CN109743113B - 光模块与光线路终端 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及光通信技术领域，具体涉及一种光模块，其包括：激光芯片、第一耦合器、光电探测芯片和跨阻放大器，其中：所述激光芯片前端发射前置光，后端发射后置光，其中，所述前置光经过调制处理后输出到光网络中，所述后置光为功率恒定的连续光；所述第一耦合器将后置光作为背景光与所述光模块的上行光相耦合，并将耦合后的光输出；所述光电探测芯片接收所述第一耦合器输出的光信号，将所述光信号转换成所述电流信号输出给所述跨阻放大器。使得耦合后的光所需的跨阻放大器的动态范围变小，从而使得在突发模式的光模块中、尤其是高速PON光模块中使用连续模式跨阻放大器成为可能，可以实现稳定的突发上行的接收。
Description
技术领域
本公开涉及光通信技术领域，具体涉及一种光模块及光线路终端。
背景技术
跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier,TIA)被广泛用于光通信领域中，其作用是将光电二极管转换出的微弱电流信号(交流信号)低噪声放大到合适的电压范围。光模块厂家出于对通讯系统应用上的考虑，为了避免光功率过大或者过小而造成误码，甚至影响接收光模块的寿命，要求跨阻放大器能够准确监控光电二极管转换出的电流信号。
在高速无源光网络领域，突发模式的光模块被广泛应用，但是，研制突发模式跨阻放大器的技术难度较大，尤其是在25G的无源光网络(Passive Optical Network，PON)领域，目前尚没有突发模式跨阻放大器可用。
发明内容
本公开的目的在于提供一种可降低所需跨阻放大器的动态范围的新型光模块。
本公开的目的是通过以下技术方案来实现的：
根据本公开的一方面，提出一种光模块，其包括激光芯片、第一耦合器、光电探测芯片和跨阻放大器，其中：
所述激光芯片一端发射前置光，另一端发射后置光，其中，所述前置光经过调制处理后输出到光网络中，所述后置光为功率恒定的连续的后置光；
所述第一耦合器将后置光与所述光模块的突发上行光相耦合，并将耦合后的光输出；
所述光电探测芯片接收所述第一耦合器输出的光信号，将所述光信号转换成所述电流信号输出给所述跨阻放大器。
本公开的实施例提供的技术方案可以具有以下有益效果：
在本公开的各实施例中，通过将功率恒定的连续的后置光作为背景光耦合到光模块的上行光，将突发的上行光转化为近乎连续的模式，使得耦合后的光所需的跨阻放大器的动态范围变小，从而使得在突发模式的光模块中、尤其是高速PON光模块中使用连续模式跨阻放大器成为可能，可以实现稳定的突发上行的接收。即，所述光模块可以将突发的光包转化为近乎连续模式的光包，同时可以将动态范围较大的光波，转化为近乎相等的光功率，降低了对突发回复时间和动态范围的要求。且所述功率恒定的连续的后置光是从发射下行光的激光芯片中同时发射出的，使用的是发射下行光的余光，实现了余光的再利用。
附图说明
为了易于说明，本公开由下述的较佳实施例及附图作详细描述。
图1示出根据本公开一示例性实施例的光模块的组成示意图；
图2示出根据本公开另一示例性实施例的光模块的组成示意图；
图3示出根据本公开又一示例性实施例的光模块的组成示意图。
具体实施方式
为了使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本公开进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本公开，并不用于限定本公开。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
下面参考附图对根据本公开的光模块的各实施例进行详细说明。图1示出了根据本公开一示例性实施例的光模块的组成示意图。如图1所示，该示例光模块101包括第一耦合器110、光电探测芯片200和跨阻放大器300以及激光发射器500。
其中，光电探测芯片200可以采用各种各样的光电转换器件，例如，光电二极管(photo diode,PD)、雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)、PIN光电二极管(Positive-Intrinsic-Negative Photo Diode,PIN-PD)、光敏电阻，等等。
激光发射器500包括激光芯片510和电吸收调制器(EAM，Electro AbsorptionModulator)520。
激光芯片510的前端发射前置光，后端发射后置光。其中所述前置光发送至电吸收调制器520后，电吸收调制器520对所述前置光进行调制处理后变为下行光后，输出到光网络中。
其具体过程是通过发送数据(Transmit Data,Tx Data)线发送要调制到下行光中的信息至电吸收调制激光器驱动(Electroabsorption Modulation Lasers Driver,EMLDriver)后，由EML Driver驱动EAM对所述前置光进行调制，将需要调制的信息调制到所述前置光中，使所述前置光变为载有所述信息的下行光。又由于激光器对于温度是非常敏感的，故同时在进行调制处理时，由热敏电阻检测环境温度，当所述温度超出激光发射器500的设定的温度范围内时，所述半导体制冷器驱动(Thermo Electric Cooler Driver,TECDriver)会驱动TEC进行温度控制。
所述后置光为激光芯片510的背光，不携带任何信息，是一种功率恒定的连续光。所述后置光发送至第一耦合器110后，第一耦合器110将所述后置光作为背景光与光模块101的突发上行光相耦合并将耦合后的光输出。
耦合后的光经光电探测芯片200的光电转换后变成电流信号输入跨阻放大器300。跨阻放大器300将该电流信号转换为放大的电压信号。
所述光模块利用了发射下行光的激光芯片的背光作为背景光与光模块101的上行光相耦合，替代了用于发射背景光的背景光发射器，将本来用处不太大的后置光重新利用起来，实现了背光的再利用，节约了生产成本的同时，充分利用了光模块内的各个部件。
在一个示例中，所述光电探测芯片200位于该光模块之外。在另一示例中，所述光电探测芯片200位于光模块之内。
如下面的示例计算结果所示出的，当光模块的上行光经过第一耦合器110叠加上后置光后，动态范围会大大减小。
下面是本公开的一计算示例。在现有技术中，对于在光线路终端(optical lineterminal,OLT)接收机灵敏度与过载光功率之间的功率值，我们可以假设灵敏度数值为BdBm，其对应的毫瓦值为b mW，再假设过载光功率为A dBm，其对应的毫瓦值为a mW，根据相关公式定理有如下换算关系：
A＝10×lg(a)
B＝10×lg(b)
则，可以得到
又A和B的关系至少满足A-B≥15dB，这里我们假设A减B正好满足15dB动态范围，即
A-B＝15
为了简化计算，我们取B＝-30dBm，则A＝-15dBm，我们在A和B的光强之上，统一加一个0dBm的光强，并且这个光强即为C，毫瓦值是c mW，我们计算得到最终叠加之后的光强：
通过计算发现，我们叠加后置光之后，本来需要15dB动态范围的场景，动态范围不在需要15dB了，这降低了对突发TIA的要求。
由上面的示例计算结果可见，耦合后置光后的上行突发的动态范围，由原来的-30dBm至-15dBm变成了0.0043dBm至0.135dBm，即，耦合后置光后的上行突发信号变成了一种近似连续的信号，这使得可以将连续模式的跨阻放大器300用于该上行信号。即，该功能可以将突发的光包转化为近乎连续模式的光包，同时可以将动态范围较大的光波，转化为近乎相等的光功率，降低了对突发回复时间和动态范围的要求。可见，通过本公开的该光模块实施例，可以将突发的上行光转化为近乎连续的模式，使得在高速PON领域、尤其是25GEPON领域能够借用目前25G领域已经批量应用的连续模式TIA来实现突发上行的接收。该方案在25G EPON TIA推出前，可以有效的解决突发功能问题。
图2示出根据本公开另一示例性实施例的光模块的组成示意图。如图2所示，该示例光模块201的激光发射器500除了包括与图1中相同的激光芯片510和电吸收调制器520之外，还包括：
光放大器530，接收所述激光芯片发射的后置光，并放大输出给第一耦合器。
在其中一个实施例中，所述光放大器530可以是半导体光放大器(SemiconductorOptical Amplifier,SOA)，这种光放大器结构简单、体积小，便于与其他光器件进行集成。
在另一个实施例中，所述光放大器530还可以是光纤放大器(Optical FiberAmplifier,OFA)，这种光放大器易与传输光纤耦合连接，能量转换效率高，能够在相同的能量下更好地放大所述背景光，并直接通过光纤传输到第一耦合器110中。
在本实施例中，所述后置光也直接采用发射激光器的背光放大光，不需要与接收波长同波长。对于下行发射激光器，采用双向出光结构；前光利用70％以上的耦合效率，后光利用30％的出光设计；后光由于本身出光较小，增加SOA进行后光放大，作为上行光的本地检测光。
图3示出根据本公开又一示例性实施例的光模块的组成示意图。如图3所示，该示例光模块301除包括图1和图2示出的第一耦合器110、光电探测芯片200和跨阻放大器300之外，还包括第二耦合器120，其中跨阻放大器300包括第一跨阻放大器310和第二跨阻放大器320。光电探测芯片200包括第一光电探测芯片210和第二光电探测芯片220。
其中，第二耦合器120用于将所述第一耦合器110输出的耦合后的光分成第一光信号和第二光信号作为输出；
所述第一光电探测芯片210接收所述第二耦合器120输出的第一光信号，并将所述第一光信号转化为第一电流信号输出；
所述第一跨阻放大器310接收所述第一光电探测芯片210输出的第一电流信号，并将所述第一电流信号转化为第一电压信号；
所述第二光电探测芯片220接收所述第二耦合器120输出的第二光信号，并将所述第二光信号转化为第二电流信号输出；
所述第二跨阻放大器320接收所述第二光电探测芯片220输出的第二电流信号，并将所述第二电流信号转化为第二电压信号。
可选地，第一耦合器110耦合后置光和上行光的耦合比为1：1，第二耦合器120分出的第一光信号和第二光信号的分光比为1：1。
将第一耦合器110的耦合比选为1：1，是较为常用的一个选择，也可以选为2：1，3：1，1：3等，本发明在此不做限定。
将第二耦合器120的分光比选为1：1，对第一光信号和第二光信号进行平均分配，可以使第一光电探测芯片210和第二光电探测芯片220的负载更均衡，进而使第一跨阻放大器310和第二跨阻放大器320的负载更加均衡。
在本实施例中，增加了一个第二耦合器120，用于将将所述第一耦合器110输出的耦合后的光分成两路光路输出，即第一光信号和第二光信号。将光分为两路后，相应的，每一路光信号都需要一个光电探测器和跨阻放大器，其中所述第一光信号被第一光电探测芯片210探测到后，转化为第一电流信号输出发送给第一跨阻放大器310，由所述第一跨阻放大器310转化为第一电压信号后输出。同理，所述第二光信号被第二光电探测芯片220探测到后，转化为第二电流信号输出发送给第二跨阻放大器320，由所述第二跨阻放大器320转化为第二电压信号后输出。
在图3的示例中，光模块301还可以包括：
第一运算放大器410，所述第一运算放大器的同方向输入与第一跨阻放大器310的同方向输出连接，输出放大后的正向电压信号；
第二运算放大器420，所述第二运算放大器的反方向输入与第二跨阻放大器320的同方向输出连接，输出放大后的反向电压信号；
限幅放大器430，所述限幅放大器将所述运算放大器输出的电压信号转化为限幅放大电压信号后输出。
所述多级放大电路400的作用是将所述第一电压信号和第二电压信号整合并输出整合后的放大电压信号。本实施例先通过两个运算放大器分别放大所述两路电压信号，在通过限幅放大器将所述两个信号整合。
其中，第一跨阻放大器310的输出端的正极与第一运算放大器410输入端的正极相接，第一跨阻放大器310的输出端的负极与第一运算放大器410输入端的负极相接，这样所述第一运算放大器410输出的就是一个放大的正向信号。
而第二跨阻放大器320的输出端的正极与第二运算放大器420输入端的负极相接，第二跨阻放大器320的输出端的负极与第二运算放大器420输入端的正极相接，这样所述第二运算放大器420输出的就是一个放大的反向信号。
然后，所述第一运算放大器410输出端与限幅放大器430输入端的正极相接，所述第二运算放大器420输出端与限幅放大器430输入端的负极相接，限幅放大器输出的限幅放大电压信号是输入端的正极的信号减去输入端的负极的信号，这样就获得了一个正向的限幅放大电压信号。可以改善接收灵敏度。同时由于后置光是直流光，不存在相位，这时通过限幅放大器输入端正极和负极的相消，将后置光的影响也滤除了。
下面结合具体计算示例进行说明：我们继续假设灵敏度数值为B dBm，其对应的毫瓦值为b mW，过载光功率为A dBm，其对应的毫瓦值为a mW，然后假设直流光光强为C，毫瓦值是c mW。
所述第二耦合器将耦合后的光分成第一光信号和第二光信号输出后，所述第一光信号和第二光信号的大小均为过载光功率a+c mW及灵敏度b+c mW。
然后所述第一光信号经过第一光电探测芯片210转化为第一电流信号后，再经过第一跨阻放大器310转换并放大为第一电压信号，大小为过载光功率k1(a+c)mW及灵敏度k1(b+c)mW。再经过第一运算放大器410，由于第一跨阻放大器310的输出端的正极与第一运算放大器410输入端的正极相接，第一跨阻放大器310的输出端的负极与第一运算放大器410输入端的负极相接，这样第一运算放大器410输入端接收到的是一个大小为过载光功率k1(a+c)mW及灵敏度k1(b+c)mW的信号，输出放大后的正向电压信号的大小就为过载光功率k1k2(a+c)mW及灵敏度k1k2(b+c)mW。
同时所述第二光信号经过第二光电探测芯片220转化为第二电流信号后，再经过第二跨阻放大器320转换并放大为第二电压信号，大小为过载光功率k1(a+c)mW及灵敏度k1(b+c)mW。再经过第二运算放大器420，而第二跨阻放大器320的输出端的正极与第二运算放大器420输入端的负极相接，第二跨阻放大器320的输出端的负极与第二运算放大器420输入端的正极相接，这样第二运算放大器420输入端接收到的是一个大小为过载光功率k1(-a+c)mW及灵敏度k1(-b+c)mW的信号，输出放大后的正向电压信号的大小就为过载光功率k1k2(-a+c)mW及灵敏度k1k2(-b+c)mW。
最后，因为第一运算放大器410输出端与限幅放大器430输入端的正极相接，所以限幅放大器430输入端的正极接收到一个大小为过载光功率k1k2(a+c)mW及灵敏度k1k2(b+c)mW的信号，第二运算放大器420输出端与限幅放大器430输入端的负极相接，所以限幅放大器430输入端的负极接收到一个大小为过载光功率k1k2(-a+c)mW及灵敏度k1k2(-b+c)mW的信号，则限幅放大器430输出端输出的限幅放大电压信号的大小就为：
过载光功率k3(k1k2(a+c)-k1k2(-a+c))＝2k1k2k3amW
灵敏度k3(k1k2(b+c)-k1k2(-b+c))＝2k1k2k3bmW
其中，k1为第一跨阻放大器310和第二跨阻放大器320的放大增益，k2为第一运算放大器410和第二运算放大器420的放大增益，k3为限幅放大器430的放大增益。k1、k2和k3均为常数，其大小与所使用的放大器的型号相关。
进一步地，本公开还提出一种光线路终端，包括如上所述的光模块。
使用如上所述的光模块后，在接收突发的光信号时将突发的光信号转化为近乎连续的模式，使得耦合后的光所需的跨阻放大器的动态范围变小。
这样就可以使高速光线路终端，特别是目前没有突发TIA可用的高速光线路终端，使用连续TIA接收转化为近乎连续信号的突发信号，降低了对TIA的要求，可以实现稳定的突发上行的接收。
进一步地，本公开还提出一种光网络单元，包括如上所述的光模块。
使用如上所述的光模块后，在接收突发的光信号时将突发的光信号转化为近乎连续的模式，使得耦合后的光所需的跨阻放大器的动态范围变小。
这样就可以使高速光网络单元，特别是目前没有突发TIA可用的高速光网络单元，使用连续TIA接收转化为近乎连续信号的突发光信号，降低了对TIA的要求，可以实现稳定的突发上行的接收。
通过上述的光模块，所述光线路终端能够在没有突发模式跨阻放大器的情况下应对突发接收检测，扩大了对接收光信号的动态范围要求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光模块，其特征在于，包括：激光芯片、第一耦合器、光电探测芯片和跨阻放大器，其中：
所述激光芯片前端发射前置光，后端发射后置光，其中，所述前置光经过调制处理后输出到光网络中，所述后置光为功率恒定的连续光；
所述第一耦合器将后置光作为背景光与所述光模块的突发上行光相耦合，并将耦合后的光输出；
所述光电探测芯片接收所述第一耦合器输出的光信号，将所述光信号转换成电流信号输出给所述跨阻放大器。
2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，还包括：
光放大器，接收所述激光芯片发射的后置光，并放大输出给第一耦合器。
3.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述光放大器为半导体光放大器。
4.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，还包括：
电吸收调制器，接收所述激光芯片发射的前置光，将所述前置光进行调制处理变为下行光后，通过光纤输入到光网络中。
5.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述第一耦合器耦合后置光和上行光的耦合比为1：1。
6.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述激光芯片发射后置光与前置光的出光比不超过3：7。
7.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，还包括第二耦合器，所述光电探测芯片包括第一光电探测芯片和第二光电探测芯片，所述跨阻放大器包括第一跨阻放大器和第二跨阻放大器，其中：
所述第二耦合器用于将所述第一耦合器输出的耦合后的光分成第一光信号和第二光信号作为输出；
所述第一光电探测芯片接收所述第二耦合器输出的第一光信号，并将所述第一光信号转化为第一电流信号输出；
所述第一跨阻放大器接收所述第一光电探测芯片输出的第一电信号，并将所述第一电流信号转化并放大为第一电压信号；
所述第二光电探测芯片接收所述第二耦合器输出的第二光信号，并将所述第二光信号转化为第二电流信号输出；
所述第二跨阻放大器接收所述第二光电探测芯片输出的第二电信号，并将所述第二电流信号转化并放大为第二电压信号。
8.根据权利要求7所述的光模块，其特征在于，还包括：
第一运算放大器，所述第一运算放大器的同方向输入与第一跨阻放大器的同方向输出连接，输出放大后的正向电压信号；
第二运算放大器，所述第二运算放大器的反方向输入与第二跨阻放大器的同方向输出连接，输出放大后的反向电压信号；
限幅放大器，所述限幅放大器将所述运算放大器输出的电压信号转化为限幅放大电压信号后输出。
9.一种光线路终端，其特征在于，包括如权利要求1-8中任意一项所述的光模块。
10.一种光网络单元，其特征在于，包括如权利要求1-8中任意一项所述的光模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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