CN109644050A - 低功率光纤光收发器 - Google Patents

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CN109644050A CN201780049212.0A CN201780049212A CN109644050A CN 109644050 A CN109644050 A CN 109644050A CN 201780049212 A CN201780049212 A CN 201780049212A CN 109644050 A CN109644050 A CN 109644050A
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Abstract

本公开涉及用于低功率光学收发器的系统和方法。在一个实施例中，低功率光学收发器可以包括微控制器以及与微控制器通信并由微控制器控制的光学接收器和光学发射器。光学接收器可以包括光电检测器，该光电检测器被配置为接收待接收的第一信号的第一光学表示，并生成第一信号的电学表示。放大器可以放大第一信号的电学表示，并且与放大器电通信的输出可以生成电输出。光学发射器可以包括激光二极管，该激光二极管被配置为生成待发射的第二信号的第二光学表示。微控制器可以被配置为控制激光二极管的输出功率。

Description

低功率光纤光收发器
技术领域
本申请涉及低功率光纤光发射器、接收器和收发器。
附图简述
描述了本公开的非限制性和非穷举性实施例，包括详细描述中所包括的参照附图的本公开的各种实施例。
图1示出了根据本公开的实施例的低功率光纤光收发器的功能框图。
图2A示出了根据本公开的实施例的低功率光纤光发射器的简化电路图。
图2B示出了根据本公开的实施例的低功率光纤光接收器的简化电路图。
详细描述
工业环境中的通信设备可以被配置成实现几个关键目标。具体来说，这样的设备应该在设备之间以高速率传输数据，并且误差可能性最小。随着在设备之间传输的数据量的增加，高速通信设备变得越来越重要。此外，这种设备应在宽的环境温度范围内稳定可靠地运行。在某些实施例中，温度范围可以在-40℃到+85℃之间。更进一步，这种设备应该能够抵抗外部电干扰，对数据完整性的影响最小。最后，这样的设备应该消耗最少的电力。减少加热可以避免对其他部件产生过多的热。
本公开的各种实施例涉及降低在高数据速率下的功耗。随着数据速率的提高和诸如以太网交换机的设备中的许多数据通道，设计一个不违反最高工作温度的系统是一项重大挑战。出于这个原因，在本公开中使用的主要品质因数(FOM)是“兆比特每秒每瓦特”(Mbps/W)。
通信设备可以使用几种方法(包括沿电线的电发信、通过空气的无线发信和/或通过塑料或玻璃光纤的光学发信)来传输数据。光学发信被认为是最可靠的方法，因为它对电干扰具有免疫力；然而，与电发信或无线发信相比，光学发信通常提供最低的Mbps/W。表1举例说明了标准商用光学收发器的功耗。
服务于多个通信信道的通信设备(诸如，交换机)可以包括用于每个端口的收发器，因此，收发器消耗的电力和产生的热随着端口数量的增加而增加。例如，具有24个端口的以太网交换机包括24个收发器，这将消耗大约24W的电力。考虑到每瓦1℃的温度上升，仅仅由于收发器，盒子中的温度将上升24℃。如果交换机在25℃的环境温度下工作，收发器中的温度范围将为49℃。这个温度太热以至于不能接触。如果环境温度更高，则问题会更加严重。例如，如果交换机工作的环境温度接近许多通信设备的高工作范围(例如，85℃)，则交换机内部的温度可能超过收发器和/或交换机中其他部件的额定温度。
虽然主动冷却或较低的温度范围可以用来改善这些问题，但是这些选择也有缺点。依赖主动冷却可能会降低系统的可靠性，并且降低工作温度范围可能会减少其中包括光学收发器的各种系统的潜在应用。因此，一种优选的方法是降低收发器消耗的电力。这种方法在不限制设备的工作温度范围的情况下避免了额外的加热。
根据本公开的各个实施例可明显降低光学收发器的功耗。在一些实施例中，功耗可以降低到大约0.2瓦。在其他实施例中，功耗可以降低到大约0.05瓦。降低的功耗可以减少热的生成，并减少光学收发器可贡献的温升。例如，其中包括工作在0.2瓦的收发器的24端口交换机可能会由于来自光学收发器的热而使温度上升4.8℃。如果交换机中的收发器工作在0.05瓦，则温度的增加可能只是1.2℃。表2反映了根据本公开的各个实施例的功耗。
所描述的实施例的某些方面可作为软件模块或组件来实现。如本文中所使用的，软件模块或组件可包括任何类型的计算机指令或计算机可执行代码，这些指令或代码位于存储器设备内和/或作为电子信号通过系统总线或者有线或无线网络传输。例如，软件模块或组件可包括一个或更多个物理块或逻辑块的计算机指令，其可被组织为执行一个或更多个任务或实现特定的抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。
在某些实施例中，特定的软件模块或组件可包括被储存在存储器设备的不同位置中的不同指令，其共同实现模块的所描述的功能。事实上，模块或组件可包括单一指令或许多指令，并且可以分布在几个不同的代码段上、分布在不同的程序当中以及跨越几个存储器设备分布。一些实施例可在分布式计算环境中实践，在分布式计算环境中，任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，软件模块或组件可位于本地存储器储存设备和/或远程存储器储存设备中。另外，在数据库记录中一起绑定或表现的数据可驻留在同一存储器设备中或跨越几个存储器设备驻留，以及可以跨越网络在数据库中的记录的字段中链接在一起。
实施例可作为计算机程序产品来被提供，包括具有在其上所储存的指令的非暂态计算机和/或机器可读介质，该指令可用于对计算机(或其他电子设备)进行编程以执行本文中所描述的过程。例如，非暂态计算机可读介质可储存指令，当该指令由计算机系统的处理器执行时，使处理器执行本文中所公开的某些方法。非暂态计算机可读介质可包括但不限于硬盘、软盘、光盘、CD-ROM、DVD-ROM、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、固态存储器设备、或适用于储存电子器件和/或处理器可执行指令的其他类型的机器可读介质。
图1示出了根据本公开的实施例的低功率光纤光收发器100的功能框图。低功率收发器100可以实现各种技术来降低功耗。在各种实施例中，这些技术可以单独使用，或者可以在同一设备中使用多种技术。
光学发射器102可以包括差分放大器104以调节输入信号114。激光驱动器106可以基于激光电流和监测器光电二极管108来设置调制电平，监测器光电二极管108被配置为提供来自激光二极管110的反馈。微控制器112可以监测和控制光学发射器102的操作。
光学接收器120可以包括与微控制器112通信的电压调节器122和电流监测器124。电流监测器124可以指示平均光学输入功率，并生成被提供给微控制器112的接收信号强度指示(RSSI)。基于RSSI，如果输入信号下落到低于指定阈值，则微控制器112可以生成静噪(squelch)功能来关闭接收器。电压调节器122可向放大器提供较低且干净的电压。在各种实施例中，电压调节器122可以被实施为线性或开关电压调节器。更进一步，电压调节器122可以增加或减少被提供给光学接收器120的电源电压。
检测器光电二极管126可以将光输入转换成电信号。来自检测器光电二极管126的电信号可以传递到跨阻抗放大器(TIA)128，以将光电二极管电流转换成电压。限幅放大器和/或自动增益控制电路(AGC)130可以放大光电二极管电压，直到获得恒定幅度的方波。差分输出驱动器132可以生成输出134。
在各种实施例中，由单独示出的组件执行的一些功能可以并入微控制器112中。例如，与激光驱动器106、差分放大器104和其他组件相关联的某些功能可以在微控制器112中实现。此外，微控制器112可以监测工作电压、温度、激光电流和光学输出，并调节激光驱动电压和控制驱动晶体管偏置电压以优化输出。更进一步，微控制器112可以控制开关激光电流调节器(未示出)以进一步降低功耗。在使用不同部件实现所示组件的实施例中，功率预算在表3中提供。
图2A示出了根据本公开的实施例的低功率光纤光发射器200的简化电路图。如上所述，在所示实施例中，可以使用微控制器202来实现与收发器相关联的各种功能元件。例如，差分放大器可以部分使用微控制器202来实现。微控制器202可使用任何数量的处理速率和架构来工作。微控制器202可被配置为执行本文中所描述的各种算法和计算中的任何一个。微控制器202可被实现为通用集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列和/或任何其他合适的可编程逻辑设备。微控制器202可被实现为专用集成电路(ASIC)。
在所示实施例中，TX输入信号204可以直接驱动激光调制场效应晶体管(FET)206。可以由电压调节器214向激光调制FET 206提供电力，这可以使用各种技术来实现，以将电源电压调节到合适的水平。在一些实施例中，特定电压可取决于与某些部件(例如，激光二极管216)相关联的最小电压。在电源电压低于必需电压的实施例中，电压调节器214可以增加电压(例如，使用升压转换器)。类似地，在电源电压大于必需电压的实施例中，电压调节器214可以降低电压(例如，使用降压转换器)。
激光调制FET 206可以控制通过激光二极管216的电流。在各种实施例中，FET 206可以使用高速硅锗或伪晶高电子迁移率晶体管(PHEMT)来实现。与分立放大器相比，SeGe和PHEMT晶体管可以提供放大，同时降低功耗。在其他实施例中，FET 206可以使用其他类型的晶体管(包括双极结晶体管(BJT))来实现。激光二极管216和FET 206的特征数据可以被编程到微控制器202中，以进一步增强工艺和温度上的性能。在一些实施例中，可以在校准或调试期间对特征数据进行编程。
在一个特定实施例中，高速PHEMT FET 206由具有标准输入阻抗208的差分端子输入204的一侧直接驱动。在一个特定实施例中，如CFP多源协议(MSA)所规定的，标准输入阻抗208可以是100Ω。PHEMT FET 206偏置电压可以由微控制器202算法设置，该算法基于电阻器210两端的压降和激光二极管216最小电流(使用Vimin)测量激光二极管216的平均电流。由于FET 206的阈值电压的工艺变化，在某些实施例中，该算法可以基于温度、“数据检测”电压和电源电压。温度可以由微控制器202监测。微控制器202还使用信号LD V控制和来自监测器光电二极管212的反馈来设置通过激光二极管216的平均电流。因此，在所示实施例中，微控制器202可以使用信号LD V控制来控制激光二极管216的输出功率。
微控制器202监测相对于参考电压(V参考)的“数据检测”信号，并且可以关闭晶体管偏置(LD V偏置)和/或可以使用LD V控制信号向电压调节器214发信号，以在输入204上没有数据时关闭激光二极管216。
图2B示出了根据本公开的实施例的低功率光纤光接收器250的简化电路图。收发器的接收器250包括跨阻抗放大器(TIA)264，以将光电二极管254电流转换成电压。TIA 264的增益可以是电阻器262的函数。限幅放大器256可以放大光电二极管电压，直到获得恒定幅度的方波。在各种实施例中，可以使用自动增益控制来代替限幅放大器256。差分输出级258可以耦合到限幅放大器256。在各种实施例中，差分输出级258可以包括单端放大器链。电流监测器260可以被配置为指示平均光学输入功率，该平均光学输入功率提供“接收信号强度指示”(RSSI)和静噪功能，以在输入信号下降到低于某一电平时关闭接收器。电压调节器214可以向限幅放大器256和差分输出级提供功率。在一个特定实施例中，电压调节器214可以包括低噪声压降(LDO)电压调节器。
光学接收器250中的功率节省可以以至少三种特定方式实现。首先，电压调节器214的使用允许发射器200接受1.2V和3.3V之间的电压，当较低电压功率源可用时，降低接收器中的功耗，同时仍然符合3.3V的标准要求。电压调节器214可以使用光电二极管254来放大输入光学信号，光电二极管254使用低电压和高速晶体管252。此外，接收器250可以避免在接收器放大器256中使用差分级，从而降低功率轨道噪声。电压调节器214的输出可以允许单端链，从而降低功耗和成本。差分输出级258可以利用单个晶体管，该晶体管从源自电压调节器214的相同的电流分支产生差分信号，将电流需求减半，还节省了其他方式通常要求的多个级。
第二，差分输出级258可以使用单个晶体管来操作，该晶体管从源自电压调节器214的相同的电流分支产生差分信号。光学接收器通常包括差分输出级，该差分输出级用成对的晶体管和多个级驱动输出线。因此，单个晶体管的使用可以减少一半的电流，也可以避免多级。
最后，低功率电流监测器260可用于检测来自光电二极管254的平均电流，并且当RSSI电平下降到设定电平以下时，微控制器202可禁用电压调节器。通常，电流监测器和静噪功能是通过差分放大器和比较器来实现的。在另一个实施例中，电流监测器260中的比较器可以集成到微控制器202中。在又一实施例中，电流监测器260中的差分放大器以及比较器可以集成到微控制器202中。它们一起消耗10mA。在所示实施例中，电流监测器260检测平均电流，并且当RSSI电平下降到设定电平以下时，来自发射器侧的微控制器202禁用电压调节器214。
表4提供了图2A和2B所示的光纤光收发器的功率预算。
根据本公开的各种实施例可以符合适用的标准和/或多源协议(MSA)。在这样的实施例中，本文中公开的系统和方法可以以标准小形状因数(“SFF”)或小形状因数可插拔(“SFP”)包来实现，并且可以与现有硬件互操作。用根据本公开的收发器替换现有收发器可以用于升级已经在使用的现有硬件。
虽然已经示出并描述了本公开的特定实施例和应用，但是应理解，本公开不限于本文中所公开的精确配置和部件。本领域技术人员将认识到，可以根据本公开创建各种特定的实现。因此，在不脱离本公开的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节做出许多改变。因此，本发明的范围应仅由随附的权利要求限定。

Claims (22)

1.一种低功率光学收发器，包括:
微控制器；
光学接收器，所述光学接收器与所述微控制器通信并由所述微控制器控制，并且所述光学接收器还包括:
光电检测器，所述光电检测器被配置为接收待接收的第一信号的第一光学表示，并生成所述第一信号的电学表示；
放大器，所述放大器被配置为放大所述第一信号的所述电学表示；
输出端，所述输出端与所述放大器电通信，并被配置为生成电输出；以及
光学发射器，所述光学发射器与所述微控制器通信并由所述微控制器控制，并且所述光学发射器还包括:
激光二极管，被配置为生成待发射的第二信号的第二光学表示；
其中，所述微控制器被配置为控制所述激光二极管的输出功率。
2.根据权利要求1所述的低功率光学收发器，其中，所述光学收发器还包括电压调节器，所述电压调节器被配置为能够在1.2V和3.3V之间的范围工作。
3.根据权利要求1所述的低功率光学收发器，还包括单端放大器链。
4.根据权利要求3所述的低功率光学收发器，其中，所述单端放大器链包括差分输出端的末级。
5.根据权利要求1所述的低功率光学收发器，其中，待发射的所述信号被配置为控制通过激光调制场效应晶体管(FET)的电流。
6.根据权利要求5所述的低功率光学收发器，其中，所述微控制器还被配置为监测所述激光调制FET的温度，并基于所述温度调节通过所述激光调制FET的电流。
7.根据权利要求5所述的低功率光学收发器，其中，所述FET包括伪晶高电子迁移率晶体管和SeGe晶体管中的一种。
8.根据权利要求1所述的低功率光学收发器，其中，所述微控制器被配置为接收所述激光二极管的特征数据，并且被配置为基于所述特征数据调节所述激光二极管的至少一个工作参数。
9.根据权利要求1所述的低功率光学收发器，其中，所述接收器的输出端包括差分输出级，所述差分输出级包括第一输出和第二输出，所述第一输出连接到输出晶体管的第一端子，所述第二输出连接到所述输出晶体管的第二端子。
10.根据权利要求1所述的低功率光学收发器，其中，所述微控制器被配置为监测与所述光学接收器的光电检测器相关联的电流，并且当所述电流低于阈值时选择性地生成静噪功能，所述静噪功能能够操作以选择性地禁用所述光学接收器。
11.根据权利要求10所述的低功率光学收发器，其中，所述接收器还包括与所述光电检测器相关联的电流监测器；并且
其中，所述微控制器还被配置为生成所述电流监测器的多个样本，并且当所述多个样本指示所述电流低于所述阈值时，选择性地生成所述静噪功能。
12.根据权利要求1所述的低功率光学收发器，其中，对于10Base-FL光学协议，所述收发器被配置为在200兆比特每秒每瓦特(Mbps/W)和100Mbps/W之间实现。
13.根据权利要求1所述的低功率光学收发器，其中，对于100Base-FL光学协议，所述收发器被配置为在2,000兆比特每秒每瓦特(Mbps/W)和606Mbps/W之间实现。
14.根据权利要求1所述的低功率光学收发器，其中，对于1000Base-FL光学协议，所述收发器被配置为在20,000兆比特每秒每瓦特(Mbps/W)和5,050Mbps/W之间实现。
15.根据权利要求1所述的低功率光学收发器，其中，所述光学接收器的放大器包括跨阻抗放大器，至少一个限制增益级跟随所述跨阻抗放大器。
16.根据权利要求1所述的低功率光学收发器，其中，所述微控制器包括专用集成电路。
17.一种低功率光学收发器，包括:
微控制器；
光学接收器，所述光学接收器与所述微控制器通信并由所述微控制器控制，并且所述光学接收器还包括:
光电检测器，所述光电检测器被配置为接收待接收的第一信号的第一光学表示，并生成所述第一信号的电学表示；
放大器，所述放大器被配置为放大所述第一信号的电学表示；
输出端，所述输出端与所述放大器电通信，并且被配置为生成电输出；以及
光学发射器，所述光学发射器与所述微控制器通信并由所述微控制器控制，并且所述光学发射器还包括:
激光二极管，所述激光二极管被配置为生成待发射的第二信号的第二光学表示；
其中，所述微控制器被配置为控制所述激光二极管的输出功率并接收所述激光二极管的特征数据，并且被配置为基于所述特征数据调节所述激光二极管的至少一个工作参数。
18.根据权利要求17所述的低功率光学收发器，还包括单端放大器链。
19.根据权利要求17所述的低功率光学收发器，其中，所述微控制器被配置为接收所述激光二极管的特征数据，并被配置为基于所述特征数据调节所述激光二极管的至少一个工作参数。
20.根据权利要求17所述的低功率光学收发器，其中，所述接收器的输出端包括差分输出级，所述差分输出级包括第一输出和第二输出，所述第一输出连接到输出晶体管的第一端子，所述第二输出连接到所述输出晶体管的第二端子。
21.根据权利要求17所述的低功率光学收发器，其中，所述微控制器被配置为监测与所述光学接收器的光电检测器相关联的电流，并且当所述电流低于阈值时选择性地生成静噪功能，所述静噪功能能够操作来选择性地禁用所述光学接收器。
22.根据权利要求21所述的低功率光学收发器，其中，所述接收器还包括与所述光电检测器相关联的电流监测器，并且
其中，所述微控制器还被配置为生成所述电流监测器的多个样本，并且当所述多个样本指示所述电流低于所述阈值时，选择性地生成所述静噪功能。
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