CN108347284A - 一种光接收机及光模块 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光接收机及光模块，该光接收机包括准直透镜、光波导干涉装置、光电探测器、跨阻放大器以及限幅放大器，其中，准直透镜用于接收光发射机发射的光，并将接收的光转换为准直光；光波导干涉装置设置在准直透镜与光电探测器之间，用于调整准直光的光信号，以使光信号发生相长干涉；光电探测器用于检测干涉后的光信号，并将光信号转化为电流信号，电流信号经由跨阻放大器转换为电压信号，电压信号经由限幅放大器进行限幅放大。本申请的光接收机在光电探测器之前增加了准直透镜与光波导干涉装置，对光发射机发射的光进行准直、干涉处理，使光信号发生相长干涉，增强了光信号，增大了光电探测器的探测范围，从而提高了光接收机的灵敏度。

Description

一种光接收机及光模块

技术领域

本申请涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种光接收机及光模块。

背景技术

光纤通信是光电子技术在通信领域的重要应用，光纤通信的出现和发展，在通信发展史上具有深远意义，被认为是通信史上一次根本性的变革。光接收机是光纤通信系统中不可缺少的重要组成部分，它的功能是把从光纤线路输出的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后生成可供后续电路使用的电信号。

目前应用在NG-PON2(Next-Generation Passive Optical Network Stage 2，下一代无源光接入网第二阶段)OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)光模块的光接收机如图1所示。现有光接收机包括光电探测器10、跨阻放大器(Trans-impedanceAmplifier，TIA)20与限幅放大器(Limiter Amplifier，LIA)30，在实际应用中，光电探测器10一般采用APD(Avalanche Photodiode，雪崩二极管)探测器，APD探测器接收到光发射机发射的光信号后，利用光电效应产生电流强弱的变化，使光信号转换为电流信号；该电流信号经过跨阻放大器20之后，把电流的强弱变化转化为放大的电压变化，即跨阻放大器20将电流信号转化为电压信号；电压信号再经过限幅放大器30，限幅放大器30将该电压信号转化为幅值一定的电压信号输出。其中，APD探测器的灵敏度为衡量光接收机性能的一个重要指标。

但是，根据NG-PON2的协议标准ITU-T G.989.2的规定，NG-PON2光接收机对灵敏度的需求应达到-31.2dBm才能满足N2链路预算的指标要求，而目前行业产品化的10G APD探测器的典型灵敏度水平只有-29～-30dBm，当光发射机发射的光信号小于APD探测器的最小探测阈值时，APD探测器就无法判决该光信号，或者误码太高造成APD探测器判决错误。因此，目前APD探测器的灵敏度无法满足NG-PON2中N2链路预算高灵敏度的需求，影响了光接收机的接收性能。

发明内容

本申请提供了一种光接收机及光模块，以解决目前APD探测器的灵敏度无法满足NG-PON2中N2链路预算高灵敏度的需求，影响光接收机接收性能的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种光接收机，包括准直透镜、光波导干涉装置、光电探测器、跨阻放大器以及限幅放大器，其中，

所述准直透镜，用于接收光发射机发射的光，并将接收的光转换为准直光；

光波导干涉装置，设置在所述准直透镜与光电探测器之间，用于调整所述准直光的光信号，以使所述光信号发生相长干涉；

光电探测器，用于检测干涉后的光信号，并将所述光信号转化为电流信号，所述电流信号经由所述跨阻放大器转换为电压信号，所述电压信号经由所述限幅放大器进行限幅放大。

第二方面，本申请实施例提供了一种光模块，包括光接收机，所述光接收机为第一方面所述的光接收机。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请实施例提供了一种光接收机及光模块，该光接收机包括准直透镜、光波导干涉装置、光电探测器、跨阻放大器以及限幅放大器，其中，准直透镜用于接收光发射机发射的光，并将接收的光转换为准直光；光波导干涉装置设置在准直透镜与光电探测器之间，用于调整准直光的光信号，以使光信号发生相长干涉；光电探测器用于检测干涉后的光信号，并将光信号转化为电流信号，电流信号经由跨阻放大器转换为电压信号，电压信号经由限幅放大器进行限幅放大。本申请提供的光接收机在光电探测器之前增加了准直透镜与光波导干涉装置，用于对光发射机发射的光进行准直、干涉处理，准直透镜将汇聚光转换为准直光，方便后续光波导干涉装置对准直光的光信号进行调整，使光信号发生相长干涉，能够增强光信号，使得光探测器能够接收光强较小的光信号，从而能够提高光接收机的灵敏度；还有，光信号发生干涉后，能够有效地抑制光信号中携带的噪声，可以有效地改善光信号的信噪比，从而能够提高光电探测器的判决准确度，进而能够提高光接收机的灵敏度，使其满足NG-PON2中N2链路预算高灵敏度的需求。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有光接收机的结构示意图；

图2为现有NG-PON2网络架构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光接收机的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种光模块的结构示意图；

图1-图4符号表示：1-准直透镜，2-光放大器，3-分光器，4-第一光波导，5-光程调整机构，6-第二光波导，7-耦合器，10-光电探测器，20-跨阻放大器，30-限幅放大器,100-光模块，110-光发射机，120-光接收机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

根据NG-PON2的协议标准ITU-T_G.989.2，其网络架构如图2所示。根据链路预算的不同，协议中定义了N1，N2，E1和E2四种链路预算，如表1所示。

表1 NG-PON2的链路预算

对于这四个档次的链路预算，在S/R-CG点功率指标如表2所示：

表2 SR-CG点的功率预算

在SR-CP点考虑2.2dB的合波损耗，考虑0.5dB的接收端通道间干扰，那么计算得到的链路预算如表3所示：

表3 SR-CP点的功率预算

这样对于N2等需求，对灵敏度的需求已经达到了-31.2dB，而目前行业产品化的10G APD的典型灵敏度水平只有-29～-30dBm，无法满足NG-PON2的高灵敏度需求。为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种光接收机，在光电探测器(APD探测器)之前增加了准直透镜与光波导干涉装置，用于对光发射机发射的光进行准直、干涉处理，提高了进入光电探测器的光信号强度，同时改善了光信号的信噪比，从而大大提高了光接收机的灵敏度，使其满足了NG-PON2高灵敏度的需求。

参见图3，为本申请实施例提供的一种光接收机的结构示意图。

如图3所示，本申请实施例提供的光接收机包括准直透镜1、光波导干涉装置、光电探测器10、跨阻放大器20以及限幅放大器30，其中，

准直透镜1接收光发射机发射的光，将光发射机发射的汇聚光转换为准直光，使得光束之间相互平行，便于后续干涉处理。平行光的干涉不受焦点的影响，而汇聚光过了焦点就会发散，使得后续光路设计更加复杂。

准直透镜1其实就是凸透镜，光发射机发射的汇聚光束经由凸透镜后，转换为平行光。选择准直透镜1时，只要准直透镜的焦距、数值孔径能够满足后级光波导干涉装置要求的平行光即可。

光波导干涉装置设置在准直透镜1与光电探测器10之间，用于调整准直光的光信号，以使光信号发生相长干涉，从而增强光信号的光强，使得较小光强的光信号也能被光电探测器10接收。

具体地讲，光波导干涉装置包括光程调整机构5、分光器3以及耦合器7，分光器3为一分二分光器，用于将准直光平均分为两束光，两束光的频率、波长等均不变。分光器是实现光网络系统中将光信号进行耦合、分支、分配的光纤汇接器件，具有多个光输入端和多个光输出端，一个分光器有M个光输入端和N个光输出端用M*N表示，本申请提供的分光器为1*2，具有1个光输入端，2个光输出端，从而将准直后的光均分为两束，方便后续干涉处理。

本申请实施例中，光程调整机构5设置在分光器3与耦合器7之间，光程调整机构5的一端与分光器3的一个光输出端连接、另一端与耦合器7的一个光输入端连接，用于调整一束光的光程，以使两束光产生光程差。经过准直透镜1后的平行光进入分光器3，分光器3将光束均分为两束光，两束光分别沿两条光路进入耦合器7，其中一条光路上设置有光程调整机构5，光程调整机构5改变该条光路上光束的光程；另外一条光路上的光束直接传输至耦合器7，使得两束光的光程不同，产生了光程差。

具体地，为方便光束在分光器3与耦合器7之间传输，光波导干涉装置还包括第一光波导4与第二光波导6，其中，第一光波导4的一端连接分光器3的一光输出端、另一端连接耦合器7的一光输入端，用于传输分光器3分出的一束光，即分光器3分出的一束光通过第一光波导4传输至耦合器7。光波导是将光波限制在特定介质内部或其表面附近进行传输的导光通道，简单的说，就是约束光波传输的媒介，又称介质光波导。光波导有两大类，一类是集成光波导，包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤。

第二光波导6的一端连接分光器3的另一光输出端、另一端连接耦合器7的另一光输入端，用于传输分光器3分出的另一束光，即分光器分出的另一束光通过第二光波导6传输至耦合器7。波导是一个高折射率的区域，它四周的介质低于内部的折射率，以满足全反射的条件，即光在波导内发生全反射，以“Z”字型来传播，减少了损耗。

光程调整机构5设置在第一光波导4上或第二光波导6上，用于调整第一光波导4或第二光波导6的折射率，以改变传输于第一光波导4或第二光波导6内光的光程，使传输于第一光波导4的光束与第二光波导6的光束产生光程差，以产生相长干涉，增强光信号。

在具体实施过程中，光程调整机构5为压电机构，该压电机构可以改变第一光波导4或第二光波导6的电压，以调整第一光波导4或第二光波导6的折射率。该压电机构包括电极以及与电极电连接的电源，电极安装在第一光波导4或第二光波导6上。当电源为电极供电时，电极的电压影响第一光波导4或第二光波导6的折射率，且电极的电压与光波导的折射率成一定的函数关系，可根据该函数关系控制电极的电压，使得第一光波导4与第二光波导6的折射率不同，改变传输于第一光波导4与第二光波导6内光的光程，最终使得两束光的光程差为半波长的偶数倍。

本申请实施例中不仅限于通过光波导实现分光器与耦合器之间的光束传输，也可以是双绞线、光缆等载体，其均属于本申请实施例的保护范围。

在具体实施过程中，耦合器7为二合一耦合器，用于接收产生光程差的两束光，两束光发生相长干涉，将干涉后的光传输至光电探测器10。由于分光器3分出的两束光为同源光束，两者光强满足频率相同，相位稳定，且幅度基本相等的条件，因此两束光满足相干条件。满足相干条件的两束光叠加后发生干涉，当两束光的光程差为半波长的偶数倍时，两束光发生相长干涉，光信号将被增强。因此，本申请提供的光程调整机构5需要调整某一光路上光信号的光程，使得两束光的光程差为半波长的偶数倍。

两束光程不同的光束进入耦合器7后，光程差为半波长偶数倍的光束发生相长干涉，增强了光信号，之后干涉光信号传输至光电探测器10。另外，由于干涉的原因，光信号携带的噪声，由于其频率为杂乱无章的或者白噪声，在干涉的作用下被有效抑制，到达光电探测器10的光波SNR(Signal-Noise Ratio，信噪比)被有效改善。

灵敏度的定义是，在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率，因此，在有效改善光信号的SNR后，可以提高光接收机的灵敏度。

为了提升光电探测器10由于判决幅度太小而带来的判决错误，本申请实施例提供的光接收机还包括光放大器2，光放大器2设置在准直透镜1与分光器3之间，光放大器的输出端与分光器3的输入端连接，用于对准直光的光信号进行放大，并将放大后的光信号传输至分光器3。

光放大器2采用半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)，半导体光放大器是通信体系之中重要的组成部分，特别是半导体光放大器精确的放大功能可以使光纤通信的质量得到保障，很多骨干通信网络和重点光纤网络都应用半导体光放大器来做信号的放大与加强处理。一般半导体光放大器的放大波段为1300～1600nm，只要光发射机发射的光的波长与半导体光放大器的放大波段相对应，就可在增益平坦区进行放大，增强光信号。优选的，半导体光放大器可以放大10dB以上。

通过光放大器2对光信号的幅度进行放大，对光信号的整体进行放大，放大后的光信号再经过光波导干涉装置进一步增强，同时能够有效地抑制光信号携带的噪声以及光放大器引入的噪声，有效的降低噪声对灵敏度的影响。

光发射机发射的弱小光束经过准直透镜1的准直、光波导干涉装置的干涉后，大大增强了光信号的强度、幅度，抑制了光信号携带的噪声，使得光信号达到了光电探测器10的探测阈值。本申请实施例采用的光电探测器10为APD探测器，APD探测器是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90％以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200倍，有很好的微弱信号探测能力。

光电探测器10将接收的光信号转化为电流信号，并将电流信号传送至跨阻放大器20。跨阻放大器20将接收的电流信号转换为电压信号，并将电压信号传送至限幅放大器30，限幅放大器30将接收的电压信号进行限幅放大，增大电压信号的幅值，方便后续电路处理。

跨阻放大器(Trans-impedance Amplifier，TIA)20具有两个差分电信号输出端，限幅放大器(Limiter Amplifier，LIA)30具有两个差分电信号输入端，跨阻放大器20的一个差分电信号输出端与限幅放大器30的一个差分电信号输入端连接，跨阻放大器20的另一个差分电信号输出端与限幅放大器30的另一个差分电信号输入端连接，从而将跨阻放大器20输出的电压信号以交流耦合的方式传送至限幅放大器30。

由上述可知，光发射机发射的光束在经过准直透镜1准直、光放大器2放大、光波导干涉装置干涉后，可以有效的提升接收灵敏度至少10dB，即可以将APD探测器的灵敏度提升到40dBm，达到NG-PON2高灵敏度的需求。

本申请实施例提供的光接收机除了可以提高灵敏度水平外，可以有效降低对光网络单元ONU光功率的需求。由于NG-PON2整个链路预算是确定的，如果提升了光接收机接收端(光电探测器)的指标，那么就可以放宽对光发射机的要求，即光发射机的功率可以适当降低，其发射的光束强度可以相应降低，从而降低光线路终端的难度。

本申请实施例提供的光接收机在工作时，首先，光发射机发射的光束通过准直透镜1，准直透镜1将汇聚光转换为准直平行光；之后平行光进入光放大器2，光放大器2对接收的平行光的光信号进行整体放大；然后放大后的光束进入分光器3，分光器3将一束光均分为两束光，两束光分别通过第一光波导4、第二光波导6传输至耦合器7，第一光波导4或第二光波导6上的光程调整机构5调整传输于第一光波导4或第二光波导6内光的光程，使两束光的光程产生光程差；然后产生光程差的光束进入耦合器7，两束光发生相长干涉，由两束光合成为一束光；然后发生干涉后的光束进入光电探测器10，光电探测器将光束的光信号转化为电流信号，并将电流信号传输至跨阻放大器20；然后跨阻放大器20将电流信号转化为电压信号，并将电压信号传输至限幅放大器30；最后限幅放大器30对电压信号进行限幅放大，用于后续电路。

基于本申请实施例提供的一种光接收机，本申请实施例还提供了一种光模块。

光模块是以光器件为核心增加一些电路部分和结构件等完成相应功能的单元，其作用是提供光电-电光转换能力。光模块由两部分组成：发射部分和接收部分，发射部分将电信号转换为光信号，接收部分将光信号转换为电信号。

如图4所示，本申请实施例提供的光模块100包括光发射机110与光接收机120，其中，

光发射机110一般由转换装置和传输装置组成，转换装置是将带有信息的电信号转换成光信号，传输装置是将光信号送入光纤将光信号传输出去。光发射机110发射的光信号被光接收机120接收，光接收机120对接收到的光信号进行后续处理。

光接收机120为上述实施例中提供的光接收机，由光电探测器10、跨阻放大器20和限幅放大器30组成，本申请实施例在光电探测器10之前增加准直透镜1、光放大器2与光波导干涉装置，将经过光纤传输的微弱光信号进行准直、放大、干涉等处理，增强了进入光电探测器10的光信号，同时降低了光信号的信噪比，扩大了光电探测器10的探测范围，从而提高了光接收机120的灵敏度。

本申请实施例提供的光模块100通过改进光接收机120，提高了光接收机120的灵敏度，同时降低了光发射机110的发射功率，进而提高了光模块100的性能，使其满足了NG-PON2高灵敏度的需求。

本申请实施例提供的光接收机包括准直透镜、光波导干涉装置、光电探测器、跨阻放大器以及限幅放大器，其中，准直透镜用于接收光发射机发射的光，并将接收的光转换为准直光；光波导干涉装置，设置在准直透镜与光电探测器之间，光波导干涉装置包括分光器、耦合器与光程调整机构，分光器将准直光束均分为两束，光程调整机构调整其中一束光的光程，以使两束光发生相长干涉，通过光的干涉原理，增强进入光电探测器的光信号的强度，增大光电探测器的探测范围，从而提升探测器的接收灵敏度；光电探测器用于检测干涉后的光信号，并将光信号转化为电流信号，电流信号经由跨阻放大器转换为电压信号，电压信号经由限幅放大器进行限幅放大，以供后续电路处理分析。本申请提供的光接收机在光电探测器之前增设了准直透镜与光波导干涉装置，对光发射机发射的光进行准直、干涉处理，增强了进入光电探测器光信号的强度，从而增大了光电探测器的探测范围，提高了光接收机的灵敏度，达到了NG-PON2中N2链路预算高灵敏度的需求；另外，光信号发生干涉，有效地抑制了光信号中携带的噪声，改善了光信号的信噪比，从而提高了光电探测器判决准确度；还有，所述光接收机的接收性能增强，那么相对的就可以有效降低对光网络单元ONU光功率的需求，降低了光发射机的发射功率，从而降低了光线路终端的难度。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (8)

1.一种光接收机，其特征在于，包括准直透镜、光波导干涉装置、光电探测器、跨阻放大器以及限幅放大器，其中，

所述准直透镜，用于接收光发射机发射的光，并将接收的光转换为准直光；

光波导干涉装置，设置在所述准直透镜与光电探测器之间，用于调整所述准直光的光信号，以使所述光信号发生相长干涉；

光电探测器，用于检测干涉后的光信号，并将所述光信号转化为电流信号，所述电流信号经由所述跨阻放大器转换为电压信号，所述电压信号经由所述限幅放大器进行限幅放大。

2.根据权利要求1所述的光接收机，其特征在于，所述光波导干涉装置包括光程调整机构、分光器以及耦合器，其中，

所述分光器为一分二分光器，用于将所述准直光平均分为两束光，并将两束光分别传输至所述耦合器；

所述光程调整机构设置在所述分光器与耦合器之间，所述光程调整机构的一端与所述分光器的一个光输出端连接、另一端与所述耦合器的一个光输入端连接，用于调整一束光的光程，以使两束光产生光程差；

所述耦合器为二合一耦合器，用于接收产生光程差的两束光，两束光发生相长干涉，将干涉后的光传输至所述光电探测器。

3.根据权利要求2所述的光接收机，其特征在于，所述光波导干涉装置还包括第一光波导与第二光波导，其中，

所述第一光波导的一端连接所述分光器的一光输出端、另一端连接所述耦合器的一光输入端；

所述第二光波导的一端连接所述分光器的另一光输出端、另一端连接所述耦合器的另一光输入端；

所述光程调整机构设置在所述第一光波导上或所述第二光波导上，用于调整所述第一光波导或第二光波导的折射率，以改变传输于所述第一光波导内或第二光波导内的光的光程。

4.根据权利要求3所述的光接收机，其特征在于，所述光程调整机构为压电机构，用于改变所述第一光波导或第二光波导的电压，以调整所述第一光波导或第二光波导的折射率。

5.根据权利要求4所述的光接收机，其特征在于，所述压电机构包括电极以及与所述电极电连接的电源，所述电极安装于所述第一光波导或第二光波导上；

所述电极的电压与所述第一光波导或第二光波导的折射率成一定的函数关系。

6.根据权利要求2所述的光接收机，其特征在于，所述光接收机还包括光放大器，所述光放大器设置在所述准直透镜与所述分光器之间，所述光放大器的输出端与所述分光器的输入端连接，用于对所述准直光的光信号进行放大，并将放大后的光信号传输至所述分光器。

7.根据权利要求1所述的光接收机，其特征在于，所述光电探测器为雪崩二极管型光电探测器。

8.一种光模块，其特征在于，包括光接收机，所述光接收机为权利要求1-7任一项所述的光接收机。