中一个包含光到光信号路径而所述接收器和发射器中另一个则包含光到电到光信号路径，用于通过第三端口从主机或网络中另一个接收第五光信号并通过第四端口向主机和网络中之一提供第六光信号。
13.如权利要求12所述的收发器，其特征在于所述接收器包括光到光信号路径，所述第一光学放大器通过第一端口从网络接收第一光信号，所述发射器包含光到电到光信号路径，且所述发射器还包含(i)光到电转换器，用于通过第三端口从主机接收第五光信号，(ii)信号处理器，用于处理来自光到电转换器的第三电信号，和(iii)电到光转换器，用于将第三电信号转换为第六光信号。
14.如权利要求12所述的收发器，其特征在于所述发射器包含光到光信号路径，所述第一光学放大器通过第一端口从主机接收第一光信号，所述接收器包含光到电到光信号路径，且所述接收器还包含(i)光到电转换器，用于通过第三端口从网络接收第五光信号，(ii)信号处理器，用于处理来自光到电转换器的第四电信号，和(iii)电到光转换器，用于将第四电信号转换为第六光信号。
15.一种光模块，包括：a)如权利要求1所述的多个收发器；b)外壳，用于将所述多个收发器固定到位。
16.如权利要求15所述的光模块，其特征在于所述外壳至少有一个开口，使光纤或光波导能够从主机端口通到光模块中的各个收发器。
17.一种处理光信号的方法，包括：a)用光或光电收发器在光到光信号路径中接收来自主机和网络中之一的光信号；b)放大所述光信号；和c)将放大的光信号发送至主机和网络中另一个；还包括：在光电信号路径接收来自主机或网络中另一个的输入信号，并向主机和网络中一者发送输出信号。
18.如权利要求17所述的方法，还包括过滤所述光放大信号，其特征在于过滤后的，光放大信号被发送至主机和网络中另一个。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：a)在接收所述光信号之后且放大所述光信号之前，对光信号进行光学隔离；和b)在过滤所述光放大信号之后且发送所述过滤的光放大信号之前，再次对光信号进行光学隔离。
20.如权利要求17所述的方法，还包括：a)在放大光信号之前，分离或隔离部分的光信号；b)从所述部分光信号恢复光学时钟信号；和c)根据光信号的值发送替代光放大信号的光学时钟信号。
21.一种制造具有光到光路径收发器的方法，所述方法包括：a)将第一和第二端口安装、粘贴或固定到收发器的外壳，一条从第一端口到第二端口的路径限定为光到光信号路径；和b)沿光到光信号路径将第一光学放大器安装、粘贴或固定到收发器的第一内表面，其特征在于所述第一端口用于从主机和网络中之一接收第一光信号，所述第一光学放大器用于放大所述第一光信号，而所述第二端口用于将放大的第一光信号发送至主机和网络中另一个；还包括安装、粘贴或固定收发器第三和第四端口间光电信号路径的一个或多个元件，所述光电信号路径的第一元件用于通过第三端口从主机或网络中另一个接收输入信号，而所述光电信号路径的第二元件用于通过第四端口向主机和网络中另一个发送输出信号。
22.如权利要求21所述的方法，还包括沿光到光信号路径将第一滤光器安装、粘贴或固定到收发器的第二内表面，其特征在于所述第一滤光器用于过滤来自第一光学放大器的放大的第一光信号。
23.如权利要求22所述的方法，还包括：a)沿第二光到光信号路径将第二光学放大器安装、粘贴或固定到收发器第三内表面，其特征在于所述第二光学放大器用于通过第三端口放大来自主机和网络中另一个的第二光信号；和b)沿第二光到光信号路径将第二滤光器安装、粘贴或固定到收发器第四内表面，其特征在于所述第二滤光器用于过滤来自第二光学放大器的放大的第二光信号并通过第四端口将所述过滤的放大第二光信号发送至主机和网络中之一，其特征在于所述第三和第四端口限定了第二光到光信号路径。
24.如权利要求22所述的方法，还包括：a)沿光到光信号路径将第一隔离器固定，粘贴或固定到收发器第五内表面，其特征在于所述第一隔离器用于在第一光学放大器放大第一光信号之前对第一光信号进行光学隔离；和b)沿光到光信号路径将第二隔离器固定，粘贴或固定到收发器第六内表面，其特征在于所述第二隔离器用于光学隔离所述过滤的放大第一光信号。
25.如权利要求24所述的方法，还包括：a)沿光到光信号路径将第一分光器安装、粘贴或固定到收发器第九内表面，其特征在于所述第一分光器用于在第一光学放大器放大第一光信号之前分离或隔离部分第一光信号；b)将第一光学时钟恢复单元安装、粘贴或固定到收发器第十内表面，所述第一光学时钟恢复单元用于从部分第一光信号恢复第一光学时钟信号；沿光到光信号路径将第一光闸安装、粘贴或固定到收发器第十一内表面，所述第一光闸用于根据第一光信号的值，从第一光学时钟信号或过滤的第一放大信号选择第一输出光信号。
26.如权利要求24所述的方法，还包括安装、粘贴或固定穿透型连接器，所述穿透型连接器用于通过收发器第三端口接收来自主机或网络中另一个的第三光信号并通过收发器第四端口向主机和网络之一者发送第三光信号。
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