CN108768533A - 一种用于高速远距离传输的光收发一体组件 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提出了一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，包括：激光器、主光电探测器、辅光电探测器、COMS ASIC芯片、外联光纤的波分复用滤波器；其中，所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器、所述COMS ASIC芯片、所述波分复用滤波器共同封装在同一金属腔体内；本方案在CMOS ASIC芯片中集成辅接收链路，对发射的激光信号进行控制，补偿激光器随温度及老化原因引起的工作点偏移影响，使激光器效率最大化，满足远距离传输要求，且组装模式使得光收发一体组件整体电子器件的功能更完整，各模块之间的连接在芯片内部实现，减少了由外接电路板带来的损耗；ASIC功能一体化实现，提高了设备组装时的便利性及一致性。
Description
技术领域
本发明涉及光网络设备领域，特别涉及一种用于高速远距离传输的光收发一体组件。
背景技术
目前，随着社会的发展，宽带网络也随之飞速发展，目前，光纤是宽带网络中多种传输媒介中最理想的一种，它的特点是传输容量大，传输质量好，损耗小，中继距离长等。光纤宽带就是把要传送的数据由电信号转换为光信号进行通讯。在光纤的两端分别都装有“光猫”进行信号转换。光调制解调器，光猫也称为单端口光端机，是针对特殊用户环境而研发的光纤传输设备。
但是，目前光纤传输设备，采用的是外接组装方式，其将带来拼接线路损耗，一致性较低，高速光组件组装时难度较高，良率受到影响。同时，外接组装方式中的电子器件的工作温度难以被精确监控，因而一定程度上影响对电信号转光信号的效率，影响传输距离。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，用有克服目前的技术缺陷，实现远距离的高速传输。
具体的，本发明提出了以下具体的实施例：
本发明实施例提出了一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，包括：激光器、主光电探测器、辅光电探测器、COMS ASIC芯片、外联光纤的波分复用滤波器；其中，所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器、所述COMS ASIC芯片、所述波分复用滤波器共同封装在同一金属腔体内；
所述波分复用滤波器分别连接所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器；
所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器均连接所述COMS ASIC芯片；
所述COMS ASIC芯片中包括：主接收通路、辅接收通路；其中，所述主接收通路包括：激光器驱动器、限幅放大器、主跨阻放大器、微控制器；
所述激光器驱动器在所述微控制器的控制下，将所接收的带有信息的电信号转换为光信号后，驱动所述激光器以激光的方式经由所述波分复用滤波器发送到外联的光纤上；
通过所述微控制器的控制，所述主跨阻放大器将来自所述主光电探测器的电信号进行转换，并将转换后的电信号发送至所述限幅放大器，以使所述限幅放大器将获取到的电信号处理为等幅的数字电压信号后输出；
通过所述辅接收通路对发射的激光进行联系检测，并对所述激光器因温度和老化所引起的工作点偏移进行补充，以保证所述激光器的效率最大化。
在一个具体的实施例中，所述辅接收通路包括：辅跨阻放大器、功率自动控制器、削光比控制器；其中，
所述辅跨阻放大器连接所述辅光电探测器；
所述辅跨阻放大器分别连接所述功率自动控制器与所述削光比控制器；
所述辅跨阻放大器、所述功率自动控制器、所述削光比控制器均与所述微控制器连接。
在一个具体的实施例中，
在所述波分复用滤波器得到所述激光器发送的信号后，输出反馈信号到所述辅光电探测器，并通过所述辅跨阻放大器传输至所述功率自动控制器与所述削光比控制器；
所述功率自动控制器通过将所述反馈信号通过低通滤波器得到电压；并通过所述电压与预设基准电压的比较调节所述激光器驱动器的偏转电流；
所述削光比控制器基于所述反馈信号经过峰值检测电路得到峰值电压，并基于峰值电压与平均电压之间差值与预设基准电压的比较调节主接收通路的调制电流。
在一个具体的实施例中，所述激光器驱动器为高速电流开关，用于为所述激光器输入调制电流。
在一个具体的实施例中，所述激光器对应有阈值电流；
所述激光器驱动器在所述微控制器的控制下，通过所述功率自动控制器为所述激光器提供大于所述阈值电流的直流偏置电流，以使所述激光器在不同温度环境下可稳定平均光功率下输出激光。
在一个具体的实施例中，所述激光器驱动器用于对直流偏置电流进行监控，以及进行故障告警。
在一个具体的实施例中，所述主光电探测器用于将经过波分复用滤波器接收的来自光纤的信号转换为模拟电流信号。
在一个具体的实施例中，
所述跨阻放大器将来自所述主光电探测器的模拟电流信号进行转换，生成模拟电压信号。
在一个具体的实施例中，所述CMOS ASIC芯片中还包括：对所述激光器的温度进行监控的温度传感器。
本发明实施例提出了一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，包括：激光器、主光电探测器、辅光电探测器、COMS ASIC芯片、外联光纤的波分复用滤波器；其中，所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器、所述COMS ASIC芯片、所述波分复用滤波器共同封装在同一金属腔体内；所述波分复用滤波器分别连接所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器；所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器均连接所述COMSASIC芯片；所述COMS ASIC芯片中包括：主接收通路、辅接收通路；其中，所述主接收通路包括：激光器驱动器、限幅放大器、主跨阻放大器、微控制器；所述激光器驱动器在所述微控制器的控制下，将所接收的带有信息的电信号转换为光信号后，驱动所述激光器以激光的方式经由所述波分复用滤波器发送到外联的光纤上；通过所述微控制器的控制，所述主跨阻放大器将来自所述主光电探测器的电信号进行转换，并将转换后的电信号发送至所述限幅放大器，以使所述限幅放大器将获取到的电信号处理为等幅的数字电压信号后输出；通过所述辅接收通路对发射的激光进行联系检测，并对所述激光器因温度和老化所引起的工作点偏移进行补充，以保证所述激光器的效率最大化。本方案在CMOS ASIC芯片中集成辅接收链路，对发射的激光信号进行控制，补偿激光器随温度及老化原因引起的工作点偏移影响，使激光器效率最大化，满足远距离传输要求，且组装模式使得光收发一体组件整体电子器件的功能更完整，各模块之间的连接在芯片内部实现，减少了由外接电路板带来的损耗；ASIC功能一体化实现，提高了设备组装时的便利性及一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本发明实施例提出的一种用于高速远距离传输的光收发一体组件的结构示意图；
图2为本发明实施例提出的一种用于高速远距离传输的光收发一体组件中激光器的光输出与驱动电流的关系图。
具体实施方式
在下文中，将更全面地描述本公开的各种实施例。本公开可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本公开的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本公开理解为涵盖落入本公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。
在本公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本公开的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本公开的各种实施例中被清楚地限定。
实施例
本发明实施例公开了一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，如图1所示，包括：激光器、主光电探测器、辅光电探测器、COMS ASIC芯片、外联光纤的波分复用滤波器；其中，所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器、所述COMS ASIC芯片、所述波分复用滤波器共同封装在同一金属腔体内；
所述波分复用滤波器分别连接所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器；
所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器均连接所述COMS ASIC芯片；
所述COMS ASIC芯片中包括：主接收通路、辅接收通路；其中，所述主接收通路包括：激光器驱动器、限幅放大器、主跨阻放大器、微控制器、；
所述激光器驱动器在所述微控制器的控制下，将所接收的带有信息的电信号转换为光信号后，驱动所述激光器以激光的方式经由所述波分复用滤波器发送到外联的光纤上；
通过所述微控制器的控制，所述主跨阻放大器将来自所述主光电探测器的电信号进行转换，并将转换后的电信号发送至所述限幅放大器，以使所述限幅放大器将获取到的电信号处理为等幅的数字电压信号后输出；
通过所述辅接收通路对发射的激光进行联系检测，并对所述激光器因温度和老化所引起的工作点偏移进行补充，以保证所述激光器的效率最大化。
具体的，本方案基于集成辅反馈检测链路(即辅接收通路)的CMOS ASIC专用芯片实现的光收发一体组件(Bi-directional Optical Sub Assembly,简称BOSA)。本发明的光收发一体组件包括：激光器(Laser diode，简称LD)、主光电探测器(Photodetector，简称PD)、辅光电探测器，以及一个CMOS ASIC专用芯片。该芯片中包含了：激光器驱动器(LaserDriver，简称LDD)、限幅放大器(Limiting Amplifier，简称LA)、主跨阻放大器(Tranimpedance Amplifier,简称TIA)、辅跨阻放大器、功率自动控制器APC(auto powercontroller)、削光比控制器ERC(Extinction Ratio controller)和微控制器(MCUControl Block)。上述模块均在同一基底上组装；使用CMOS ASIC专用芯片技术，实现小型化，可将其与波分复用滤波器(Wavelength Division Multiplexing，简称WDM)共同封装在同一金属腔体中，并外接光纤。针对远距离的光传输，在CMOS ASIC专用芯片中集成辅接收链路，对发射的激光信号进行控制，补偿激光器随温度及老化原因引起的工作点偏移影响，使激光器效率最大化，满足远距离传输要求。
具体的，本方案包括光发射链路与光接收链路；
具体的，光发射链路的实现为：激光器驱动器与激光器相连，同时与微控制器相连。具体工作原理为，将其所接受的带有信息的电信号，通过光电原理转换为光信号，由激光二极管(LD)通过波分复用滤波器发送入光纤。其中，激光器驱动器为一个高速电流开关，可为激光器输入调制电流。控制器与驱动器相连，通过自动功率控制环路(APC)可为激光器提供略大于阈值电流(ITH)的直流偏置电流(IBIAS)，使其在不同的温度环境下可稳定平均光功率(PAVG)下输出相应激光。
此外，激光器驱动器还拥有故障警告、偏置电流监控等功能。
而光接收链路，其具体的实现为：
由主光电探测器(PD)将经波分复用滤波器(WDM)接收到的来自光纤的信号转换成电信号，由主TIA与限幅放大器将转换后的电信号处理为可处理的电信号。其中主跨阻放大器接收的的是模拟电流信号,要把它转换成模拟电压信号才能被信号处理电路识别。在微控制器的控制下，限幅放大器把主跨阻放大器输出的幅度不同的信号处理成等幅的数字电压信号，以便进一步处理。同时，控制器通过主光电探测器(PD)偏置电路控制电压范围，达到上述温度控制的最优误码率效果。
此外，上述微控制器除温度控制、电压控制等功能外，还可实现数据控制。
具体的在一个实施例中，所述辅接收通路包括：辅跨阻放大器、功率自动控制器、削光比控制器；其中，
所述辅跨阻放大器连接所述辅光电探测器；
所述辅跨阻放大器分别连接所述功率自动控制器与所述削光比控制器；
所述辅跨阻放大器、所述功率自动控制器、所述削光比控制器均与所述微控制器连接。
进一步的，
在所述波分复用滤波器得到所述激光器发送的信号后，输出反馈信号到所述辅光电探测器，并通过所述辅跨阻放大器传输至所述功率自动控制器与所述削光比控制器；
所述功率自动控制器通过将所述反馈信号通过低通滤波器得到电压；并通过所述电压与预设基准电压的比较调节所述激光器驱动器的偏转电流；
所述削光比控制器基于所述反馈信号经过峰值检测电路得到峰值电压，并基于峰值电压与平均电压之间差值与预设基准电压的比较调节主接收通路的调制电流。
具体的，本发明针对远距离的高速光传输，在CMOS ASIC专用芯片中集成辅接收链路，对发射的激光信号进行连续时间检测，补偿激光器随温度及老化原因引起的工作点偏移影响，使激光器效率最大化，满足远距离传输要求。具体原理如下：
对于应用在高速光发射机的激光器来说，保持恒定的光输出功率是非常重要的。建立一个合适的激光器偏置电流必须减少激光开启或者断开的延迟时间以及和弛豫振荡(relaxation oscillation)。较好的激光偏置也能通过不适当的消光比(ExtinctionRatio)(re＝P1/P0)来限制光接收机的灵敏度。控制好激光的调制电流(对应于P1)可确保通道光功率不超过光接收机的过载水平。
如图2所示，体现的是一个典型激光器的光输出与驱动电流的关系，随着温度的增加，激光器的阈值升高和发射效率(斜率)下降，因此，为了保证恒定光输出，高温工作下的激光器驱动器需要增加偏置电流。本发明中的CMOS ASIC专用芯片是利用一种模拟控制电路，融合自动功率控制(APC)和消光比控制(ERC)，同时补偿激光器的阈值和发射效率随温度的变化,以及老化引起的变化。
CMOS ASIC芯片中集成了辅接收通路，发送激光器输出信号通过波分复用滤波器(WDM),输出反馈信号到辅光电探测器(PD),再连接到CMOS ASIC专用芯片中的辅跨导放大器(TIA)，辅跨导放大器的输出同时连接APC控制器和ERC控制器。
在APC控制器中，信号通过一个低通滤波器获得一个电压值，用来表征信号的平均功率。此电压值会与一个基准电压进行比较，比较器的输出用来调节激光器驱动器的偏置电流。
ERC控制器中，辅跨导放大器的输出送至一个峰值检测电路，峰值电压与平均电压的差值与一个基准电压进行比较，比较结果用于调节主通道中的调制电流。APC控制器和ERC控制器联合动态控制了激光器驱动器的驱动电流，对发射的激光信号进行控制，补偿激光器随温度及老化原因引起的工作点偏移影响，使激光器效率最大化，满足远距离传输要求。
在一个具体的实施例中，所述激光器驱动器为高速电流开关，用于为所述激光器输入调制电流。
在一个具体的实施例中，所述激光器对应有阈值电流；
所述激光器驱动器在所述微控制器的控制下，通过所述功率自动控制器为所述激光器提供大于所述阈值电流的直流偏置电流，以使所述激光器在不同温度环境下可稳定平均光功率下输出激光。
在一个具体的实施例中，所述激光器驱动器用于对直流偏置电流进行监控，以及进行故障告警。
在一个具体的实施例中，所述主光电探测器用于将经过波分复用滤波器接收的来自光纤的信号转换为模拟电流信号。
在一个具体的实施例中，
所述跨阻放大器将来自所述主光电探测器的模拟电流信号进行转换，生成模拟电压信号。
在一个具体的实施例中，所述CMOS ASIC芯片中还包括：对所述激光器的温度进行监控的温度传感器。
具体的，基于多功能CMOS ASIC专用芯片实现的光收发一体组件(Bi-directionalOptical Sub Assembly,简称BOSA)，在如图1所示的接收链路中，信号通过光纤进入波分复用滤波器后，进入主光电探测器,光信号转换成电信号，再输入到CMOS ASIC芯片中的主通路中的主跨阻放大器，由主跨阻放大器把信号放大，再由限幅放大器转换为数字信号，输出到BOSA外面到物理接入层控制芯片进行解调。
发射链路中，物理接入层控制CMOS ASIC芯片把高速串行数字信号输入BOSA中，与CMOS ASIC芯片中的激光器驱动器连接，激光驱动控制输出电流，驱动BOSA中的激光器发射信号，再通过通过波分复用滤波器(WDM)与光纤相连。同时，本发明中CMOS ASIC芯片集成了辅接收通路，发送激光器输出信号通过波分复用滤波器,输出反馈信号到辅光电探测器,再连接到CMOS ASIC专用芯片中的辅跨导放大器，辅跨导放大器的输出同时连接APC控制器和ERC控制器。在APC控制器中，信号通过一个低通滤波器获得一个电压值，用来表征信号的平均功率。此电压值会与一个基准电压进行比较，比较器的输出用来调节激光器驱动器的偏置电流。ERC控制器中，辅跨导放大器的输出送至一个峰值检测电路，峰值电压与平均电压的差值与一个基准电压进行比较，比较结果用于调节主通道中的调制电流。APC控制器和ERC控制器联合动态控制了激光器驱动器的驱动电流，补偿激光器随温度及老化原因引起的工作点偏移影响，使激光器效率最大化，满足远距离传输要求
本发明实施例提出了一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，包括：激光器、主光电探测器、辅光电探测器、COMS ASIC芯片、外联光纤的波分复用滤波器；其中，所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器、所述COMS ASIC芯片、所述波分复用滤波器共同封装在同一金属腔体内；所述波分复用滤波器分别连接所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器；所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器均连接所述COMSASIC芯片；所述COMS ASIC芯片中包括：主接收通路、辅接收通路；其中，所述主接收通路包括：激光器驱动器、限幅放大器、主跨阻放大器、微控制器；所述激光器驱动器在所述微控制器的控制下，将所接收的带有信息的电信号转换为光信号后，驱动所述激光器以激光的方式经由所述波分复用滤波器发送到外联的光纤上；通过所述微控制器的控制，所述主跨阻放大器将来自所述主光电探测器的电信号进行转换，并将转换后的电信号发送至所述限幅放大器，以使所述限幅放大器将获取到的电信号处理为等幅的数字电压信号后输出；通过所述辅接收通路对发射的激光进行联系检测，并对所述激光器因温度和老化所引起的工作点偏移进行补充，以保证所述激光器的效率最大化。本方案在CMOS ASIC芯片中集成辅接收链路，对发射的激光信号进行控制，补偿激光器随温度及老化原因引起的工作点偏移影响，使激光器效率最大化，满足远距离传输要求，且组装模式使得光收发一体组件整体电子器件的功能更完整，各模块之间的连接在芯片内部实现，减少了由外接电路板带来的损耗；ASIC功能一体化实现，提高了设备组装时的便利性及一致性。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，其特征在于，包括：激光器、主光电探测器、辅光电探测器、COMS ASIC芯片、外联光纤的波分复用滤波器；其中，所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器、所述COMS ASIC芯片、所述波分复用滤波器共同封装在同一金属腔体内；
所述波分复用滤波器分别连接所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器；
所述激光器、所述主光电探测器、所述辅光电探测器均连接所述COMSASIC芯片；
所述COMS ASIC芯片中包括：主接收通路、辅接收通路；其中，所述主接收通路包括：激光器驱动器、限幅放大器、主跨阻放大器、微控制器；
所述激光器驱动器在所述微控制器的控制下，将所接收的带有信息的电信号转换为光信号后，驱动所述激光器以激光的方式经由所述波分复用滤波器发送到外联的光纤上；
通过所述微控制器的控制，所述主跨阻放大器将来自所述主光电探测器的电信号进行转换，并将转换后的电信号发送至所述限幅放大器，以使所述限幅放大器将获取到的电信号处理为等幅的数字电压信号后输出；
通过所述辅接收通路对发射的激光进行联系检测，并对所述激光器因温度和老化所引起的工作点偏移进行补充，以保证所述激光器的效率最大化。
2.如权利要求1所述的一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，其特征在于，所述辅接收通路包括：辅跨阻放大器、功率自动控制器、削光比控制器；其中，
所述辅跨阻放大器连接所述辅光电探测器；
所述辅跨阻放大器分别连接所述功率自动控制器与所述削光比控制器；
所述辅跨阻放大器、所述功率自动控制器、所述削光比控制器均与所述微控制器连接。
3.如权利要求2所述的一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，其特征在于，
在所述波分复用滤波器得到所述激光器发送的信号后，输出反馈信号到所述辅光电探测器，并通过所述辅跨阻放大器传输至所述功率自动控制器与所述削光比控制器；
所述功率自动控制器通过将所述反馈信号通过低通滤波器得到电压；并通过所述电压与预设基准电压的比较调节所述激光器驱动器的偏转电流；
所述削光比控制器基于所述反馈信号经过峰值检测电路得到峰值电压，并基于峰值电压与平均电压之间差值与预设基准电压的比较调节主接收通路的调制电流。
4.如权利要求1所述的一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，其特征在于，所述激光器驱动器为高速电流开关，用于为所述激光器输入调制电流。
5.如权利要求2所述的一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，其特征在于，所述激光器对应有阈值电流；
所述激光器驱动器在所述微控制器的控制下，通过所述功率自动控制器为所述激光器提供大于所述阈值电流的直流偏置电流，以使所述激光器在不同温度环境下可稳定平均光功率下输出激光。
6.如权利要求1所述的一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，其特征在于，所述激光器驱动器用于对直流偏置电流进行监控，以及进行故障告警。
7.如权利要求1所述的一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，其特征在于，所述主光电探测器用于将经过波分复用滤波器接收的来自光纤的信号转换为模拟电流信号。
8.如权利要求1所述的一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，其特征在于，
所述跨阻放大器将来自所述主光电探测器的模拟电流信号进行转换，生成模拟电压信号。
9.如权利要求1所述的一种用于高速远距离传输的光收发一体组件，其特征在于，所述CMOS ASIC芯片中还包括：对所述激光器的温度进行监控的温度传感器。
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