CN110149148A - 通信系统和光收发器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信系统和光收发器设备。根据实施方式，接收光收发器确定从发送光收发器接收的信号的信号质量。与信号质量相关的信息被嵌入到反向信道数据中并且发送至发送光收发器。发送光收发器检测反向信道数据的存在，并且基于反向信道数据调整它的操作参数中的一个或多个。也存在其他实施方式。

Description

通信系统和光收发器设备

技术领域

本发明涉及通信系统和方法。

背景技术

随着对通信网络的高需求成为对联网装置的质量的高需求。在高速通信系统中，具有优化的光收发器可以有意义地改善性能。例如，可以在通信系统中调整和优化光发送器的各个参数，诸如，用于调制器和激光装置的偏压，以用于改善性能。

发明内容

根据实施方式，本发明提供了光收发器设备，该光收发器设备包括用于将输入光信号转换为输入电信号的光接收器。该设备包括数字信号处理器(DSP)，该DSP被配置为分析输入电信号并且生成表征输入电信号的第一信号质量值。该设备还包括前向纠错(FEC)模块，该FEC模块被配置为处理输入电信号并且生成表征与输入电信号相关联的误码率的第二信号质量值。该设备进一步包括被配置为至少基于第一信号质量值和第二信号质量值生成反向信道数据的控制模块。该控制模块进一步被配置为将反向信道数据插入至输出数据流。该设备还包括用于基于输出数据流生成输出光信号的光发送器。

根据另一实施方式，本发明提供了一种光通信系统。该系统包括光通信链路。该系统还包括第一收发器，该第一收发器包括第一控制模块和第一光发送器。该系统另外包括第二收发器，该第二收发器包括第二控制和第二光发送器。第二收发器被配置为将数据发送至第一收发器。第一收发器被配置为处理从第二收发器接收的第一数据流并且检测第一反向信道数据。如果第一收发器检测到第一反向信道数据，则第一收发器被配置为确定与第一数据流相关联的信号特性信息并且将该信号特性信息插入到第二反向信道数据中。第二反向信道数据被嵌入第二数据流中。第二收发器被配置为处理从第一收发器接收到的第二数据流。第二收发器被配置为检测第二反向信道数据并且基于信号特性信息调整一个或多个操作参数。

附图说明

图1是示出了根据本发明的实施方式的光收发器的简图。

图2是示出了根据本发明的实施方式的编码数据帧的简图。

图3是示出了根据本发明的实施方式的具有反向信道数据控制的光发送器的简图。

图4是示出了根据本发明的实施方式的光接收器400的简图。

具体实施方式

本发明涉及通信系统和方法。根据实施方式，接收光收发器确定从发送光、与信号质量相关的信息被嵌入到反向信道数据中并且发送至发送光收发器。发送光收发器检测反向信道数据的存在并且基于反向信道数据调整它的操作参数中的一个或多个。也存在其他实施方式。

大部分光通信模块具有某种形式的内部控制系统以便保持光学性能。例如，一般的控制参数包括光功率、波长、消光比等。然而，在大多数情况下，用于发送光模块的常规技术保持这些参数依赖代用测量(proxy measurements)。例如，可以通过抽头(tap)和光电二极管测量发送光功率，或者可以从调制器偏压推断消光比。令人遗憾地，这些常规技术是不合适的。难度在于这些代用测量不能表示实际发送特性，并且因此发送光程不是优化的。

在光通信中，另一个难度在于在光线系统(包括光纤、放大器、多路复用器/解复用器、色散补偿等)中，最佳的传输参数可能不是恒定的并且实际上由于线路设备或条件而改变。这会致使发送参数甚至更远离最佳的。

应理解的是，本发明的实施方式提供了超过现有技术的优势。更具体地，本发明的实施方式利用光接收路径上的数字信号处理器(DSP)和前向纠错(FEC)模块。模块本身内包括光接收路径上的DSP和FEC允许接收端确定输入光信号的质量。另外，本发明的实施方式提供了包括将额外的数字信息放置在发送数据旁边(“反向信道”)的能力的高级FEC编码，从而允许接收端模块告知发送端模块电信号完整性。

与DSP/FEC和高级FEC编码一起工作，可以实现闭合回路系统，其中可以将发送端的光参数调谐为最佳地反映当前的光条件。调谐参数包括但不限于补偿从发送光学模块通过至接收光学模块的光学设备的老化或环境影响。

图1是示出了根据本发明的实施方式的光收发器的简图。这个示图仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域中的普通技术人员将认识到很多变化、替换以及修改。如图1所示，收发器100包括光接收器101，该光接收器与光通信链路连接并且被配置为接收和处理光通信信号。在各种实施方式中，光接收器包括各个组件，诸如，滤波器、跨阻抗放大器(TIA)、光纤连接器等。光接收器101可以额外包括光发送装置，诸如，光放大器、光衰减器、色散补偿(静态的或者可调谐的)、光纤长度、接线板和转接电缆、光多路复用器、光解复用器等。在其他性质之中，光接收器101将接收到的光信号转换为可以在随后处理的电信号。电信号然后通过各个数字信号处理器(DSP)进行处理。例如，专用集成电路(ASIC)110包括FEC解码器111和反向信道检测器112。

应理解的是，一旦从输入数据流检测到反向信道数据，确定的是接收到的光信号的来源与用于调整它的操作参数的反向信道数据的使用兼容的。在各种实施方式中，反向信道数据的使用是两个或更多个收发器使用的预定通信协议的一部分。如果未从接收到的光信号检测到反向信道数据，接收到的光信号的来源有能力利用反向信道数据，并且执行要嵌入反向信道数据中的信号测量将是不必要的甚至是浪费的。

ASIC 110还可以包括用于测量和分析所接收的信号(即，从接收到的光信号转换的电信号)的信号完整性的模块。可以在各个信号测量中评估信号完整性，信号测量包括但不限于整体信噪比(SNR)、单个PAM-4级SNR、整体PAM-4直方图、光眼图等。除了信号完整性之外，也可以评估与输入信号相关联的数据误码率。例如，FEC解码器111在执行误差恢复之前确定误码率。更具体地，FEC解码器111具有在FEC误差恢复之前计算误码率(BER)的能力。根据实现过程，可以几个不同的方式计算BER，诸如，总体BER、单道BER、单个PAM-4级BER(即，MSB BER、LSB BER)、位转移误差矩阵(例如，在PAM-4中，用于0->1、0->2、0->3的BER以及所有其他级转移)、和/或其他方式。

反向信道检测模块112被配置为检测接收到的信号是否包括可以用于优化数据传输性能的反向信道数据。例如，反向信道数据通过所接收的信号的来源(例如，另一个光收发器或通信设备)嵌入。在各种实施方式中，反向信道检测模块112被耦接至控制模块115。控制模块115被配置为基于反向信道数据调整收发器100的各个操作和传输参数。例如，操作参数包括以下描述的温度、偏压设置、多路复用器设置、波长等。应理解的是，反向信道检测模块112可以实现为(例如，两个光收发器之间)的闭合反馈回路的一部分。即，数据在光通信链路上被传输到第二收发器。第二收发器包括测量信号质量(例如，SNR)和数据质量(例如，BER)的DSP和FEC模块，并且测量结果被嵌入传输回到收发器100的反向信道数据中。反向信道检测模块112检测反向信道数据的存在，通过控制模块115使用反向信道数据调整收发器100的操作参数。根据操作条件和具体的实现过程，可以重复用于改变参数的处理，接收反映与所改变的参数相关联的信号质量的反向信道数据，并且再次改变参数。

应理解的是，如以下所解释的，反向信道数据不仅可以用于调整用于输出数据的发送器参数，而且可以调整用于处理输入数据的接收器参数。例如，反向信道数据可以用于调整如何处理输入光信号。

在各种实施方式中，控制模块115存储可以在制造收发器100时确定的近端参数。控制模块115分析所接收的反映数据传输的真实条件的反向信道数据，并且操作参数的调整可以基于现有的近端参数修改现有的参数。在各种实施方式中，操作参数的调整包括同步和使用现有的近端数据和反映用于真实数据通信的条件的反向信道数据。

如所示，收发器100包括FEC编码器114和反向信道插入模块113。例如，FEC编码器114和反向信道插入模块113实现为ASIC 110的一部分。应当理解，尽管FEC解码器111和FEC编码器114在图1中示出为两个功能块，但是FEC解码器111和FEC编码器114可以实现为单个FEC模块。类似地，反向信道检测模块112和反向信道插入模块113可以实现为单个反向信道模块。

FEC编码器114被配置为执行用于要通过光发送器102发送的电信号的FEC编码。例如，FEC编码器114被配置为执行不同类型的误差校正。反向信道插入模块113被配置为将反向信道数据插入到要被发送的输出数据流中。如上所述，反向信道数据包括有关接收数据的质量的信息，该信息涉及将数据发送至收发器100的发送收发器的传输参数和设置。应理解的是，反向信道插入模块能够高保真地插入和/或检测一起的额外数字信息并且不干涉传输数据。例如，预定义的输出数据流片段用于嵌入反向信道数据。

在图1中，闭合回路技术利用光发送器和光接收器用于光通信。应当理解，使用用于优化数据通信的反向信道的闭合回路技术也可以用在其他类型的通信链路中，诸如，利用铜线和/或其他介质的现有的通信线路。

图2是示出了根据本发明的实施方式的编码数据帧的简图。这个示图仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域中的普通技术人员将认识到很多变化、替换以及修改。如图2所示，示例性的FEC编码帧可以分成最高有效位(MSB)部分和最低有效位(LSB)部分。MSB部分和LSB部分都包括它们自身的相应的报头。例如，报头的长度是128位。然后报头被再分为对准标记区域(0-63位)、“mfas”区域(64-71位)、头上区域(72-120位)和“ecc”区域(121-127位)。应理解的是，头上区域存储包括与接收信号的(例如，测量和/或计算的)质量相关的信息的反向信道数据。例如，不具备利用反向信道数据的光收发器可以简单地忽略和跳过反向信道区域。

现在返回参考图1。发出的电信号被转换为光信号并且通过光发送器102发送。例如，光发送器102包括一个或多个激光装置(例如，具有冷却的激光二极管)、一个或多个调制器。另外，光发送器102可包括多路复用和光控制块。光发送器102的实现和操作参数通常对输出数据流的信号质量和数据传输性能具有显著影响。通过调整光发送器102的操作参数和设置，可以改善和优化信号质量和数据传输性能。尽管可以在工厂初期优化操作参数和设置，但是基于实际的信号测量能够调整这些参数和设置更好，因为实际的信号测量反映真实的操作条件(例如，光纤线路、干扰作用、温度等)。

根据各种实施方式，收发器100的控制模块115处理所接收的反向信道数据，该反向信道数据包括如通过从收发器100接收数据的第二收发器所测量的数据质量的实际测量。然后控制模块115相应地确定光参数和设置。例如，操作参数和设置可包括但不限于以下：

·激光器温度设置(或者如果直接控制的TEC电流)

·激光器偏压电流

·调制器偏压设置(例如，如果热光控制的MZM的加热功率设置)

·多路复用器偏置偏压设置(例如，如果热光控制的DLI的加热功率设置)

例如，反向信道数据提供可用于调整激光装置的参数的信号质量信息。更具体地，用于光学数据发送的激光装置可以使用温度和偏压控制参数进行控制。图3是示出了根据本发明的实施方式的具有反向信道数据控制的光发送器的简图。这个示图仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域中的普通技术人员将认识到很多变化、替换以及修改。如图3所示，基于输出数据生成驱动信号的驱动器301可以通过电压摆动参数来调整。类似地，调制器302和303可以使用诸如RF振幅、DC偏压和/或其他设置调整。例如，调制器302和303可以使用马赫-增德尔调制器(MZM)实现。用于光发送器300的光源包括激光二极管305和306。例如，可以通过改变激光器偏压和/或激光器温度调整激光二极管。类似地，用作光多路复用器的延迟线干涉仪(DLI)304可以利用偏置偏压调整。应理解的是，光发送器300的控制模块320可以使用反向信道数据确定调整(以上所列举的)哪些参数。例如，控制模块320具有为诸如偏压控制、温度控制、摆动电压等上述参数提供控制信号的控制接口。

根据实施方式，反向信道数据用作光接收器的一部分。例如，如图1所示，光接收器101是收发器100的一部分，并且光接收器101的各个操作参数可以基于反向信道数据来调整。

图4是示出了根据本发明的实施方式的光接收器400的简图。这个示图仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域中的普通技术人员将认识到很多变化、替换以及修改。光接收器400包括偏振光束分离器(PBS)405，偏振光束分离器(PBS)405分离用于处理的所接收的光信号。然后所接收的光信号被光多路复用器403和404处理。例如，多路复用器403和404包括可以使用偏压设置调整的DLI装置。至于热光控制的DLI，加热功率设置可以用于调整DLI操作。多路复用器403和404耦接至光检测器401和402，它们的电流增益设置可以调整。例如，可以放大光电检测器，并且因此需要增益设置。例如，可以通过改变它的光电流增益调整雪崩光电二极管。光电检测器401和402的输出端耦接至TIA 406，该TIA406基于接收到的光信号生成电信号。根据实现过程，可以基于反向信道数据调整诸如振幅、增益和/或带宽的各个参数。如上所述，控制模块420可以用于处理所接收的反向信道数据并且生成调整这些参数的控制信号。为了利用反向信道数据并且生成用于改变操作参数的控制信号，可以使用控制模块。例如，上述控制模块420可以实现为计算机引擎块的一部分、或者作为光收发器ASIC的一部分的微计算机。例如为了使用收发器100作为实例，控制模块配置有将数字信号插入传输的光学数据旁边的反向信道插入模块113，该数据描述了所接收的光信号的完整性(如通过DSP和/或FEC模块测量的)。另外，控制模块能够使用反向信道检测器112检测嵌入所接收的信号中的反向信道数据。一旦检测到，控制模块处理反向信道数据并且相应地生成控制信号。控制信号用于调整收发器(例如，光接收器、光发送器等)的各个操作参数。另外，光收发器的操作条件可以改变(例如，干扰作用、光线质量、温度变化等)。通过使用反向信道数据，控制模块相应地调整和优化收发器性能。因为反向信道数据在两个或更多个收发器之间共享，所以两个收发器形成优化通信链路上的数据传输的反馈回路。

在示例性实施方式中，反向信道数据用于调整其他参数之中的发送波长。在DWDM系统中，例如，发送波长是重要的参数。在某些实现过程中，可以经由认真地调谐热调谐激光器的温度来控制发送波长。然而，实际频率可能不匹配测量的激光器的温度。更具体地，相同激光装置的温度和波长会随着时间的过去而改变，作为激光装置老化过程的一部分。因此，一般由于老化，激光装置的热梯度在寿命起初之时的校准随着延长的时间段的过去变得不准确。此外，根据激光装置的封装和/或放置，因为激光装置生成调整实际操作条件下的激光装置的热量。例如，热梯度涉及自动加热或者环境温度干扰。

在各种实施方式中，控制模块被放置在数据传输路径上。例如，光的波长使用法布里-珀罗干涉仪(或者标准具)类型的装置测量。应理解的是，即使频率和/或波长的小变化也可以对传输数据的信号完整性具有显著影响。例如，在本发明的各种实施方式中，所接收的信号的特性(例如，SNR、BER、眼级参数等)从接收的光收发器被传送回到发送光收发器。然后发送光收发器调整它的一个或多个激光器的频率并且等待是否已经改善、或者信号是否变得更差的确认，从而形成用于优化信号传输的闭合反馈回路。发送光收发器可以尝试许多频率(在正确的方向上)以获得一个或多个激光器的最佳频率。

以下是用于调整根据本发明的实施方式的光收发器的简化处理，该处理包括以下步骤：

1.在接收器中，测量对应于发送器温度设置1(“t1”)和发送器温度设置2(“t2”)处的条件的误码率BER(“b11”)，并且接收器使用预定义的反向信道将数据传输回到发送模块；

2.在发送模块中，利用步骤t1以大约等于0.5GHz的量修改传输参数；

3.在接收模块中，测量BER(“b21”)并且使用反向信道传输回到发送模块；

4.在发送模块中，利用步骤t2以大约等于0.5GHz的量修改传输参数；

5.在接收模块中，测量BER(“b12”)并且使用反向信道传输回到发送模块；

6.在发送模块中，利用以下等式计算值d1和d2(它们改变为温度t1和t2)：

a.d1＝g*(1-b21/b11)

b.d2＝g*(1-b12/b11)

7.在发送模块中，调整t1->t1+d1和t2->t2+d2；以及

8.根据需要从步骤1重复，直到在新的t1和t2设置获得可接受的BER。

应注意，以改变的顺序执行步骤1-步骤3和步骤4-步骤5以从该系统移除不相关的单调性效果。

应理解的是，反向信道数据还可以用于提供调制器偏压控制。出其他事项外，调制器的偏置点需要保持在合适的值以提供优化的消光比。在一些情况下，最佳偏置点不是积分而是非积分点。经常使用固定的偏置点，这基于最坏情况下的线路系统条件。在各种实施方式中，所接收的信号的特性(包括SNR、BER、眼级参数等)通过嵌入到反向信道数据中并且至发送模块的接收模块测量。发送模块基于反向信道数据调整调制器偏置点，并且等待来自接收模块的(嵌入在反向信道数据中的)指示作为用于调整的下一个重复的反馈。以此方式，发送模块可以连续寻求最佳的调制器偏置点直到获得预定的阈值性能水平。

闭合反馈回路中的反向信道数据还可以用于调整多路复用器偏置设置。例如，在基于硅光子的多波长模块设计中，延迟线干涉仪(DLI)可以用于将两个光波长多路复用到相同的传输光纤上。为了优化性能，需要认真控制DLI的中心频率以便最佳地通过或分离这两个波长。

在示例性实施方式中，从发送模块所接收的信号的特性(例如，SNR、BER、眼级参数等)通过将信号特性信息插入到反向信道数据中的接收模块测量。然后反向信道数据与其他数据一起被传输到发送模块。反向信道数据然后被发送模块处理。发送模块基于反向信道数据中提供的信号特性调整DLI中心频率，并且利用新的DLI偏置设置将数据发送至接收模块，并且等待来自接收模块的信号特性信息。发送模块与接收模块之间的反馈回路操作多个重复直到满足某些预定条件。例如，预定条件可包括预定的重复次数、调整/校准时间的总量、和/或预定信号特性。

在某些实施方式中，使用闭合回路反向信道数据调整DLI的近端调谐(例如，结合偏置设置)。

可以使用反向信道数据调整光收发器的额外参数和设置。例如，所接收的信号的特性(例如，SNR、BER、眼级参数等)通过接收模块测量并且插入反向信道数据作为闭合反馈回路的一部分。然后发送模块使用反向信道数据调整它的操作参数和设置，它们包括但不限于以下各项：

调制器摆动(RF振幅)；

激光器偏压(即，自动功率控制)；

PAM-4级优化(在这种情况下，通过接收器计算的直方图可用于优化级别振幅设置)；

PAM-4MSB/LSB通道偏斜；和/或

共享相同光纤的一个或多个激光器间的相对发送功率。

例如，通过调整一个或多个激光器间的相对发送功率，可以调整信道群内的光学SNR(OSNR)以便优化总体BER。例如，在2信道100G系统中，可以将发射功率和OSNR优化为100G BER并且仍然保持总传输光功率(CH1+CH2功率)不变。

在某些实施方式中，除了使用反向信道将数据从接收模块传输至发送模块之外，SNR和BER可用于优化近端参数，该参数包括但不限于：

TIA输出振幅、增益或者带宽控制；

光电二极管增益(例如，在APD中)；和/或

接收器解多路复用器中心频率控制(即，用于硅光子DLI多路分解器)

在各种实现过程中，可以调整光收发器的两个或更多个参数，并且当这些做时，优先权或偏好可以给予诸如在近端RX DLI调谐上调谐的远端TX波长的参数。至于某些参数，诸如远端传输MSB/LSB和远PAM 4摆动设置，对于同时执行最优化可能是有利的。

应理解的是，不同类型的算法可以实现为利用包括反向信道数据的反馈机制。例如，发送收发器基于由接收收发器提供的测量的信号特性保持调整它的操作参数直到获得性能的阈值水平。在某些实现过程中，光收发器连续执行质量并且只要它们操作。也存在其他实现过程。

Claims (18)

1.一种光收发器设备，包括：

光接收器，用于将输入光信号转换为输入电信号；

数字信号处理器DSP，被配置为分析所述输入电信号并且生成表征所述输入电信号的第一信号质量值；

前向纠错FEC模块，被配置为处理所述输入电信号并且生成表征与所述输入电信号相关联的误码率的第二信号质量值；

控制模块，被配置为至少基于所述第一信号质量值和所述第二信号质量值生成反向信道数据，所述控制模块进一步被配置为将所述反向信道数据插入输出数据流；以及

光发送器，用于基于所述输出数据流生成输出光信号。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述FEC模块被配置为解码所述输入电信号。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述FEC模块被配置为将所述反向信道数据与所述输出数据流的一部分封装到FEC帧中。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一信号质量值包括信噪比。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一信号质量值与直方图相关联。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一信号质量值包括光眼图。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述误码率包括整体误码率(BER)。

8.根据权利要求1所述的设备，所述第二信号质量值与位转移误差矩阵相关联。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光发送器包括激光装置。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述控制模块被配置为基于所接收的嵌入在所述输入电信号中的反向信道数据改变所述激光装置的一个或多个设置。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述一个或多个设置包括激光波长。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光发送器包括调制器。

13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述控制模块被配置为基于所接收的嵌入在所述输入电信号中的反向信道数据改变调制器的一个或多个设置。

14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光发送器包括多路复用器，所述控制模块被配置为基于所接收的嵌入在所述输入电信号中的反向信道数据改变所述多路复用器的一个或多个设置。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述多路复用器包括DLI，所述DLI被配置为基于反向信道数据和/或近端数据以调谐参数操作。

16.一种通信系统，所述系统包括：

通信链路；

第一收发器，包括第一控制模块和第一发送器；

第二收发器包括第二控制模块和第二发送器，所述第二收发器被配置为将数据发送至所述第一收发器；

其中：

所述第一收发器被配置为处理从所述第二收发器接收到的第一数据流并且检测第一反向信道数据；

如果所述第一收发器检测到所述第一反向信道数据，所述第一收发器被配置为确定与所述第一数据流相关联的信号特性信息并且将所述信号特性信息插入到第二反向信道数据中，所述第二反向信道数据被嵌入第二数据流中；

所述第二收发器被配置为处理从所述第一收发器接收到的所述第二数据流；以及

所述第二收发器被配置为检测所述第二反向信道数据，并且基于所述信号特性信息调整一个或多个操作参数。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，光发送器包括：

激光装置；

调制器；

多路复用器；

其中，所述操作参数用于调整所述激光装置、所述调制器和所述多路复用器。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第一收发器进一步包括用于确定与所述第一数据流相关联的BER的FEC模块。