CN109247062B - 使用rlc滤波器合成的电子弥散补偿方法和光学接收器 - Google Patents

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Abstract

在光纤通信中提供了用于补偿光纤上的光学弥散的方法和装置，以通过克服由光源的波长变化和光纤的弥散影响造成的光学弥散来增加传输距离。在一个实现中，本技术可以以RLC无源微波滤波器的形式实现，而没有额外的功耗。举例来说，光学接收器可以包括可操作以接收光信号并产生电信号的光电二极管、可操作以接收电信号并产生第一放大信号的跨阻抗放大器(TIA)，以及可操作以从TIA接收第一放大器信号并补偿或减少光学弥散对接收到的电信号的影响的电子弥散补偿(EDC)设备。

Description

使用RLC滤波器合成的电子弥散补偿方法和光学接收器
(一个或多个)相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年3月15日提交的标题为“Electronic DispersionCompensation Methods and Implementations using RLC Filter Synthesis”的美国临时申请No.62/308,218的优先权，其内容通过引用整体上并入本文。
技术领域
本公开涉及以成本有效且功率高效的方式使用诸如寄存器、电感器和/或电容器之类的无源电子部件的电子弥散补偿(EDC)的设计和实现。
背景技术
随着技术的进步和对数据增加的更多需求，客户需要低功耗的10Gb/s粗波分复用(CWDM)光学收发器，以适应已现场部署的现有无线通信系统。本文使用的术语“CWDM”指的是粗波分复用技术。这是一种在不同波长的激光束上组合多个信号以通过光纤传输的方法，并且CWDM技术的信道的数量少于密集波分复用(DWDM)技术的信道的数量，但多于标准波分复用(WDM)技术的信道的数量，其中WDM用于通过对每个信号使用不同的波长在单个光纤上承载多个信号。DWDM技术主要用于长途网段，而WDM以及CWDM技术用于帮助运营商公司在接入、城域和区域网段中最大化其网络容量。
对于光学传输，诸如直接调制激光器(DML)或电吸收调制激光器(EML)之类的某些类型的激光器用于2km至80km的长距离。一般而言，DML使用分布式反馈结构，其在波导中具有衍射光栅用于直接调制，并且常常用于相对较低的速度，小于25Gb/s，以及较短的距离(reach)，在电信和数据通信应用中是2-10km，因为与EML相比，它具有大的色散、较低的频率响应和低的消光比。另一方面，EML是在单个芯片中与电吸收调制器集成的激光二极管。在EML中，激光特性不会通过调制过程而改变，因此与DML相比，EML在具有更高速度和更长距离的应用中是有利的。即，由于高速操作下具有稳定波长的较小色散，EML主要用于更高速度和更长距离，即，电信和数据通信应用中的10-80km。DML可以在单个芯片中实现，提供紧凑的设计和低功率应用。但是，EML比DML更昂贵，因此对于许多应用来说可能不是成本有效的解决方案。
本文使用的术语“弥散”是指电磁波的速度取决于波长的现象，即，相速度基于频率而变化。照此，术语“弥散”包括更通常已知的“色散”，色散是光束的不同波长或颜色在稍微不同的时间到达其目的地的现象。因此，弥散造成携带数字信息的开启或关闭光脉冲的扩散。弥散的其中一个影响是造成接收到的电信号的降级，例如，拉伸信息的初始二进制脉冲以在一定距离上涂抹到另一个信号中。色散的影响降低了接收系统的误码率并限制了传输距离。例如，弥散影响通常限制城域网中的1550nm传输距离，例如80-100km。
对于CWDM光学收发器，对于更长的波长，CWDM光学收发器需要使用EML来满足传输距离要求，因为DML的啁啾高并且基于DML的收发器在大约1500nm的长波长区域中不能支持20km。在这里，术语“啁啾”包括伴随期望强度调制的残余数据依赖相位调制。值得注意的是，DML的啁啾可能趋于使光信号频谱变宽，从而可以导致由与光纤色散的相互作用造成的信号失真。而且，调制信号的强弥散加宽可以在高数据速率下发生，因此没有足够的弥散补偿，每个信元将被加宽并与多个相邻信元重叠，这导致显著的信元间干扰和检测到的信号的失真。
照此，与发射激光器(例如DML)的啁啾参数耦合的光纤弥散影响光传输系统性能。例如，光纤弥散造成传播脉冲扩散和重叠，并且啁啾参数产生由DML的强度变化引起的波长移位。照此，已经进行了许多努力来克服当使用基于DML的光学收发器时随着传输距离变得更长以及数据速率变得更高的光纤弥散问题。
在补偿光纤弥散方面存在两种现有技术类别。在第一类中，试图克服光学域中的光纤弥散，因为当传输信号传播通过光纤时发生光纤弥散。用于补偿光纤弥散的这种第一类技术包括弥散补偿光纤(DCF)，光纤布拉格光栅(FBG)和光学滤波器等等。
在第二类中，在电域中减轻弥散。即，通过光学接收器处理接收到的电信号来完成补偿。用于补偿光纤弥散的第二类技术包括具有前馈均衡(FFE)和/或判决反馈均衡(DFE)的复杂实现的技术。这些补偿技术一般全部在集成电路(IC)或单独的芯片中实现，由于它们在独立集成电路(IC)或芯片的开发中的高成本和高功耗而未集成到光学收发器中。照此，在现有技术中，用于补偿光纤弥散的功能被实现为串行器和解串器(SERDES)的一部分，并且作为电路或IC安装在线卡中，线卡与光学收发器分开。
照此，仍然需要用于减少或补偿对接收信号的光学弥散影响的改善且更高效的技术，从而提供更低的功耗和低成本益处。
发明内容
为了满足大约1瓦(W)的低功耗需求，使用外部调制激光器(EML)的光学收发器在许多应用中不提供上面列出的优点，因为基于EML的光学收发器的典型功耗将大于1.5W。另一方面，基于直接调制激光器(DML)的光学收发器可能满足低功耗要求，但是存在由光纤以及由基于DML的光学收发器的啁啾造成的光学弥散损失(例如，色散、偏振模弥散等等)的问题。由于光学弥散的量与光纤长度成比例，因此，当使用基于DML的光学收发器时，随着传输距离变长，光学弥散的影响将变得普遍并且更大。因此，接收终端或接收光学接收器处接收信号的质量将降级。本文公开的本技术以非常成本有效和功率高效的方式解决基于DML的光学收发器的这些缺点。
在本技术的一方面，借助于在接收终端或光学接收器中包括无源电子元件的电子弥散补偿(EDC)设备在接收终端处减轻由光纤和基于DML的光学收发器的啁啾造成的光学弥散(或光纤弥散)的影响。换句话说，本文公开的本技术提供了用于补偿由于在一定距离上通过光传输的光学弥散引起的降级的接收信号或光学弥散的方法和装置。
在本公开的一方面，本技术可以经由EDC设备的设计来实现，该EDC设备包括在光学接收器中实现的简单滤波器(例如，微波滤波器)，以打开信号眼(signal eye)，由此甚至在1611nm的波长下在超过20km上减少传输错误。
在本技术的许多其它优点中，提供了以下优点或益处：(i)简单的设计和/或实现，(ii)没有额外的功耗，(iii)低成本，以及(iv)在光学收发器中或使用分立无源电阻器、电感器和电容器(RLC)设备实现本技术的灵活性。此外，本技术的优点还提供了基于各种方法的固定设计方法，并且可以被实现为EDC设备的可编程电路设计。
在本公开的一方面，光学接收器包括光电二极管、TIA和EDC设备。光电二极管可操作以接收光信号并产生电信号，并且TIA可操作以接收电信号并产生第一放大信号。EDC设备可操作以从TIA接收第一放大信号并产生补偿信号。EDC设备包括被配置为补偿第一放大信号中的光学弥散的无源电子部件。另外，光学接收器可以包括后置放大器，后置放大器可操作以接收补偿信号并产生第二放大信号。
在本公开的一方面，光学接收器的EDC设备可以包括无源电子部件的布置，无源电子部件被配置为使用多个电阻器、多个电容器和/或多个电感器来补偿光学弥散。该布置可以包括滤波器，该滤波器被配置为使用多个电阻器、多个电容器和/或多个电感器来补偿光信号上的弥散。在另一方面，EDC设备的布置可以包括低通滤波器、衰减器和陷波滤波器。此外，EDC设备的布置可包括高通滤波器，衰减器和陷波滤波器。而且，在另一方面，陷波滤波器可以包括使用无源电子部件的并联共振器或串联共振器。
在本公开的另一方面，衰减器可以包括使用无源电子部件的T型衰减器或PI型衰减器。
在本公开的另一方面，EDC设备可以被配置为使用时域分析或频域分析来补偿第一放大信号中的光学弥散，并且理想数据信号的频率响应特点被用作参考模板。
仍然在本公开的另一方面，可以基于没有弥散的情况下数据信号的频率响应与有光学弥散的情况下数据信号的频率响应之间的一个或多个差异来选择布置的无源电子部件的值，使得第一放大信号中光学弥散的影响被EDC设备大大降低。
在本公开的一个方面，光学接收器可以被配置为以包括小型形状因子可插拔(SFP)、SFP+、C形状因子可插拔(CFP)、10千兆位小形状因子可插拔(XFP)、XFP+等的形状因子可操作。
在本公开的另一方面，提供了光学收发器的示例。光学收发器可以包括发送器光学子组件(TOSA)和接收器光学子组件(ROSA)。TOSA可以被配置为接收第一电信号并将接收到的第一电信号转换成第一光信号，以通过光纤传输到另一个光学收发器。ROSA可以被配置为通过光纤从另一个光学收发器接收第二光信号，并将接收到的第二光信号转换成第二电信号以进行处理。ROSA可以包括可操作以接收第二光信号并产生第二电信号的光电二极管、可操作以接收第二电信号并产生放大信号的跨阻抗放大器(TIA)，以及可操作以从TIA接收放大信号并产生补偿信号的电子弥散补偿(EDC)设备。EDC设备可以包括具有特定频率特点的无源电子部件的布置，以减少放大信号中的光学弥散。
在本公开的一方面，无源电子部件的布置可以包括低通滤波器或高通滤波器、衰减器和/或陷波滤波器，以便具有特定的频率响应以补偿放大信号中的光学弥散。另外，衰减器可以包括T型衰减器、桥接T型衰减器或使用无源电子部件的PI型衰减器。
在本公开的另一方面，本技术还可以与跨阻抗放大器(TIA)和/或限幅放大器一起实现，而不是作为分离的EDC设备实现。
在本公开的另一方面，通过监视接收到的电信号或第一放大信号的眼张开(eyeopening)，可以将本技术实现为可编程类型。
在另一方面，可以使用查找表(LUT)来实现本技术。
另外，可以通过监视到光学接收器的输入光功率来实现本技术。输出功率信息可以在光学接收器处估计，或者可以从远程光学发送器(远程光学收发器或系统)接收。而且，可以从远程光学发送器收发器和/或从本地系统接收传输距离信息。此外，本技术可以使用(微)带状线、多芯片模块等来实现。
在本公开的另一方面，支持低功耗的10Gb/s CWDM小形状因子可插拔(SFP)，其能够使用DML在1611nm在20Km上传输。与外部调制激光器(EML)相比，DML可以在SFP形状因子下支持接近1W的低功耗，并且具有高弥散，即，发送的光信号具有由于光纤弥散引起的大量失真。
在本公开的另一方面，提供了一种补偿或减少由远程光学发送器中的直接调制激光器(DML)发送的信号中的光学弥散的方法。在光学接收器处，接收由远程光学发送器通过光纤发送的光信号并将其转换成电信号。电信号被放大为放大的电信号。借助于电子弥散补偿设备，补偿放大的电信号中光学弥散的影响。EDC设备包括无源电子部件的布置，其包括多个电阻器、多个电感器和/或多个电容器。另外，EDC设备的频率特点被配置为减小放大的电信号中光学弥散的影响。
另外，可以确定或测量包括光学弥散的影响的放大电信号的频率响应。可以确定EDC设备的目标频率响应，使得EDC设备的目标频率响应被配置为补偿或减少放大的电信号中光学弥散的影响。
在本公开的另一方面，可以基于包括远程光学发送器的啁啾参数、传输波长等等的某些信息来估计放大的电信号中的光学弥散。
在本公开的另一方面，可以基于放大的电信号中估计的光学弥散来确定EDC设备的目标频率响应。
在本公开的另一方面，可以确定或测量具有弥散影响的实际接收电信号的频率(或频谱)响应，并且可以在实际接收的电信号的频谱响应中识别由于弥散影响引起的不想要的频率分量。可以通过比较具有弥散影响的实际接收的电信号的频谱响应与没有弥散影响的电信号的理想频谱响应来确定不想要的频率分量。然后借助于EDC设备去除实际接收的电信号中确定的不想要的频率分量，该EDC设备包括诸如多个电阻器、多个电感器和/或多个电容器之类的无源电子部件的布置。EDC设备可以被配置为具有特定的增益频率响应，以便去除或减少实际接收的电信号的频谱中不想要的频率分量。
附图说明
可以从下面结合以下附图的描述中获得更详细的理解。应当认识到的是，这些附图仅仅描绘了本技术的示例实施例，并且不旨在限制其范围。通过使用附图，将在没有附加特殊性的情况下描述和解释本技术，在附图中：
图1是概念性地图示根据本公开一方面的光学接收器的典型框图；
图2A和2B是根据本公开一方面的眼图(eye diagram)的示例屏幕捕获图像及其在TIA前端的输出处的最佳电信号的示例的频谱；
图3是根据本公开一方面的以10Gb/s用数据模式(例如，PRBS7)调制的1611nm DML的光学眼图的示例屏幕捕获图像；
图4A和4B是根据本公开一方面的在不同距离(例如，20Km和40Km)上传输之后使用宽带光学接收器接收的光信号的眼图的示例屏幕捕获图像；
图4C是根据本公开一方面的在40Km的距离上传输之后的数据模式的图形表示；
图5A和5B是根据本公开一方面的数据模式(即，PRBS7)的示例图形表示和图5A中数据模式的眼图的示例屏幕捕获图像；
图6是用于概念性地图示根据本公开一方面的EDC设备的实现的流程图；
图7是根据本公开一方面的使用RLC无源部件实现的EDC设备的频率增益响应的图形表示；
图8A和8B是根据本公开一方面的由EDC设备补偿之后的眼图的示例屏幕捕获图像；
图9是根据本公开一方面的可以使用无源电子部件实现的低通滤波器的示例图；
图10A和10B是根据本公开一方面的可以使用无源电子部件实现的陷波滤波器的示例图；
图11A和11B是根据本公开一方面的可以使用无源电子部件实现的固定衰减器的示例图；
图12A和图12B是根据本公开一方面的使用RLC无源部件和示例相位、增益频率响应的EDC设备的示例；
图13A和图13B是根据本公开一方面的使用RLC无源部件和示例相位、增益频率响应的EDC设备的示例；
图14A和图14B是根据本公开一方面的使用RLC无源部件和示例相位、增益频率响应的EDC设备的另一个示例；
图15A和图15B示出了根据本公开一方面的在20km距离上以10Gb/s的CWDM DML激光器的BER性能结果的示例以及当在光学接收器中实现EDC设备时的眼图；
图16是根据本发明一方面的在光纤上的实际数据信号的频谱包络的示例屏幕捕获图像；
图17是根据本公开一方面的EDC设备的实际频率响应的示例屏幕捕获；
图18A是在EDC设备的补偿之前的信号的眼图的示例屏幕捕获图像，并且图18B是在EDC设备的补偿之后的信号的眼图的示例屏幕捕获；
图19是用于概念性地图示根据本公开一方面的EDC设备的设计的流程图；
图20是概念性地图示根据本公开一方面的光学收发器的示例图；以及
图21是概念性地图示根据本公开一方面的具有总线体系架构的系统的示例图。
具体实施方式
下面将结合各种附图来阐述说明性示例的详细描述。下面的描述意在是示例性的，而不是限制本技术的范围。它提供了可能实现的详细示例，并且不意在表示其中可以实践本文所述的概念的唯一配置。照此，详细描述包括为了提供对各种概念的透彻理解的详细细节，并且要注意的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。另外，在一些情况下，众所周知的结构和部件以框图形式示出，以避免模糊这些概念。要注意的是，在附图中使用相同的标号来表示相同的元件和特征。
在本公开中，本文描述了实现本技术的各种特征的示例实施例的方法和设备。本文的描述中对“一个实施例”或“实施例”的引用旨在指示结合一个或多个示例实施例描述的特定特征、结构或特点包括在本技术或公开的至少实施例中。而且，在本文的描述中的各个地方的短语“在一个实施例中”和“实施例”不一定都指相同的实施例。
在以下描述中，虽然给出了具体细节以提供对示例实施例的透彻理解，但是本领域普通技术人员将理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践示例实施例。在一些情况下，可能未详细示出众所周知的电路、结构和技术，以免模糊示例实施例(例如，框图中的电路等等)。
举例来说，本公开提供了使用基于无源滤波器的电子弥散补偿(EDC)技术来减轻或减少光纤弥散的各种技术或方法。第一示例方法是时域方法，并且第二示例方法是频域方法。从工程角度来看，时域和频域方法都使EDC滤波器的设计变得简单实用。
图1是概念性地图示光学接收器100的典型框图，光学接收器100包括光电探测器101、跨阻抗放大器(TIA)前端103、介于其间的电子弥散补偿(EDC)设备105以及后置放大器107。例如，光电探测器101可以包括诸如雪崩光电二极管(APD)或正本征负(PIN)二极管之类的光电二极管，其被配置为检测光信号102并将检测到的光信号转换成电信号104以用于输出。光电探测器和/或光学接收器100可以与一个或多个光纤、其它光学波导或其它光学传输介质光学耦合。然后，光电探测器101的电信号104由TIA前端103以低噪声放大。TIA前端103可以包括电子电路或其它设备，该电子电路或其它设备被配置为执行电流到电压转换以输入到EDC设备105，然后由后置放大器107处理。
在该示例中，为了实现光学接收器100的最佳性能，TIA前端103通常可以被设计为具有可以提供从远离位于另一侧(即，发送器侧)的光学发送器(未示出)发送的接收光信号(即，矩形光信号)的最佳眼张开的位速率(例如，数据速率)的大约75％的带宽。EDC设备105被配置为从TIA前端103接收输出，对接收到的电信号执行与对接收到的电信号的电子弥散补偿相关的一个或多个功能，并产生EDC补偿的电信号。然后，由后置放大器107对EDC补偿的电信号进行后置放大，以供光学收发器中的其它部件随后使用。
在本描述中，本文使用的术语“EDC设备”是指接收终端或设备中无源电子部件(诸如多个电阻器、多个电感器和/或多个电容器)的布置或电路，以减少光学弥散在一段距离上对光纤信道的影响。虽然根据本公开的EDC设备包括诸如多个电阻器、多个电感器和/或多个电容器之类的无源电子部件，但是EDC设备可以不限于此。EDC设备可以包括其它非无源部件，例如有源部件。
图2A和2B是眼图的示例屏幕捕获的图像及其在如图1中所示的TIA前端103的输出处的最佳电信号的示例的频谱。在这里，在本公开中，术语“最佳电信号”是指在TIA前端103的输出处对光纤没有弥散影响的电信号。在该示例中，最佳电信号可以是9.830Gb/s的信号，即，通用公共无线电接口(CPRI)线路位速率选项7，其具有示出如图2A所示的宽开口的眼图及其如图2B所示的对应频谱响应。在该示例中，对于CPRI线路位速率选项7，可以使用伪随机二进制序列(PRBS)7。在一方面，PRBS 7的信号可以由多项式X7+X6+1生成。在这里，选择PRBS7作为测试信号，因为它是类似于8B10B编码数据的位序列，并且因为8B10B编码常常在许多光学系统中用作当通过光纤长距离发送高速率数据时克服许多问题的手段。
根据本文公开的本技术的各个方面，可以通过由弥散光纤中的补偿设备(例如EDC设备105)在一定距离上补偿光纤上的弥散影响来获得类似于具有图2A和2B中所示特点的最佳电信号的电信号。在典型的环境中，当光信号通过弥散光纤时，当光信号在一段距离内通过长光纤传播时，光信号可以经历各种形式的失真。尤其是，当波长在长波长范围内并且数据的位速率高(即，10Gb/s)并且光纤长度长时，这变得非常显著，常常导致光学系统的性能降级并限制网络中的传输距离。另外，当光源或激光器的频谱宽度宽或大且啁啾参数大时，例如，当使用DML型激光器时，信号失真变大。但是，使用本文公开的本技术，可以有效地减轻或减少这些影响。
在本文的描述中，为了说明的目的，使用以下：数据速率为10Gb/s，光源的波长设置为1611nm，使用直接调制分布式反馈(DFB)激光器作为光源，以及20km的最小光纤长度。要注意的是，在本公开中，选择这些参数仅用于说明目的，并且其它参数值可以被用于实现本技术的各个方面。为说明目的而使用上述参数的原因之一是20km的距离是无线前传(front-haul)网络的典型传输距离，1611nm的波长是用于其中单模光纤具有最高弥散影响的光传输的最长波长。另外，使用DML型激光器，因为DML型激光器的成本低于EML型激光器的成本，并且在较长距离上使用DML型激光器可以更主导地看到弥散影响。照此，DML型激光器更常用于实现低功耗的光学收发器。另一方面，EML型激光器主要用于从1471nm到1611nm的长波长中的10Gb/s传输应用，以实现许多粗波分复用(CWDM)网络。
举例来说，图3示出了当在光学收发器的接收器端处接收到使用1611nm DML调制的10Gb/s的数据模式(例如，PRBS7)时的光学眼图301。
在这里，术语“光学眼”是指眼图，其是测量仪器上的示波器显示，其中来自接收器的数字信号被瞬时重复采样并应用于垂直输入，而数据速率被用于触发水平扫描。测量仪器测量输入信号的样本以形成眼图，眼图可以被用于根据多源协议来分析信号特点(诸如噪声、抖动和眼掩模要求)。眼图是通过叠加1、0和对应过渡测量的样本之和，这导致测量仪器的显示器上揭示眼图的眼的图像。信号质量或误码率(BER)随着眼闭合而降级，并且随着眼张开而改善。
本文使用的术语“消光比”是指在光通信中用于发送逻辑电平“1”的能量(或功率)与用于发送逻辑电平“0”的能量的比率。消光比可以用于描述所使用的光学发送器的性能，并且可以从眼图确定，被定义为线性比率、百分比或按分贝(例如，消光比＝“1”功率电平/“0”功率电平)定义。例如，如果“1”功率电平是800微瓦，并且“0”功率电平是40微瓦，那么消光比将是20。两个功率电平之间的差异描述了所发送信号的调制功率，照此，调制功率越大，接收器越容易准确地确定存在什么信号电平。在该示例中，在图3的光学眼图的示例屏幕捕获的图像中示出光学眼的消光比被测量为5.8dB(＝10(log(E1/E0))，其中E1是针对“1”的平均功率电平，并且E0是针对“0”的平均功率电平)。
图4A和4B是分别在不同距离(例如，20Km和40Km)上进行光传输之后使用宽带光学接收器接收的信号的眼图的示例屏幕捕获的图像。本文使用的宽带光学接收器是带宽为20GHz的光学接收器。图4A图示了在20km的距离上进行光传输之后的眼图403，并且图4B图示了在40Km的距离上进行光传输之后的眼图405。如图4A和4B的眼图所示，可以观察到的是，在距离较长的情况下，由于单模光纤的弥散影响连同具有相对高啁啾参数的调制DML的宽频谱一起造成的信元间干扰(ISI)，眼图中所示的失真或眼闭合变得严重。即，如图4B中所示，随着距离变得更长(例如，40Km)，针对40Km情况下的眼图比针对20Km情况的眼图示出恶化的眼张开或更多的眼闭合(例如，更多失真，以及因此在确定位电平时产生错误的可能性更高)，并且因此在光传输的另一端上光学收发器的接收器处，很难理解或确定针对40Km距离的眼图中的位电平并且因此将有可能导致更多错误，由此降级接收系统的性能。因此，在较长距离上这种恶化的眼闭合限制了该情况的光学传输距离。
另外，图4C是图示在40Km的距离上传输之后的数据模式411的图形表示。另外，与图4B的眼图对应的矩形方框413中的数据是“10101”。如上面所指出的，在图4B中，难以精确地确定眼图中的位电平，因为眼开口非常失真并且由于光纤上弥散造成的信号失真而消失。
返回去参考图4A和4B，为了清楚地理解在一定距离上传输之后对数据发生了什么，需要仔细观察数据模式。举例来说，图4C示出了PRBS7数据模式411的一部分。在40Km的距离上传输PRBS7数据模式之后，观察到“1”位被拆分成半位。例如，在10Gb/s数据的情况下，NRZ数据“10101...”的频率与5GHz对应。因此，在10101...NRZ数据中，“1”位被拆分并变为具有2倍较快快数据速率的“101”位。这意味着在数据信号在该距离上的光传输之后可以生成10GHz频率分量。可以进行的另一个观察是在连续的“1”位的每个上升沿处，第一位被示为具有相同的拆分。这种观察到的“位拆分”是不期望的，并且可以通过DFB激光器的物理学来解释。即，这可以与每个激光器的固有共振频率相关，并且在上升沿处，波长变化的速率可以是主导的，这可以被称为暂态啁啾。本文使用的术语“啁啾”是指随时间的瞬时频率上升或下降(或波长变化)。在上升沿处由这个波长变化生成的波长分量在通过光纤传播之后可以在光学接收器处具有不同的到达时间。照此，单模光纤是弥散介质。如上面所指出的，这些拆分的位是不期望的信号分量(例如，高频分量)。
在该示例中，上面提到的拆分的位导致高频分量(10GHz)和原始位(5GHz)的能量损失。照此，可以通过使用根据本公开一方面的无源电子部件来去除高频分量(10GHz)。因此，一旦去除了由拆分的位造成的高频分量(即，10GHz)，原始“1”位的振幅就可能损失其能量。因此，可以减小其原始“1”位的振幅。当由拆分的波形造成的频率分量类似于NRZ数据的位速率时，可以容易地观察到这种现象。
举例来说，图5A和5B分别示出了在由光学接收器的TIA前端产生的电信号中由EDC设备去除高频分量之后的数据模式(即，PRBS7)及其眼图的示例。例如，EDC设备的第一滤波器(例如，包括多个电阻器、多个电感器和/或多个电容器的陷波滤波器)可以被用于去除接收到的电信号中的高频分量。如图5A中所示，例如，与其它位相比，矩形方框505中“10101”位的振幅501减小。即，与具有较长完全相同位“11...”或“00...”的其它位(例如，矩形方框505外部的位)相比，矩形方框505中的“10101”位的振幅相对小。图5B示出了在去除图4C中所示信号中的高频分量之后电信号的对应眼图。但是，图5B中所示的对应眼图521在眼的中心处没有完全打开，并且仍然存在打开眼以获得更好接收器性能的空间。换句话说，图5B的眼图通常导致差的光学灵敏度，因此有时导致误码率(BER)测量中的误差层(errorfloor)。从图5A可以观察到的另一个方面是所有可能的随机数据位中光纤弥散最显著影响的位是单个“1”位。
在本公开的一方面，在通过使用第一滤波器去除接收到的电信号中的高频分量之后，可以使用EDC设备的第二滤波器将“1”位的振幅恢复到接近原始振幅。根据本公开的各个方面，第二滤波器可以包括多个电阻器、多个电感器和/或多个电容器。
要注意的是，如在图5B的眼图的示例屏幕捕获中所见，眼闭合是由于“1”位的振幅的减小。这意味着，如果“1”位的振幅增加到眼的峰到峰振幅，那么图5B中所示的眼可以在眼的中心处打开以增加光学接收器的接收器性能，例如BER性能。而且，要注意的是，眼的峰到峰振幅与10Gb/s数据的频谱中的低频分量对应。因此，在该示例中，可以通过实现具有特定增益特点的滤波器来简单地增加5GHz处的振幅，例如，与接近0Hz的其它低频相比，在感兴趣的低频(例如，5GHz)处具有更多增益，这可以类似于设计高通滤波器。要注意的是，0Hz处的增益不一定为零。因此，在图5B中，与眼的峰到峰值相比，眼图521的中心约为50％闭合，滤波器可以被设计为使得滤波器具有比低频多6dB的增益，并且被添加到陷波滤波器，该陷波滤波器可以被实现为从接收到的电信号中去除10GHz的高频分量，如图5A中所示。照此，根据本公开的一方面，包括第一滤波器和第二滤波器的EDC设备可以有效地被用于在一定距离上补偿光纤上的弥散影响，从而显著节省功耗和设计光学收发器的成本并具有显著改善的BER性能。
在本公开的一方面，可以提供时域中的EDC设备的设计和实现的概要，作为如图6中所示的流程图。图6图示了用于概念性地图示在本公开一方面中的EDC设备的设计和实现的流程图。在S601处，测量没有光学弥散的理想电信号(例如，数据信号)的频谱(或频率响应)和眼图。可以通过使用具有示波器显示能力的高速测量设备来测量理想电信号的频谱(或频率响应)和/或眼图。另外，在本技术的一方面，测得的频谱和/或眼图的特点可以存储在光学收发器的一个或多个存储器中。即，测得的频谱和/或眼图的特点或值可以作为参考模板存储在一个或多个存储器中以供以后使用，例如，用于与实际接收信号的那些进行比较并确定将由EDC设备实现的目标响应。另外，可以在受控的实验室环境中获得理想电信号的测得的频谱和/或眼图的特点或值，使得在通过光纤发送的数据信号上不存在弥散。可替代地，可以可选地执行步骤S601。而且，可以通过在一个或多个处理系统中执行理论分析来估计理想电信号的频谱和/或眼图。
在S603处，测量在一定距离上在光纤上具有光学弥散的实际接收电信号的频谱(或频率响应)和/或眼图，并且确定由于测得的频谱中的光学弥散引起的高频分量以便由EDC设备去除。在该距离上光纤上具有光学弥散的实际接收电信号的频谱和/或眼图的测量可以在受控的实验室环境中获得。在高速测量设备上，数据信号、频谱和/或眼图可以显示在高速测量设备的示波器显示器中。通过视觉检查或使用或者在光学收发器上或者耦合到光学收发器的自动编程单元，可以在受到距离上光学弥散的影响的实际接收电信号的测得的频谱和/或眼图中确定或识别不想要的频率分量(诸如由于光学弥散而发生的高频分量)。在该示例中，如上面所讨论的，可以将位拆分(或拆分波形)识别为不想要的高频分量。另外，在另一个实现中，可以通过光学接收器的一个或多个处理系统来测量具有光学弥散的实际接收电信号的频谱和/或眼图。
在S605处，借助于EDC设备，由于光学弥散引起的不想要的高频分量(例如，在上面讨论的示例中为10GHz)从实际接收电信号(例如，宽带光学接收器的输出信号)中被去除。在这里，根据本公开的各方面，可以采用各种方法或技术来去除不想要的高频分量。在一个实现中，可以使用无源电子部件的具体布置。举例来说，可以实现使用RLC无源部件(例如，陷波滤波器和/或衰减器电路)的EDC设备以去除实际接收电信号中不想要的感兴趣的高频分量。
在S607处，使用诸如电阻器、电感器和/或电容器之类的无源电子部件的电信号的期望增益频率响应可以被光学成形或获得，使得实际接收到的信号的测得的频谱和/或眼图变得像在S601处理想电信号的测得的频谱和/或眼图。举例来说，在上面讨论的示例中，可以设计和实现使用RLC无源部件的增益滤波器，以在期望的具体感兴趣频率(例如，在该示例中为5GHz)处比接近0Hz的其它低频增加更多增益，以打开眼图的闭合，例如，以如本文所述那样增加位能量。而且，要注意的是，步骤S605和S607可以由具有期望的总增益频率响应的EDC设备的单个滤波器或复合滤波器执行。其中一些示例实现在图12-14中示出。
图7是使用RLC无源部件实现并且被配置为补偿一定距离上光纤上的弥散或弥散影响的EDC设备或复合滤波器(或EDC滤波器)的增益频率响应的示例的图形表示。在图7中，陷波滤波器的中心频率可以位于12GHz附近，以减小陷波滤波器的阻抗对数据频谱的影响并调整陷波滤波器在8GHz以上的频率滚降的斜率。即，通过将陷波滤波器的中心频率定位在12GHz，如图7中所示，很好地维持高达8GHz的频率响应并且频率响应开始滚降，以减少10GHz的高频分量。照此，与滤波器响应的峰值相比，10GHz处的衰减大约为20dB，这对于许多应用是有利的。
EDC滤波器或微波滤波器将具有诸如拒绝滤波器通带之外的不期望信号和根据其频率分离或组合信号之类的主要功能。举例来说，低通滤波器可以被设计为使低于第一预定值的低频信号通过。高通滤波器可以被设计为使高于第二预定值的高频信号通过。带通滤波器可以被设计为使两个预定频率之间的信号通过，并且陷波滤波器(也称为带阻或带拒绝滤波器)可以被设计为拒绝两个预定频率之间的信号。照此，EDC设备的无源电子部件(诸如电阻器、电感器和/或电容器)可以以特定方式布置，以设计和/或实现具有期望频率(或增益频率)特点的上述滤波器中的一个或多个。
在已经设计并实现具有如图7所示的特定增益频率响应特点的EDC设备之后，让我们在20Km和40Km的距离上检查光传输之后的电信号的眼图。图8A和8B分别示出了在EDC设备之后捕获的眼图。作为示例，图8A示出了针对在20Km的距离上进行光传输的情况的眼图821，其与图4A中所示未补偿的眼图403(或在光学接收器中未使用EDC设备)相比具有更宽的眼开口。图8B示出了针对在40km的距离上进行光传输的情况的眼图823，其与图4B中所示未补偿的眼图405(或在光学接收器中未使用EDC设备)相比具有宽得多的眼开口。在这里，要注意的是，根据本公开的一方面，利用EDC设备利用带宽大于20GHz的宽带线性接收器来测量光学眼。眼图821和823两者都示出根据本公开一方面的EDC设备有效地减小或减轻了一定距离上光纤上的光学弥散对接收到的电信号的影响，由此大大改善了光学接收器的BER性能。
在本公开的一方面，如上面所指出的，EDC设备可以使用无源电子部件或设备(诸如多个电阻器、多个电感器和/或多个电容器)以复合滤波器或单个滤波器的形式设计和实现。EDC设备可以与TIA前端一起良好地工作，并且也可以设计和添加额外的滤波器以补偿TIA前端的频率响应。在本公开的另一方面，可以利用和充分利用TIA前端的低通特点。仍然在本公开的另一方面，可以实现附加的补偿滤波器，以对整体频率响应进行整形以获得尽可能最佳的结果，例如，即以获得与在没有光学弥散影响的情况下理想信号的频率响应一样接近的频率响应。
在一个实现中，可以通过将低通滤波器与低Q陷波滤波器组合来实现EDC设备。可替代地，在另一个实现中，EDC设备可以被实现为低通滤波器、陷波滤波器和衰减器的组合。低通(或高通)滤波器、陷波滤波器和衰减器电路是用于设计和实现根据本公开一方面的EDC设备的构建块。图9是可以在EDC设备的设计中使用的低通滤波器的示例图。图9中所示的低通滤波器的阶数是第四阶的示例，但是可以根据需要选择低通滤波器的其它阶数。而且，可以通过选择的LC值来确定低通滤波器的类型。
另外，典型的陷波滤波器可以被实现为如图10A中所示的串联LC共振器或如图10B中所示的并联LC共振器。另外，通过添加电阻器，可以调整陷波滤波器的Q，从而使得能够相对容易地设计所需的滤波器响应。
此外，图11A和11B示出了可以实现的固定衰减器的示例。典型T衰减器的示例实现在图11A中示出，并且PI衰减器的示例实现在图11B中示出。也可以使用桥接T衰减器或其它类型。在本公开中，本文使用的术语“衰减器”是指当插入系统的信号路径时将信号减小指定量的无源微波部件。而且，衰减器可以是固定或可变衰减器。固定衰减器的特征在于包括输入和输出阻抗、具有频率的平坦度、平均和峰功率处理能力以及温度依赖性的因素。可变衰减器可以包括步进衰减器和连续可变衰减器。在步进衰减器中，衰减可以以诸如0.5dB、1dB或10dB之类的步长改变。在连续可变衰减器中，衰减可以连续改变。
与低频相比，衰减器可以用于在高频下获得更高的增益。在本公开的一方面，可以基于在高频处需要多少增益来选择如上所示的固定增益衰减器。例如，如果在5GHz处需要比在低频处多6dB的增益，那么可以在EDC设备的设计中使用大于6dB的固定衰减器，其为T型、PI型等。另外，通过添加一个或多个电容器或电感器，可以补偿比低频率处多6dB增益的增益。在本公开的一方面，可变衰减器可以被用于在自动设置中针对变化的感兴趣频率改变衰减。
在已经简要地讨论了用于设计和/或实现用于补偿光纤的弥散的EDC设备的基本构建块之后，在图12A和12B中图示根据本公开各个方面的EDC设备的实现的示例。
举例来说，图12A和图12B图示了使用T型衰减器电路使用RLC无源部件的滤波器形式的EDC设备的示例(例如，图12A)，以及其相应的频率响应(例如，图12B)。如上面所指出的，在图12A中，EDC设备被实现为使用T型衰减器的高通型滤波器，从而在高频处提供比低频型滤波器高的增益。
在该示例中，图12A中所示的T型衰减器是6dB衰减器，并且L1、C1和C2被用于补偿，以获得期望的增益频率响应，这在图12B中示出。图12B中所示的示例图示了图12A中所示电路的相位-频率响应1201和增益-频率响应1203。增益频率响应1203示出5GHz处的增益比其它低频高大约4-5dB。在本公开的示例和一方面中，如图12A中所示，通过选择电阻R1、R2、R3和R4、电感L1、电容C1和C2的合适值，高频处的增益可以在不牺牲阻抗的情况下增加。举例来说，可以使用无源部件的以下值，R1＝50欧姆，R5＝50欧姆，R3＝68欧姆，R2＝18欧姆，R4＝18欧姆，C1＝5pF，C2＝0，和L1＝5.8nH。而且，要注意的是，当选择C1、C2和L1的值时，可以在必要的阻抗不匹配边界内选择值。
在本公开的另一方面，当期望不同的增益频率响应时，可以稍微微调或修改图12A中所示的EDC设备。举例来说，为了微调EDC设备，可以在该示例中使用10Gb/s APD接收器。即，对于给定的雪崩光电二极管(APD)，增益-带宽乘积值是恒定的，并且使用增益-带宽乘积，通过调整APD的增益(例如，通过改变供给APD的电压的值)，带宽可以被调谐到更宽的带宽或更小的带宽。在本公开的一方面，除了基于无源电子部件的EDC设备的频率响应或者与其结合，这种带宽调谐可以被用于调谐EDC设备的整体频率响应。
图13A和图13B图示了根据本公开另一方面的EDC设备的另一个示例实现。图13A示出了作为低通滤波器和陷波滤波器(例如，串联共振器)的组合的EDC设备的示例实现。举例来说，在图13A中，低通滤波器包括具有电阻值R1(例如，50Ω)的电阻器和具有电容值C3(例如，0.3pF)的电容器。另外，在另一个实现中，低通滤波器可以具有贝塞尔滤波器类型值。而且，陷波滤波器可以是串联共振器的形式，并且串联共振器包括具有电感值L1的电感器、具有电阻值R2的电阻器和具有电容值C1的电容器。串联共振器可以由电阻值R2控制，电阻值R2控制陷波响应的深度，如图13B所示，图13B示出了相位-频率响应1301和增益-频率响应1303。要注意的是，在图13B中，陷波响应包括在5GHz处大约-10dB的深度。要注意的是，这种滤波器类似于用于图17中所示结果的滤波器。在该示例中，可以使用无源部件的以下值，R1＝R3＝50欧姆，R2＝40欧姆，C1＝1pF，C3＝0.3pF，L1＝1nH，和L2＝0.5nH。
另外，图14A和图14B示出了根据本公开一方面的EDC设备的另一个示例实现。举例来说，图14A的EDC设备包括经修改的T衰减器和串联共振器的组合。串联共振器可以是经修改的T衰减器的一部分。图14B示出了图14A中所示电路的相位-频率响应1401和增益-频率响应1403。在图14B中，图示了3.5GHz处的陷波的响应，并且随着频率增加，增益增加。在该示例中，可以使用无源部件的以下值，例如，R1＝50欧姆，R3＝30欧姆，R2＝18欧姆，C1＝3pF，L1＝1.5nH，C2＝1.5pF，R4＝18欧姆，R5＝30欧姆，和R6＝100欧姆。
如在本公开中所描述的，EDC设备可以使用诸如电阻器、电感器和/或电容器之类的无源电子部件以各种方式实现。基于(没有弥散影响的理想信号的)期望的频率响应，可以修改或选择EDC设备中的无源部件的值。图15A和图15B示出了当EDC设备在根据本公开各个方面的光学接收器中实现时在20km距离上以10Gb/s的CWDM DML激光器的示例BER性能结果以及眼图的屏幕捕获的图像。从图15A中可以看到的，BER性能在不同波长的光学接收器的变化功率水平上非常好。举例来说，CWDM DML激光器的BER性能在各种波长下被测量，例如1270nm、1430nm、1450nm、1470nm、1570nm和1610nm，位速率为10Gb/s。在该示例中，PRBS7(用于CPRI7)的数据序列被用于数据信号。在光学接收器的接收端，使用无源电子部件实现本公开一方面中的EDC设备。
如图15A中所示，在各种波长下，对应的BER曲线都是直的BER曲线，这意味着在包括根据本公开一方面的EDC设备的示例光学接收器(或光学系统)中没有误差层。要注意的是，在10E-12的BER下，灵敏度优于-20dBm。另外，在EDC设备的输出处具有宽眼开口的均衡或补偿眼图在图15B中示出，该图示出了例如针对在20Km距离上的光传输的1610nm DML发送信号在光学接收器处的眼图。
如本文所述，本技术提供了非常成本有效的手段来使用电子弥散补偿(EDC)设备补偿光纤上的弥散，其中EDC设备包括诸如多个电阻器、多个电感器和/或多个电容器之类的无源电子部件。基于在感兴趣的频率带宽上的理想频率增益响应和实际频率增益响应，可以调整EDC设备的无源电子部件的值以在感兴趣的频率带宽上修改或整形实际频率增益响应类似于理想频率增益响应。通过这样做，可以显著改善光学接收器的BER性能，由此增加光传输距离。
可替代地，可以使用频域方法来设计和实现EDC设备。即，在本公开的一方面，基于期望的增益频率响应特点和理想的增益频率响应特点，可以在频域中使用无源电子部件来设计EDC设备。
如上面所指出的，返回去参考图2A和2B，图2A和2B示出了没有光学弥散的数据信号(例如，10Gb/s NRZ数据)的理想眼图及其在频域中的频谱。在以下描述中，出于说明性目的提供了用于设计EDC设备的频域方法。总之，在频域方法中，可以确定或测量在感兴趣的频率范围上理想信号的频谱的总包络，例如，图2B中的理想数据信号的频谱，然后，可以导出或构造频谱包络的第一分段线性频率响应。在构造理想数据信号的频谱的频谱包络的第一分段线性频率响应(没有光学弥散影响)之后，测量或确定实际数据信号的频谱的频谱包络的第二分段线性频率响应(具有光学弥散影响)。然后，在频域中，将两个分段线性频率响应(例如，第一分段线性频率响应和第二分段线性频率响应)之间的差异确定为要由EDC设备实现的目标或期望频率响应；即，EDC设备的目标频率响应被用于补偿或减少光纤上接收到的电信号的光学弥散影响。
举例来说，如图2B中所示，没有光学失真影响的10Gb/s NRZ的理想数据信号(例如，9.8Gb/s PRBS7数据)的频谱包络的第一分段线性频率响应可以例如通过在水平轴上将10GHz的频带划分为10个分区来获得，然后可以被归一化到0Hz(例如，对0Hz的相对响应)并且可以获得增益频率响应(例如，对0Hz的相对响应(dB))。下面的表1示出了基于如图2B中所示的理想频谱包络在10GHz上构造的频谱包络的第一分段线性频率。
表1.没有失真的理想发送的数据的第一分段包络响应
频率(GHz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
对0Hz的相对响应(dB) -1 -2 -3 -4.5 -7 -12 -17 -22 -32 -
在构造了理想数据信号的频谱包络的第一分段线性频率响应之后，可以继续获得在给定距离上通过光纤的实际接收数据信号的频谱包络的第二分段线性频率响应。举例来说，在获得理想数据信号的频谱包络的第一分段线性频率响应之后，可以获得在50Km的距离上通过1611nm DML在光纤上发送的实际数据信号的频谱，如图16中所示。要注意的是，如图16中可以看到的，由于在距离上光纤上的光学弥散，实际数据信号的频谱不平滑并且可以包括许多峰和/或旁瓣。要注意的是，如图16中可以看到的，由于光纤上的光学弥散，光纤上实际数据信号的频谱包络与图2B中所示的理想数据信号的频谱完全不同。
基于在距离上通过光纤的实际发送数据的测得的(或确定的)频谱包络，可以构造如图16中所示的实际接收数据信号的频谱包络的第二分段线性频率响应，如表2所示。在这样做时，为了获得实际接收数据信号的频谱包络的第二分段线性频率响应，可以对测得的频谱的每个峰进行内插，以避免突然的响应变化。
表2.实际发送数据的第二分段包络响应
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在已经确定了理想数据信号的频谱包络的第一分段线性频率响应和实际接收数据信号的频谱包络的第二分段线性频率响应之后，用于补偿实际接收数据信号中EDC设备的光学弥散影响的目标频率响应可以通过比较表1与表2中列出的结果来获得。举例来说，通过从表2中的第一分段包络响应中减去表1中的第二分段包络响应，可以确定两个相对响应的值的差异，作为将由EDC设备实现的频率划分上的目标频率响应。即，EDC设备或滤波器的目标频率响应将被合成，用于针对在该距离上在光纤上造成的光学弥散均衡或补偿接收到的电信号。EDC设备可以被放置在光学接收器中的TIA和后置放大器之间，如图1中所示。
表3示出了可以通过从表1的结果中减去表2的结果(或频率划分上的相对响应)而获得的目标频率响应的这种示例。
表3.目标频率响应
频率(GHz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
需要的响应(dB) -1 -4 -5 -5.5 -5 -7 -7 -7 -12 -
在确定了要合成或设计的EDC设备的目标频率响应之后，EDC设备现在可以使用无源电子部件以各种形式(例如，滤波器)实现。举例来说，EDC设备可以被实现为RLC滤波器，具有如表3中所示的期望目标频率响应。如上面所指出的，RLC滤波器可以包括多个电阻器、多个电容器、多个电感器或其组合。在该示例中，EDC设备可以在3GHz处具有-3dB像低通滤波器的响应，高达8GHz都保持衰减基本相同。因此，在具有目标频率响应的EDC设备的设计中，可以使用一个或多个电阻器、电感器和/或电容器来设计和实现单个滤波器。在这里，要注意的是，具有基于无源电子部件的具体特点的滤波器的设计是常规的，因此不再进一步详细描述。
在另一个实现中，可以自动合成EDC设备。换句话说，可以在光学收发器中实现EDC设备的功能的自动合成。这可以在光学收发器处完成，例如，由图20中的处理系统2013，通过实现接收信号的频谱响应的一个或多个测量功能以及将测得的频谱响应与在图20中所示的存储器2015中保存的没有弥散效应的理想信号的模板响应(或没有弥散的理想响应)(例如，基于数学方程的模板响应，诸如sinc2(ωT/2)函数等)的(一个或多个)比较功能。
可替代地，EDC设备可以被设计和实现为具有类似于表3中所示的目标频率响应的复合滤波器。举例来说，图17示出了根据本公开一方面的设计的EDC设备的实际频率响应。另外，图18A和图18B是图示根据本公开一方面的EDC设备对光学弥散的补偿的影响的屏幕捕获的图像。图18A是在EDC设备补偿光学弥散之前的实际接收信号的眼图1803的屏幕捕获的图像，并且图18B是在EDC设备补偿光学弥散之后的实际接收信号的眼图1805的屏幕捕获的图像。如图18A和18B中可以看到的，EDC设备以宽眼开口有效地均衡或补偿光学弥散，如图18B中所示。即，图18A和18B中所示的两个眼图的快速比较揭示，与图18A中的眼相比，图18B中的均衡或补偿后的眼在眼的中心处相当宽敞，由此大大改进了当使用EDC设备时光学接收器系统的误码率(BER)性能。在该示例中，EDC设备包括补偿RLC滤波器，其基于表3中的目标频率响应来设计，并且对于50Km的距离上通过1611nm DML的实际发送信号具有图17中所示的频率特点。对于减少或补偿对这种距离上光传输的接收信号的光学弥散影响，补偿RLC滤波器是一种成本有效但功能强大的解决方案。
另外，理想数据信号的频谱包络的第一分段线性频率响应和实际接收数据信号的频谱包络的第二分段线性频率响应和/或目标频率响应可以存储在光学收发器的一个或多个存储器中的一个或多个查找表(LUT)中。
另外，要注意的是，在该示例中，当接收器的输入光功率设置为-18dBm时，可以获得无差错的传输，如图15A中所示。在该示例中，用雪崩光电二极管(APD)光学接收器测得的灵敏度大约为-20dBm。均衡后的眼的脉冲宽度减小，照此，眼的交叉点变得降至低于50％。这是当在长光纤上发送时受光纤弥散影响的光纤信号的典型行为。
图19是用于概念性地图示根据本公开一方面的EDC设备的设计的流程图。图19的流程图概念性地图示了上述设计和合成步骤。首先，在S1601处，在高速测量设备上以光学方式确定或测量理想电信号的频谱(或频率)响应(在光纤上没有弥散的情况下)。理想电信号的频谱响应可以通过理论分析来执行，或者可替代地可以通过使用具有示波器显示能力的高速测量设备来测量。然后可以存储测得的频谱响应的特点，以供稍后在光学收发器的一个或多个存储器中使用，用于实现本技术的一些方面。步骤S1601可以手动或自动完成。在一个实现中，光学收发器的一个或多个处理系统可以确定或测量在没有光学弥散的情况下的理想电信号的频谱响应。另外，可以存储没有光学弥散的理想电信号的频谱响应，以便稍后在光学收发器的一个或多个存储器中使用，用于实现本技术的一些方面。
基于理想电信号的频谱响应，在S1603处可选地构造没有光纤弥散影响的理想信号的第一分段频谱响应。这个步骤可以手动或自动完成。在一个实现中，光学收发器的一个或多个处理系统可以构造没有弥散影响的理想信号的第一分段频谱响应。另外，可以存储理想信号的第一分段频谱响应，以供稍后在光学收发器的一个或多个存储器中使用，用于实现本技术的一些方面。
在1605处，可选地由高速测量设备确定或测量实际接收电信号(具有光学弥散)的频谱(或频率)响应。可以在受控的实验室环境中手动测量具有光纤弥散的实际接收电信号的频谱响应。即，在高速测量设备上，可以通过具有感兴趣长度的光纤(即，在感兴趣的距离上)获得增益频率响应。可替代地，S1605可以由光学收发器自动执行，并且实际接收电信号的测得的频谱响应可以存储在光学收发器的一个或多个存储器中。另外，在另一个实现中，可以基于某些信息(诸如远程光学发送器的啁啾信息、传输带宽等等)来估计实际接收电信号的频谱响应。S1605可以手动或自动地完成。在一个实现中，光学收发器的一个或多个处理系统可以确定或测量实际接收电信号(具有光学弥散)的频谱(或频率)响应。
在S1607处，基于在一定长度的光纤上具有光学弥散的实际接收电信号的确定或测得的频谱响应，可选地以光学方式构造具有光纤的弥散影响的实际接收信号的第二分段频谱响应。S1607可以手动或自动地完成。在一个实现中，光学收发器的一个或多个处理系统可以基于在一定长度的光纤上具有光学弥散的实际接收电信号的确定或测得的频谱响应来构造具有光纤的弥散影响的实际接收信号的第二分段频谱响应。另外，实际接收信号的第二分段频谱响应可以存储在光学收发器的一个或多个存储器中。
在S1609处，基于理想电信号的第一分段频谱响应与实际接收电信号的第二分段频谱响应之间的差异来确定将由EDC设备实现的目标频率响应。EDC设备可以具有目标频率响应或目标频率响应的逆，以补偿或减少实际接收电信号中光学弥散的影响。这个步骤可以手动或自动地完成。在一个实现中，光学收发器的一个或多个处理系统可以确定目标频率响应。另外，可以存储目标频率响应以供稍后在光学收发器的一个或多个存储器中使用。
在S1611处，使用无源电子部件，设计和/或实现具有目标频率响应或目标频率响应的逆的EDC设备。根据本公开的各个方面，EDC设备可以包括RLC滤波器或其各种组合，以便补偿或减少存在于实际接收电信号中的光纤的光学弥散的影响。EDC设备可以被配置为部署成耦合到光学收发器中的跨阻抗放大器。
如上面所指出的，EDC设备可以使用三个构建块来实现，例如，诸如基于无源电子部件的低通滤波器块、衰减块和/或陷波滤波器块。举例来说，图7或图17中所示的EDC设备或滤波器的示例实现可以需要低通滤波器功能以在高频下滚降，需要衰减功能以降低在其它低频和高频下的增益，用于补偿如在频率响应中看到的光学弥散的影响，借助于添加电感器(L)或电容器(C)部件以在频率增加时在感兴趣的频率处获得更高的增益，和/或需要陷波滤波器以消除其它高频下不必要的频率分量。可以尝试不同的电阻、电感和电容值，以使增益频率响应接近理想的增益频率响应而不受光学弥散的影响。另外，在本示例实现中，使用具有固定电阻的电阻器、具有固定电感的电感器和/或具有固定电容的电容器，但是本技术的实现可以不限于此。照此，在另一个实现中，可以使用分别具有可变电阻、可变电感、可变电容的电阻器、电感器和/或电容器，并且可以在各种部署条件下在一个或多个光学收发器中实时地设计和实现本技术的各个方面。
另外，在本公开的一方面，为了控制频率响应的滚降，可以使用低通滤波器块并且可能需要低通滤波器块以消除由弥散影响生成的10GHz分量或高频分量，如图7中所示。如上面所指出的，这些高频分量可以通过激光器在被调制时的波长变化与用作光信号传输的传输介质的单模光纤的弥散特点之间的(一个或多个)相互作用而生成。因此，低通滤波器可以被用于消除信号信道中存在的噪声分量，尤其是高频区域中的噪声分量。
另外，当光学接收器中的TIA前端的带宽与所需的最优带宽所需的带宽相比非常宽时，可以仔细地合成EDC设备或滤波器，以具有最优带宽和滚降而没有接收到的信号的失真。因而，可以需要仔细地选择EDC设备的滤波器类型，并且可以使用贝塞尔型滤波器，因为贝塞尔滤波器由于其最大平坦的相位响应而广泛用于光纤通信。
此外，当光学接收器的带宽受到TIA前端的限制时，或者当光信道的总带宽不宽时，由于TIA前端的频率响应被认为是低通滤波器的频率响应，因此可以不使用低通滤波器。可以采用低通特性来消除由光纤上的弥散生成的高频分量。有时，所使用的TIA前端的带宽可以小于位速率频率，因此可以修改TIA前端的带宽以具有最优带宽和/或具有所需的频率响应形状。
此外，要注意的是，本技术不同于使用典型的连续时间线性均衡器(CTLE)型均衡器获得最优眼张开所需的平坦频率响应和带宽的简单实现。CTLE型均衡器通常在限幅或后置放大器或接收器输出或发送器输入中实现，以补偿由传输线造成的RF信号损失。但是，在本公开的一方面，EDC设备使用无源电子部件(例如，电阻器、电感器和/或电容器)在限幅或后置放大器的外部实现。如上所述，补偿光学弥散所需的频率响应相对简单，并且具有与商业上可用的限幅、后置放大器中的典型CTLE实现不同的频率响应形状。而且，相对于现有技术(诸如光学接收器中商业上可用的限幅后置放大器中的CTLE技术)，本技术提供许多益处，包括节省成本和增加的有效性。
图20是概念性地图示根据本公开一方面的光学收发器2011的图。光学收发器2011包括处理系统2013、存储器2015、发送器光学子组件(TOSA)2017和接收器光学子组件(ROSA)2019。光学收发器2011可以包括其它部件和子系统，但是其描述已经为简单起见而在本文中省略。
处理系统2013可以包括一个或多个处理器，并且可以被配置为控制和管理光学收发器2011的操作，以及其它功能。处理系统2013还可以与主机设备2027通信，用于传输和接收将通过光纤2021发送到远程侧的数据。另外，处理系统2013可以被配置为实现包括图6和/或图19的一些或全部步骤的各种功能。此外，处理系统2013可以被实现为一个或多个处理器、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、硬件逻辑等。而且，处理系统2013可以耦合到一个或多个外部存储器2015，用于存储与光学收发器2011的控制和管理相关的各种参数和/或代码，以及实现与本文公开的本技术相关的各种功能。另外，处理系统2013可以包括一个或多个用于存储各种参数的内部存储器，包括表示理想数据信号的频谱特点的值。处理系统2013还可以被配置为经由包括I2C接口等的各种接口与诸如主机设备2017之类的外部设备通信。
光学收发器2011的TOSA 2017被配置为从主机设备接收包括数据的电信号，并将接收到的电信号转换成光信号，以通过光纤信道2021传输。照此，TOSA 2017可以包括激光二极管(例如，DML)、电接口和光学接口，并且还可以包括各种滤波器元件和隔离器，这取决于所需的功能。光学收发器2011的ROSA 2019被配置为从光纤信道2021接收光信号并将接收到的光信号转换成电信号以进行处理。照此，ROSA 2019可以包括光电二极管、光学接口、电接口以及EDC设备。另外，在另一个实现中，TOSA 2017和ROSA 2019的功能可以组合成一个，并且可以被实现为定向光学子组件(BOSA)。
另外，图20的光学收发器2011可以可选地耦合到包括(一个或多个)频谱测量功能2023的设备。(一个或多个)频谱测量功能2023可以是分离的设备，诸如高速测量设备或者实现频谱测量功能2023的任何电路或芯片等。(一个或多个)频谱测量功能2023可以包括与确定或测量理想数据信号、实际接收信号的一个或多个频谱响应，比较理想数据信号与实际接收信号的一个或多个频谱响应和/或确定要由EDC设备实现的目标频率响应以减少通过一定距离的光纤上的光学弥散影响相关的一个或多个功能。另外，(一个或多个)频谱测量功能2023还可以在处理系统2013中或由处理系统2013或者与光学收发器2011中的ROSA2019组合被实现为一个或多个功能。此外，(一个或多个)频谱测量功能2023也可以被实现为ROSA2019的一部分。
在本公开的另一方面，可以通过监视到光学收发器2011的光学接收器的输入光功率来实现本技术。当在光学接收器处接收到信号时，到光学接收器的输入光功率可以由光学接收器监视，并且可以估计光纤上的光传输距离，例如，通过光纤从另一侧的传输距离。给定估计的传输距离和波长信息，EDC设备可以在接收端的光学接收器中设计和实现，以减少或减轻光学弥散的影响。可替代地，在另一个实现中，在光纤的另一端的光学发送器可以与在接收端的光学接收器传送一些信息(诸如传输距离、波长、数据速率等等)，使得位于接收端的光学接收器可以配置EDC设备以减少或减轻接收端的光学弥散的影响。即，本技术可以基于接收到的某些信息(诸如输出功率信息或从远程光学收发器或系统和/或从光纤另一端的本地系统的传输距离)来实现。根据本公开的一方面，接收到的信息可以被用于配置EDC设备，以减少或减轻从远程光学收发器或系统接收的信号中光学弥散的影响。
另外，在本公开的另一方面，第一光学收发器可以位于远程侧，并且可以通过光纤向第二光学收发器发送某些信息。该某些信息可以包括第一光学收发器的啁啾参数。基于接收到的啁啾参数，第二光学收发器(或光学接收器)可以估计光学传输距离并估计光学弥散的量，例如，由于光学弥散引起的眼闭合的量。基于估计的光学弥散的量，可以根据本公开的一方面来配置或实现EDC设备，以减少和/或减轻在第一光学收发器和第二光学收发器之间的距离上光学弥散的影响。
此外，本技术还可以使用一个或多个微带状线、微波集成电路等等来实现，其可以代替EDC设备的RLC布置的一些或全部部件。例如，在本公开的一方面，电感器和/或电容器可以由一个或多个微带状线代替，由此进一步降低设计和实现EDC设备的成本。此外，在另一个实现中，EDC设备还可以被设计和实现为微波集成电路(MIC)，以便能够在光学收发器中实现EDC设备的成本有效的大规模实现。此外，在另一个实现中，也可以使用包括场效应晶体管(FET)等的有源部件或者有源部件和无源部件的任意组合来设计和实现如本文所述的EDC设备。而且，EDC设备可以被实现为一个或多个集成电路(IC)或芯片。
图21是概念性地图示可以在光学收发器(例如，光学收发器2011等)中找到的基于总线的通信系统的图。总线可以将各种电路链接在一起，包括一个或多个处理系统(或处理器)、一个或多个存储器、一个或多个通信接口和/或一个或多个输入/输出设备。
一个或多个处理系统(例如，图20中的处理系统2013)可以负责管理总线和一般处理，包括存储在非瞬态计算机可读介质上的软件的执行。如所指出的，一个或多个处理系统可以包括一个或多个处理器，诸如被配置为解释和执行指令的微处理器、微控制器等。在其它实现中，一个或多个处理系统可以被实现为或包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、门阵列、逻辑阵列等。当由一个或多个处理系统或处理器执行时，软件可以使得这一个或多个处理系统执行本文所述的针对任何特定装置的各种功能。非暂态计算机可读介质也可以用于存储在执行软件时由一个或多个处理系统操纵的数据。一个或多个存储器(例如，图20中的存储器2015)可以包括各种类型的存储器，包括随机存取存储器和/或只读存储器，和/或其它类型的磁或光记录介质及其对应的用于存储信息和/或指令和/或其检索的设备。一个或多个通信接口也可以包括使得能够与包括光学收发器(例如，图20中的TOSA 2017和/或ROSA 2019)在内的其它设备和/或系统进行通信的任何类似收发器的机制。一个或多个输入/输出设备可以包括允许输入信息和/或向操作者输出信息的设备。
如上面所指出的，根据本公开的各个方面，本技术可以以各种形状因子实现，包括小形状因子可插拔(SFP)、SFP+、C形状因子可插拔(CFP)、10千兆位小形状因子可插拔(XFP)、XFP+等。这些形状因子定义了各种参数，诸如光学收发器的物理尺寸、形状、功率要求等等。本文使用的术语“小形状因子(SFP)”或“SFP模块”或类似的其它术语是指光学收发器或光学模块化收发器的规范，其被设计用于与小形状因子连接器一起使用并且可以是热可插拔设备。举例来说，SFP模块可以是符合多源协议(MSA)的，并且允许光学和/或电气接口，从而将电信号转换成光信号，反之亦然，并且可用于与各种介质(诸如铜介质、光纤(例如，多模光纤或单模光纤)等)一起使用。一般而言，现有的SFP模块可以被用来插入网络交换机的端口，并在其上另一个位置连接到光纤通道和千兆以太网(GbE)光纤电缆。因此，现有的SFP模块可以使得网络交换机上的相同电气端口能够连接到不同类型的光纤，包括多模或单模光纤。
虽然在说明书中和/或权利要求书中公开了特征的特定组合，但是这些组合并不意在限制本技术的公开内容。另外，用于本文公开的本技术的方法或一套方法(methodology)可以以软件、硬件、软件和硬件的任意组合、结合在计算机可读介质中的计算机程序或固件来实现，计算机程序或固件用于由控制器、处理器、计算机或包括一个或多个处理器的处理系统执行。处理系统的示例可以包括(一个或多个)微控制器、(一个或多个)微处理器、数字信号处理器(DSP)、(一个或多个)分立硬件电路、门控逻辑、(一个或多个)状态机、可编程逻辑设备(PLD)、FPGA以及被配置为执行本文所述的各种功能的其它合适的硬件。本文使用的术语“软件”应当被广泛地解释为指任何指令、指令集、程序、子程序、代码、程序代码、软件模块、应用、软件包、例程、对象、可执行程序、执行线程、过程、函数等，包括固件、微代码、中间件、软件、硬件描述语言等。
虽然为了简单起见，本技术的一些方面在本文被描述为一系列步骤或动作，但应当理解的是，要求保护的主题不受步骤或动作的次序限制，因为一些步骤或动作可以以不同的次序和/或与本文所示和描述的其它动作并发地发生。另外，并不是所有示出的步骤或动作都是实现根据本文公开的本技术的各种方法所必需的。
除了另外明确指出之外，如在本公开中使用的，术语“包括”以及术语“包含”并不旨在排除其它添加物、部件、整体或步骤。
本文使用的术语“第一”、“第二”等也可以被用来描述各种部件，但是部件不受上述术语的限制。在不脱离本公开的范围的情况下，以上术语仅用来区分一个部件与其它部件。而且，本文使用的术语“和/或”包括多个相关联的项的组合或者这多个相关联的项中的任何项。另外，要注意的是，当描述元件被“耦合”或“连接”到另一个元件时，元件可以直接耦合或直接连接到另一个元件，或者元件可以通过第三元件耦合或连接到另一个元件。如果在上下文中没有明确的相反意思，那么单数形式可以包括复数形式。在本公开中，本文使用的术语“包括”或“具有”指示本文所述的特征、操作、部件、步骤、数量、部分或其任意组合存在。另外，术语“包括”或“具有”不排除一个或多个其它特征、操作、部件、步骤、数量、部分或组合存在或添加的可能性。此外，本文使用的冠词“一个”旨在包括一个或多个项。而且，本公开中使用的元件、动作、步骤或指令都不应当被解释为对本公开是至关重要或根本的，除非在本公开中明确地这样描述。
虽然为了描述示例实施例的目的已经用本文所述的具体示例说明了本技术，但是相关领域的技术人员应当认识到的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以用各种各样的替代和/或等效实现来代替所示出和描述的具体示例。照此，本公开意在覆盖本文所示和描述的示例和/或实施例的任何适应或变化，而不脱离本公开的精神和技术范围。

Claims (11)

1.一种光学接收器，包括：
光电二极管，可操作以接收光信号并产生电信号；
跨阻抗放大器(TIA)，可操作以接收电信号并产生第一放大信号；以及
电子弥散补偿(EDC)设备，可操作以从跨阻抗放大器接收第一放大信号并产生补偿信号，电子弥散补偿设备包括无源电子部件，无源电子部件包括具有频率响应以补偿第一放大信号中的光学弥散的布置，所述布置包括高通滤波器、衰减器和陷波滤波器或所述布置包括低通滤波器、衰减器和陷波滤波器，
其中电子弥散补偿设备被配置为使用时域分析或者频域分析来补偿接收到的第一放大信号上的光学弥散，并且其中使用理想数据信号的频率响应特点作为参考模板。
2.如权利要求1所述的光学接收器，其中电子弥散补偿设备包括无源电子部件的布置，无源电子部件被配置为使用多个电阻器、多个电容器和/或多个电感器来补偿光学弥散。
3.如权利要求2所述的光学接收器，其中基于没有光学弥散的数据信号的频率响应与具有光学弥散的数据信号的频率响应之间的一个或多个差异来选择所述布置的无源电子部件的值，使得在补偿信号中通过无源电子部件的布置大大减少光学弥散。
4.如权利要求1所述的光学接收器，其中陷波滤波器包括使用无源电子部件的并联共振器或串联共振器。
5.如权利要求1所述的光学接收器，其中衰减器包括使用无源电子部件的T型衰减器、桥接T型衰减器或PI型衰减器。
6.如权利要求1所述的光学接收器，还包括后置放大器，其可操作以接收补偿信号并产生第二放大信号以进行处理。
7.如权利要求1所述的光学接收器，其中光学接收器被配置为以包括小形状因子可插拔(SFP)、SFP+、C形状因子可插拔(CFP)、10千兆位小形状因子可插拔(XFP)、XFP+的形状因子可操作。
8.一种光学收发器，包括：
发送器光学子组件(TOSA)，被配置为接收第一电信号并将接收到的第一电信号转换成第一光信号，以通过光纤传输；
接收器光学子组件(ROSA)，被配置为通过光纤接收第二光信号并将接收到的第二光信号转换成第二电信号，其中接收器光学子组件包括：
光电二极管，可操作以接收第二光信号并产生第二电信号；
跨阻抗放大器(TIA)，可操作以接收第二电信号并产生放大信号；以及
电子弥散补偿(EDC)设备，可操作以从跨阻抗放大器接收放大信号并产生补偿信号，
其中电子弥散补偿设备包括无源电子部件，无源电子部件具有频率响应补偿放大信号中的光学弥散的布置，所述布置包括高通滤波器、衰减器和陷波滤波器或所述布置包括低通滤波器、衰减器和陷波滤波器，
其中电子弥散补偿设备被配置为使用时域分析或者频域分析来补偿放大信号上的光学弥散，并且使用理想数据信号的频率响应特点作为参考模板。
9.如权利要求8所述的光学收发器，其中衰减器包括使用无源电子部件的T型衰减器、桥接T型衰减器或PI型衰减器。
10.一种补偿由远程光学发送器中的直接调制激光器发送的信号中的光学弥散的方法，该方法包括：
在光学接收器处接收光信号并将其转换成电信号，该光信号由远程光学发送器通过光纤发送；
将电信号放大成放大的电信号；
使用无光学弥散的理想数据信号的频率响应特点作为参考模板；以及
由电子弥散补偿(EDC)设备基于无光学弥散的理想数据信号的频率响应特点作为参考模板使用时域分析或者频域分析来补偿放大的电信号中光学弥散的影响，其中电子弥散补偿设备包括无源电子部件，无源电子部件包括具有频率响应以补偿放大信号中的光学弥散的布置，所述布置包括高通滤波器、衰减器和陷波滤波器或所述布置包括低通滤波器、衰减器和陷波滤波器，无源电子部件包括多个电阻器、多个电感器和/或多个电容器。
11.如权利要求10所述的方法，还包括：
确定包括光学弥散的影响的放大的电信号的频率响应；以及
确定电子弥散补偿设备的目标频率响应，使得电子弥散补偿设备的目标频率响应被配置为补偿放大的电信号中光学弥散的影响。
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