CN106797253A - 光发射器和光收发器 - Google Patents

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Abstract

为了提供不需要单独设置温度传感器并且能够减小尺寸的光发射器，本发明在包括至少一个发射驱动器的光发射器中设置了检测电路，用于检测由于发射驱动器的温度依赖性的输出变化。

Description

光发射器和光收发器
技术领域
本发明涉及一种包括温度监视功能的光发射器和光收发器。
背景技术
在光收发器中，伴随尺寸减小和加速，监视装置的温度变得重要。然而，由于高密度安装，使用分立部件(discrete component)的温度监视方法由于部件布置的限制而导致监视精度的问题。特别是关于伴随有构成发射单元的驱动器等的发热的有源装置，在内部布置温度传感器的情况不存在，并且期望实施不需要外部部件的温度监视功能。
在100Gbps级别的光收发器中，作为可插拔收发器，通过诸如百千兆比特型可插拔(CFP)、CFP2和CFP4的标准化，尺寸小型化已经取得了进步。在长距离应用中，通常使用使用诸如二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)和16正交振幅调制(16QAM)的相位调制作为调制方法的相干光通信技术，并且发射单元由马赫-曾德调制器实施。
然而，为了驱动材料为铌酸锂的马赫-曾德调制器，通常需要6至7Vpp的振幅，并且即使在材料为磷化铟的调制器的情况下，所需的振幅通常为5Vpp。此外，驱动适于正交调制和双极化的四个马赫-曾德调制器的四通道高输出振幅驱动器是必要的，并且在收发器中占用大比例的电力消耗。除此之外，为了适应于密集波分复用(DWDM)通信，诸如波长可变光源和相干接收器的有源装置也安装在光收发器中。此外，在CFP中，存在另外容纳进行发射和接收的信号处理的数字信号处理器(DSP)的情况。
在小型收发器中，需要高密度地安装这些有源装置，并且为了监视由于发热而引起的产品劣化，已经检查了为每个装置提供温度监视功能。然而，一般来说，温度监视功能不并入到并入调制器驱动驱动器和接收器中的跨阻放大器中，并且通常在外部安装温度传感器。
图6是由CFP2代表的长距离相干光收发器的框图，其中不并入高速信号处理DSP。驱动器41、相干接收器42和波长可变光源43是伴随有主要发热的有源装置，并且期望监视这些有源装置的温度。
温度传感器46旨在监视驱动器41的温度，并且被配置为经由控制器45向外部做出通知。可插拔收发器具有下述配置：输入和输出端子被布置在壳体的短边的一个方向上，发射单元和接收单元被布置成彼此相邻，并且特别地，存在在用于与外部对接的电接口单元中布线和部件的安装密度增加的趋势。
此外，驱动器41包括将四通道高速信号放大到高输出振幅的功能，并且消耗大量电力，使得需要在驱动器的背面上设置热辐射散热器。除此之外，由于需要以良好的功率效率来放大宽带信号，所以对于驱动器输出需要附近的外部T型偏置器(bias tee)，并且由于这个原因，大大限制了装置附近的安装空间。
在这种限制下，即使当可以布置温度传感器46时，也难以适当地与其他有源装置进行热分离，并且包括四个通道的驱动器与温度传感器之间的距离变得不均匀，从而导致温度监视的精度恶化的问题。
因此，与高密度安装相反，使用外部温度传感器的温度监视不仅导致部件数量的增加，而且由于难以将温度传感器布置在加热元件附近、热量从其他设备到处流动等等，所以具有精度上的问题。
专利文献1描述了以下半导体光学元件。在集成了电吸收调制器的半导体激光器的情况下，在元件中产生热量最多的激光器单元附近提供可以测量电流-电压特性的区域。因为电流-电压特性取决于元件有源层单元的温度而波动，所以当供应特定恒定电流时，通过读取电压值来检测元件温度。
根据专利文献2，使用在接收侧控制中使用的温度感测元件信息来同时并行地进行激光器模块和用于驱动该模块的驱动器的集成电路(IC)的温度补偿控制。
专利文献3描述了以下光发射器。提供了监视激光二极管的光的光电二极管(PD)，并且当PD的电流值恒定时，PD的电压值变为温度的线性函数，并且因此，从该电流值测量封装内的温度。
专利文献4描述了一种光收发器，其检测接收透射光的监视光的透射光监视PD的电压降，并且基于该电压降来测量封装内的温度。
[引用列表]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利申请公开出版物No.2006-324801
[专利文献2]日本专利申请公开出版物No.2007-019119
[专利文献3]日本专利申请公开出版物No.2010-251646
[专利文献4]日本专利申请公开出版物No.2011-165714
[专利文献5]日本专利申请公开出版物No.2006-054272
[非专利文献]
[非专利文献1]Craig Steinbeiser,Khiem Dinh,Anthony Chiu,Matt Coutant,Oleh Krutko,Mike Tessaro,"lOOGb/s Optical DP-QPSK using two Surface MountDual Channel Modulator Drivers"Compound Semiconductor Integrated CircuitSymposium(CSICS),12IEEE pp.1-4
[非专利文献2]Hisao Shigematsu,Masaru Sato,Tatsuya Hirose,and YuuWatanabe,"A 54-GHz distributed amplifier with 6-VPP output for a40-Gb/sLiNb03modulator driver"IEEE Journal of Solid-State Circuits Volume:37,Issue:9,pp 10-15
发明内容
[技术问题]
在专利文献1中，需要在激光单元附近新设置能够测量电流-电压特性的区域。这等同于并入温度传感器的问题。此外，在专利文献2中，需要并入温度感测元件(例如，热敏电阻)。此外，在PTL 3和4中，添加用于驱动PD的电路，使得电路尺寸增加。
本发明的目的在于提供一种不需要单独设置温度传感器的光发射器，并且能够进一步实现尺寸减小。
[问题的解决方案]
本发明是一种包括至少一个发射驱动器的光发射器，其中，提供检测由于发射驱动器的温度依赖性的输出波动的检测电路。
[发明的有益效果]
根据本发明，可以提供一种光发射器，其中不需要单独设置温度传感器的，并且此外，可以实现尺寸减小。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一示例性实施例的光发射器的图。
图2是示出根据本发明的第二示例性实施例的光收发器的图。
图3是示出根据本发明的第三示例性实施例的光收发器的图。
图4是示出根据本发明的第四示例性实施例的光收发器的图。
图5是示出根据本发明的第五示例性实施例的光收发器的图。
图6是示出背景技术中的光收发器的图。
具体实施方式
(第一示例性实施例)
图1是示出根据本发明的第一示例实施例的配置的图。这是包括发射驱动器100的光发射器。设置了检测由于驱动器100的温度依赖性的输出波动的检测器200。来自主机侧的电输入信号被放大，并且适合于光发射器的调制格式的信号被输出到调制器40。检测器200被设置在驱动器输出处，并且向控制器50输出与输出信号振幅成比例的信号。检测器的原始角色是监视驱动器输出并进行故障检测等，并且在本示例性实施例中也继续不变地使用该角色。
在调制器40，输入光源30的光源输出，通过驱动器100的信号进行调制，并且从光学输出端口输出信号。在控制器50，提供对安装在光发射器内的装置进行控制和状态监视的功能，并且与主机侧进行信号的双向发射和接收。
驱动器的输出取决于温度而波动。例如，假设使用场效应晶体管(FET)作为驱动器，FET的跨导gm通常具有在高温下降低的温度特性。此外，在FET的栅极和源极之间的电压恒定的条件下，阈值电压Vt具有温度特性，此外，漏极电流具有温度特性。检测因此具有温度特性的输出，使得可以从输出向后计算温度。此外，作为检测器，使用原本并入发射驱动器中的检测器。检测器的示例包括振幅检测器和电流检测器等。这些检测器最初包括检测振幅和电流的波动并将该波动反馈到控制器50以使得驱动器100被控制在正常范围内的功能。在本示例性实施例中，在使该原始功能无变化地工作时，进行上述温度检测。因此，不需要专用的温度传感器，能够实现小型化，并且能够实现高精度。图1中箭头的方向表示一个示例，并且不限制在方框之间的信号的方向。
(第二示例性实施例)
(示例实施例的配置)
图2是示出根据本发明的第二示例性实施例的光收发器的配置的框图。
驱动器101是由四个通道构成的调制器驱动器，并且放大来自主机侧的电输入信号，并且向调制器4输出适合于发射器的调制格式的信号。振幅检测器102设置在驱动器101的每个通道的输出处，并且向控制器5输出与输出信号振幅成比例的信号。振幅检测功能的原始角色是监视驱动器输出的振幅并执行故障检测等，并且在本示例性实施例中也继续不加改变地使用该角色。
在调制器4，输入波长可变光源3的光源输出，通过驱动器101的信号进行调制，并且从光输出端口输出信号。相干接收器2使用来自波长可变光源3的单个振荡光，对来自光输入端口的信号进行相干波检测，以将该信号转换为电信号，并将该电信号输出到主机侧。在控制器5，提供对安装在收发器内部的装置的进行控制和状态监视的功能，并且在主机侧进行信号的双向发射和接收。
温度传感器601是用于监视收发器的内部温度的温度传感器，并且包括向控制器5通知温度监视值的功能。
(示例实施例中的操作的描述)
参照图2，描述了本示例性实施例的操作。
图2中的驱动器101适于宽带和高输出振幅，并且在输出级包括共射共基型分布式恒定放大器的广泛使用的配置，对于其而言，如在非专利文献1和2中那样使用高电子迁移率晶体管(HEMT：高电子迁移率场效应晶体管)工艺。同时，由于作为载流子的电子的迁移率具有在高温下降低的性质，FET的跨导gm具有温度依赖性，并且因此，也在高温下降低。由于驱动器的增益与gm成比例，所以驱动器具有在高温下增益类似地降低的性质。在输入信号振幅恒定的条件下，当收发器的壳体的温度变化，并且在驱动器的FET发生温度波动时，驱动器输出的振幅波动。在本示例性实施例中，注意力集中在振幅检测器具有温度特性的情况，该温度特性用于驱动器的温度测量。
当驱动器的输出振幅和温度之间的关系由其变量为温度的多项式近似时，“A(T)＝A0+A1T+A2T2+...”成立。这里，A(T)是驱动器的输出振幅，A0是在0℃的温度系数，A1是主温度系数，A2是辅温度系数，并且T是驱动器的温度。振幅和温度之间的这种关系意味着温度特性只能由驱动器测量。测量输出电压振幅相对于温度的曲线，并且预先在该曲线和近似式A(T)之间拟合以确定A0、A1、A2、...。当需要高精度时，拟合为高阶系数。
接着，假定振幅检测值为Vdet，并且输出振幅为A(T)，则振幅检测器102检测的信号由Vdet＝a+bA(T)表示。这里，a是检测电路的偏移，b是检测电路的增益。具有温度特性Vdet＝a+b(A0+A1T+A2T2+...)的信号被输入到控制器5，使得可以计算驱动器温度T，因为已知Vdet、a、b、A0、A1、A2、...。
此外，作为在本示例性实施例中使用的驱动器，安装四个通道。取这四个检测值的平均值作为振幅检测值，并将其作为驱动器温度的监视值。作为另一选择，可以取四个检测值的最大值，并且可以将其视为驱动器温度的监视值，以使得能够在使用外部温度传感器的情况下进行温度检测，该温度检测不取决于驱动器和外部温度传感器之间的位置关系。此外，为了适应诸如BPSK的信号格式，驱动器101包括阻断每个驱动器中的每个通道的输出信号的输出禁用功能。换句话说，在本示例性实施例中，驱动器存在为四个通道，并且在QPSK的情况下，对应于各个通道。然而，由于BPSK涉及两个信道，所以两个剩余信道的输出被禁用。尽管其它控制信号从控制器5输出到驱动器101，但是图2仅示出了输出禁用功能。
为了禁用输出，例如，存在阻断驱动器的FET的漏极电压的方法，使得在输出禁用状态中，不可能进行输出振幅检测，并且不会发生驱动器的发热。经由控制器5从主机侧进行用于禁用的操作。当驱动器输出被禁用时，控制器5基于所涉及的通道的振幅检测值使驱动器温度的监视无效，并且基于使能状态的驱动器的振幅检测值来计算驱动器温度的监视值。当所有通道被禁用时，驱动器不是热源，温度由周围和其它发热元件确定，并且因此，温度传感器601用于监视驱动器的温度。预先测量该温度传感器601和驱动器之间的内部温度差，并将其记录在控制器中，以便可以计算驱动器的温度监视值。图2中箭头的方向表示一个示例，并且不限制方框之间的信号的方向。
当输入信号被禁用时，虽然没有产生输出振幅，但是由于漏极电压被施加到驱动器的FET，所以驱动器其自身发热。因此，振幅检测功能难以监视驱动器的温度。在这种情况下，调节振幅检测范围，并且当输出振幅的检测值低于下限值时，控制器5将状态确定为信号禁用状态，并保持最近接收输入信号时的驱动器温度的监视值，从而进行温度监视并向主机侧做出通知。
在本示例性实施例中，假设的操作是输出振幅不相对于驱动器的输入信号振幅波动的限制类型。
(示例实施例的效果)
在本示例性实施例中，并入的控制器使用并入到发射驱动器中的振幅检测功能来检测由构成驱动器的FET的温度依赖性引起的振幅检测功能的温度特性，并且进行驱动器的温度监视。因此，不需要专用的温度传感器，可以减小光收发器的尺寸，此外，可以实现高精度。
(第三示例性实施例)
图3是示出根据本发明的第三示例性实施例的光收发器的配置的框图。本示例性实施例是适于线性类型的驱动器的示例，其中输出振幅以与输入信号振幅成比例的关系输出。在驱动器111中，第二振幅检测器113安装在放大器的前级。第一振幅检测器112安装在放大器的后级，控制器511计算第一振幅检测器112的振幅检测值与第二振幅检测器113的振幅检测值之间的差，从而导出放大器的增益。该增益的温度特性与第一示例性实施例类似，并且反向计算增益的温度特性，并且进行驱动器的温度监视。
(第四示例性实施例)
图4是示出根据本发明的第四示例性实施例的配置的图，并且是其中电流检测器122被布置在驱动器121中的构成驱动器的FET的漏极的示例。电流检测器122具体地是电流检测电阻。电流检测器122监视偏置电流是否在适当范围内。在本示例性实施例中继续使用而不改变该功能。
如上所述，FET的跨导gm通常具有在高温下降低的温度特性。此外，在FET的栅极和源极之间的电压恒定的条件下，阈值电压Vt具有温度特性，此外，漏极电流具有温度特性。与驱动器的增益类似，使用漏极电流的温度特性，使得将漏极电流的监视值输入到控制器521，从漏极电流计算温度，并且进行驱动器的温度监视。
在本示例性实施例中，使用原来并入到发射驱动器中的电流值检测功能，使得检测由构成驱动器的FET的漏极电流的温度依赖性引起的电流值检测功能的温度特性，并入的控制器用于进行驱动器的温度监视。因此，不需要专用的温度传感器，能够实现尺寸的减小，并且能够实现高精度。
(第五示例性实施例)
图5是表示第五示例性实施例的配置的图，并且输出波形调整器422被布置在驱动器121中构成驱动器的FET的漏极。输出波形调整器422包括调整已经产生了失真或钝性的输出波形的功能。输出波形取决于温度而改变。预先检查波形和温度之间的关系，类似于第一至第四示例性实施例，从输出波形计算温度，以进行驱动器的温度监视。在本示例性实施例中，不需要专用的温度传感器，能够实现尺寸减小，此外，并且能够实现高精度。
图3至图5中的箭头的方向表示一个示例，并且不限制在方框之间的信号的方向。
上述示例性实施例的一部分或全部可以如以下补充说明中所述，而不限于以下。
(补充说明1)
一种包括至少一个发射驱动器的光发射器，其中，设置有检测电路，该检测电路检测由于所述发射驱动器的温度依赖性的输出波动。
(补充说明2)
根据补充说明1所述的光发射器，其中所述检测电路是所述发射驱动器的振幅检测器。
(补充说明3)
根据补充说明1所述的光发射器，其中所述检测电路是所述发射驱动器的电流检测器。
(补充说明4)
根据补充说明1所述的光发射器，其中所述检测电路是所述发射驱动器的输出波形调整器。
(补充说明5)
根据补充说明1至4中任一项所述的光发射器，还包括控制器，其中所述控制器将所述检测电路的输出转换成所述发射驱动器的温度。
(补充说明6)
根据补充说明5的光发射器，其中，在将振幅检测器的输出转换为温度时，使用变量为温度的多项式的近似。
(补充说明7)
根据补充说明1至6中任一项所述的光发射器，其中，当存在多个所述发射驱动器时，将针对各个所述发射驱动器设置的检测电路的检测值的平均值视为所述多个驱动器的温度。
(补充说明8)
根据补充说明5至7中任一项所述的光发射器，其中，在所述控制器中设定振幅检测范围，使得当所述振幅检测器的检测值低于所述范围的下限时，确定不存在到发射驱动器的输入信号，并且保持在最近接收输入信号时的所述驱动器的温度数据。
(补充说明9)
根据补充说明1至8中任一项所述的光发射器，其中所述发射驱动器进行限制类型的操作，其中输出振幅相对于输入信号的振幅不波动。
(补充说明10)
根据补充说明2至9中任一项所述的光发射器，其中，在所述发射驱动器的前级设置第一振幅检测器，在所述发射驱动器的后级设置第二振幅检测器，并且取所述第一和第二振幅检测器的检测值之间的差来导出所述驱动器的增益。
(补充说明11)
根据补充说明1至3中任一项所述的光发射器，还包括波长可变光源和调制器，其中所述调制器通过所述发射驱动器的输出来调制所述波长可变光源的输出，以进行光输出。
(补充说明12)
一种光收发器，其中，接收光输入的接收器被添加到根据补充说明1至11中任一项的光发射器。
在上文中，上述示例性实施例被引用为用于描述本发明的模型示例。然而，本发明不限于上述示例性实施例。换句话说，在本发明中，本领域技术人员可以理解的各种配置可以在本发明的范围内应用。
本申请要求基于在2014年10月8日提交的日本专利申请No.2014-206950的优先权，其全部公开内容并入本文。
[工业实用性]
本发明可以用在CFP2光收发器或小型长程相干收发器等中。
[参考标记列表]
41，0，1，121 驱动器
2 相干接收器
3 波长可变光源
30 光源
4，40 调制器
5，50，511 控制器
46，601 温度传感器
102 振幅检测器
112 第一振幅检测器
113 第二振幅检测器
122 电流检测器
200 检测器
422 输出波形调整器

Claims (10)

1.一种包括至少一个发射驱动器的光发射器，其中，设置有检测电路，所述检测电路检测由于所述发射驱动器的温度依赖性的输出波动。
2.根据权利要求1所述的光发射器，其中，所述检测电路是所述发射驱动器的振幅检测器。
3.根据权利要求1所述的光发射器，其中，所述检测电路是所述发射驱动器的电流检测器。
4.根据权利要求1所述的光发射器，其中，所述检测电路是所述发射驱动器的输出波形调整器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光发射器，进一步包括控制器，其中，所述控制器将所述检测电路的输出转换成所述发射驱动器的温度。
6.根据权利要求5所述的光发射器，其中，在将所述振幅检测器的输出转换为温度时，使用变量为温度的多项式的近似。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光发射器，其中，当存在多个所述发射驱动器时，将针对各个所述发射驱动器设置的所述检测电路的检测值的平均值视为所述多个驱动器的温度。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的光发射器，其中，在所述控制器中设定振幅检测范围，使得当所述振幅检测器的检测值低于所述范围的下限时，确定不存在到所述发射驱动器的输入信号，并且保持在最近接收输入信号时的所述驱动器的温度数据。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的光发射器，其中，在所述发射驱动器的前级设置第一振幅检测器，在所述发射驱动器的后级设置第二振幅检测器，并且取所述第一和第二振幅检测器的检测值之间的差来导出所述驱动器的增益。
10.一种光收发器，除了包括根据权利要求1至9中任一项所述的光发射器之外，还包括接收光输入的接收器。
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