CN112311463B

CN112311463B - 一种光收发电路及光收发装置

Info

Publication number: CN112311463B
Application number: CN202011173826.XA
Authority: CN
Inventors: 高苏芳; 朱骏; 牛士敏; 陈龙飞; 徐鑫; 郑东飞; 王云
Original assignee: Xian Microelectronics Technology Institute
Current assignee: Xian Microelectronics Technology Institute
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2040-10-28
Also published as: CN112311463A

Abstract

本发明属于混合集成光收发设计领域，公开了一种光收发电路及光收发装置，光收发电路包括驱动器、激光器阵列、检测器阵列、TIA放大器、MT‑FA跳纤和控制电路；驱动器依次连接激光器阵列、MT‑FA跳纤、检测器阵列和TIA放大器，MT‑FA跳纤上设置光接收端和光发射端，控制电路与驱动器和放大器均连接；光收发装置包括光收发电路、高速差分线以及由下至上依次连接的底板、基板、边框和盖板。采用的器件结构简单，能够较好地的兼容现代微电子工艺与混合集成工艺，器件及组装成本低，体积小，能够有效替代现有电传输方式并应用于雷达、航天航空系统中的宽带数据和图像传输，继而解决系统中信号容量大、数据传输损耗大等瓶颈问题。

Description

一种光收发电路及光收发装置

技术领域

本发明属于混合集成光收发设计领域，涉及一种光收发电路及光收发装置。

背景技术

随着信息社会的进一步发展和大数据时代的到来，传统通信和互连技术越来越不能满足数据传输与处理环节对于传输容量、通信速度、信号延迟、传输距离与电能消耗等方面的要求。混合集成光电技术以前所未有的技术优越性，为上述问题的圆满解决提供了理想的途径，正在迅速发展，并将逐渐成为构建现代信息社会关键硬件基础的主体技术。大数据、云计算等热点产业的快速发展，迫切需要大量高性价比、高集成度、超高速的光电器件/电路进行硬件支撑。

但是，目前市场上应用的高速光电器件/电路，与现代微电子工艺与混合集成工艺不兼容，导致其价格高、体积大、不易于集成，难以满足日益增长的速率传输要求，成为了高速率数据传输交换的瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中现有高速光电器件/电路，与现代微电子工艺与混合集成工艺不兼容，导致其价格高、体积大、不易于集成的缺点，提供一种光收发电路及光收发装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一方面，一种光收发电路，包括驱动器、激光器阵列、检测器阵列、 TIA放大器、MT-FA跳纤和控制电路；驱动器依次连接激光器阵列、MT-FA跳纤、检测器阵列和TIA放大器，MT-FA跳纤上设置光接收端和光发射端，控制电路与驱动器和放大器均连接；

控制电路用于发送第一寄存器变量至驱动器；驱动器用于接收第一寄存器变量和第一电压信号，根据第一寄存器变量将第一电压信号转换为第一电流信号并发送至激光器阵列；激光器阵列用于将第一电流信号转换为第一光信号并发送至 MT-FA跳纤；MT-FA跳纤用于通过光发射端输出第一光信号，通过光接收端接收第二光信号并发送至检测器阵列；检测器阵列用于将第二光信号转换为第二电流信号并发送至TIA放大器；TIA放大器用于将第二电流信号转换为第二电压信号并输出。

本发明光收发电路进一步的改进在于：

所述控制电路为MCU。

还包括电压基准源、第一电阻和第二电阻；

第一电阻的第一端与第二电阻的第一端和MCU内部的比较器的第一输入接口均连接，第一电阻的第二端和电压基准源的电源输入端均用于连接电源；电压基准源的基准电压输出端与MCU内部的比较器的第二输入接口连接，MCU内部的比较器根据第一输入接口和第二输入接口的电压监测电源电压。

还包括第三电阻和第四电阻；

第三电阻的第一端接地，第二端与MCU的输出接口以及驱动器的热监控端口均连接，MCU用于监测第三电阻的电压，并根据第三电阻的电压获取驱动器和激光器阵列的温度；

第四电阻的第一端接地，第二端与TIA放大器的RSSI端口以及MCU的A/D 转换器的输入端口均连接，MCU用于监测第四电阻的电压，并根据第四电阻的电压获取TIA放大器的温度和第二光信号的功率。

所述MCU上设置用于连接上位机的通信接口；MCU还用于将监测的电源电压、驱动器的温度、激光器阵列的温度、TIA放大器的温度和第二光信号的功率发送至上位机。

还包括AGC放大器；AGC放大器与TIA放大器连接，所述控制电路还用于发送第二寄存器变量至AGC放大器，AGC放大器用于接收TIA放大器输出的第二电压信号，并根据第二寄存器变量放大第二电压信号后输出。

本发明另一方面，一种光收发装置，包括上述的光收发电路、高速差分线以及由下至上依次连接的底板、基板、边框和盖板；

底板的上表面上设置散热台，基板上开设用于容纳散热台的直通腔；边框侧壁上设置密封框，密封框与边框内部连通；光收发电路中的驱动器、激光器阵列、检测器阵列、TIA放大器和AGC放大器均设置在散热台上，光收发电路中的 MT-FA跳纤设置在密封框内部，基板远离底板的一侧上开设的开放腔，光收发电路中的其他元器件及高速差分线均设置在开放腔内，高速差分线与驱动器和AGC 放大器均连接；基板侧壁上设置若干外引脚，若干外引脚均与高速差分线连接。

本发明光收发装置进一步的改进在于：

所述底板、基板和边框采用烧结工艺一体化成型，基板采用HTCC工艺多层布线。

所述底板采用钨铜制作；边框和盖板采用可伐材料；所述散热台与底板一体成型。

所述密封框与FA-MT跳纤焊接连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明光收发电路，通过驱动器、激光器阵列、MT-FA跳纤和控制电路组成光发射电路，实现将高速数字电信号转换为光信号输出，完成电到光的转换并输出；通过检测器阵列、TIA放大器、MT-FA跳纤和控制电路组成光接收电路，将接收到的光信号转换成高速数字电信号输出，实现光到电转换并输出，实现光电转换传输，其采用的器件结构简单，能够较好地的兼容现代微电子工艺与混合集成工艺，器件及组装成本低，体积小，能够有效替代现有电传输并应用于雷达、航天航空系统中的宽带数据和图像传输，继而解决系统中信号容量大、数据传输损耗大等瓶颈问题。

进一步的，设置AGC放大器，AGC放大器用于接收TIA放大器输出的第二电压信号，并根据第二寄存器变量放大第二电压信号，实现不同幅度电平的输出。

进一步的，设置电压基准源、第一电阻和第二电阻，第一电阻的第一端与第二电阻的第一端和MCU内部的比较器的第一输入接口均连接，第一电阻的第二端和电压基准源的电源输入端均用于连接电源；电压基准源的基准电压输出端与 MCU内部的比较器的第二输入接口连接，MCU内部的比较器根据第一输入接口和第二输入接口的电压，实现收发一体电路中的电压的监测。

进一步的，设置第三电阻和第四电阻，第三电阻的第一端接地，第二端与 MCU的输出接口以及驱动器的热监控端口均连接，实现对驱动器和激光器阵列的温度的监测，第四电阻的第一端接地，第二端与TIA放大器的RSSI端口以及 MCU的A/D转换器的输入端口均连接，通过监测第四电阻的电压，根据第四电阻的电压获取TIA放大器的温度和第二光信号的功率。

本发明光收发装置，通过设置由下至上依次连接的底板、基板、边框和盖板，形成光收发电路的保护壳体，起到一定的保护作用，同时，在底板的上表面上设置散热台，将光收发电路中的驱动器、激光器阵列、检测器阵列、TIA放大器和AGC放大器均设置在散热台上，可提高元器件的散热能力，从而提高光收发电路在高温下工作的可靠性，将MT-FA跳纤设置在密封框内部，通过高速差分线及外引脚连接，保证输入输出信号的高速传输性能。

进一步的，底板、基板和边框采用烧结工艺一体化成型，底板、基板和边框采用烧结工艺实现基板壳体一体化，减小了体积和重量，同时，基板和边框一体化设计，减少了基板和边框互联，提高了光收发装置的可靠性。

进一步的，在封装设计上考虑基板与边框热膨胀系数和热导率等方面热应力匹配，底板采用钨铜，便于光电器件散热，提高光电器件的散热性能；边框和盖板采用可伐材料，成本低，便于密封；散热台与底板一体成型，可提高装置的散热，从而提高光收发装置在高温下工作的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的光收发电路结构框图；

图2为本发明实施例的光收发电路拓扑图；

图3为本发明实施例的光收发装置结构示意图。

其中：1-底板；2-散热台；3-外引脚；4-基板；5-直通腔；6-开放腔；7-边框； 8-密封框；9-盖板。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和2，本发明一实施例中，提供一种光收发电路，包括驱动器、激光器阵列、检测器阵列、TIA放大器、MT-FA跳纤和控制电路；驱动器依次连接激光器阵列、MT-FA跳纤、检测器阵列和TIA放大器，MT-FA跳纤上设置光接收端和光发射端，控制电路与驱动器和放大器均连接。

其中，控制电路用于发送第一寄存器变量至驱动器；驱动器用于接收第一寄存器变量和第一电压信号，根据第一寄存器变量将第一电压信号转换为第一电流信号并发送至激光器阵列；激光器阵列用于将第一电流信号转换为第一光信号并发送至MT-FA跳纤；MT-FA跳纤用于通过光发射端输出第一光信号，通过光接收端接收第二光信号并发送至检测器阵列；检测器阵列用于将第二光信号转换为第二电流信号并发送至TIA放大器；TIA放大器用于将第二电流信号转换为第二电压信号并输出。

具体的，本实施例中，控制电路采用MCU(微控制器)实现，采用I²C接口(MCU的SCL1脚和SDA1脚)与驱动器(Driver)、放大器(Amplifier)的SCL 脚和SDA脚通信，通过MCU的DSCL脚和DSDA脚编写相应程序，控制驱动器和TIA放大器中相应寄存器的变量，实现光收发时的光调制、光解调、高速信号处理、信号放大和差分阻抗修正等方面控制，从而实现输出平均光功率、消光比、交叉点和抖动等参数的控制。

具体的，驱动器、激光器阵列、MT-FA跳纤和控制电路组成光发射电路，光发射电路可将高速数字电信号转换为光信号输出，完成电到光的转换并输出。当输入高速差分电信号，即第一电压信号时，MCU通过I2C接口(Driver的SCL 脚、SDA脚)与驱动器通信，控制驱动器相应的寄存器变量实现端口阻抗匹配、输入信号整形、均衡放大以及信号处理等功能，将电压信号变换为电流信号，电流信号直接调制到激光器阵列(VCSEL)转换为光信号，与MT-FA跳纤的FA阵列耦合后通过MT-FA跳纤的MT连接器输出。

具体的，检测器阵列、TIA放大器、MT-FA跳纤和控制电路组成光接收电路，光接收电路将接收到的光信号转换成高速数字电信号输出，实现光到电转换并输出。光信号由MT-FA跳纤的MT连接器输入到FA光纤阵列，与检测器阵列(PD) 耦合，PD直接解调出微弱的电流信号，经跨阻放大器(TIA)后转换为弱电压信号，MCU通过I²C接口与TIA放大器的SCL脚和SDA脚通信，根据接收信号变形程度控制相关寄存器变量实现信号整形，实现电信号波动不受光信号波动的影响。

优选的，该光收发电路还包括AGC放大器；AGC放大器与TIA放大器连接，所述控制电路还用于发送第二寄存器变量至AGC放大器，AGC放大器用于接收 TIA放大器输出的第二电压信号，并根据第二寄存器变量放大第二电压信号后输出。AGC放大器的设置，使得光收发电路还具有输出电信号幅度可调功能，MCU 通过I²C接口控制放大器通道配置寄存器中的变量，可改变AGC放大器的控制范围，从而实现不同幅度电平的输出，本实施例中输出电压的控制范围为 330mV～1200mV。

优选的，该光收发电路还包括电压基准源、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻。

其中，电压基准源、第一电阻和第二电阻组成第一监测电路，实现收发一体电路中的电压的监测，具体的，第一电阻的第一端与第二电阻的第一端和MCU 内部的比较器的第一输入接口均连接，第一电阻的第二端和电压基准源的电源输入端均用于连接电源；电压基准源的基准电压输出端与MCU内部的比较器的第二输入接口连接，MCU内部的比较器根据第一输入接口和第二输入接口的电压，将第一输入接口和第二输入接口的电压进行比较，进而实现监测电源电压，在电路工作时监测电源电压是否正常，具体的，电源电压经第一电阻和第二电阻分压，在第一电阻的第二端(第二电阻的第一端)产生≥1.6V电压，在MCU内与基准电压1.8V行比较，MCU从比较的结果实现电源电压的监测。

第三电阻和第四电阻组成第二监测电路，实现光器件工作温度和电路工作电压等的监测，具体的，第三电阻的第一端接地，第二端与MCU的输出接口以及驱动器的热监控端口均连接，电路工作时MCU可得到器件的偏置电流，通过监测第三电阻上的电压，得到电路工作时的温度，从而实现对电路温度的监测，因此，通过MCU监测第三电阻的电压，并根据第三电阻的电压获取驱动器和激光器阵列的温度。第四电阻的第一端接地，第二端与TIA放大器的RSSI端口以及 MCU的A/D转换器的输入端口均连接，其中，RSSI脚是接收通道解调电流的总和，可以通过监测第四电阻上的电压实现监测接收通道光功率的强度，因此，通过MCU监测第四电阻的电压，并根据第四电阻的电压获取TIA放大器的温度和第二光信号的功率。

优选的，该光收发电路的MCU上设置用于连接上位机的通信接口，可以为 I²C接口；通过MCU将监测的电源电压、驱动器的温度、激光器阵列的温度、 TIA放大器的温度和第二光信号的功率发送至上位机，从上位机处直接了解光收发电路的实时情况。

其中，图2所示电路中，电容C1和电容C2是滤波电容，电容C3是旁路电容，电容C5、电容C6、电容C7和电容C8是驱动器的电源滤波电容；电容C9、电容C10、电容C11和电容C12是放大器的电源滤波电容。

综上所述，本发明光收发电路，通过驱动器、激光器阵列、MT-FA跳纤和控制电路组成光发射电路，实现将高速数字电信号转换为光信号输出，完成电到光的转换并输出；通过检测器阵列、TIA放大器、MT-FA跳纤和控制电路组成光接收电路，将接收到的光信号转换成高速数字电信号输出，实现光到电转换并输出，实现光电转换传输，其采用的器件结构简单，能够较好地的兼容现代微电子工艺与混合集成工艺，器件及组装成本低，体积小，能够有效替代现有电传输并应用于雷达、航天航空系统中的宽带数据和图像传输，继而解决系统中信号容量大、数据传输损耗大等瓶颈问题。

参见图3，本发明再一实施例中，提供一种光收发装置，包括上述的光收发电路、高速差分线以及由下至上依次连接的底板1、基板4、边框7和盖板9。

底板1的上表面上设置散热台2，基板4上开设用于容纳散热台2的直通腔 5；边框7侧壁上设置密封框8，密封框8与边框7内部连通；光收发电路中的驱动器、激光器阵列、检测器阵列、TIA放大器和AGC放大器均设置在散热台2 上，光收发电路中的MT-FA跳纤设置在密封框8内部，基板4远离底板1的一侧上开设的开放腔6 ，光收发电路中的其他元器件及高速差分线均设置在开放腔6 内，高速差分线与驱动器和AGC放大器均连接；基板4侧壁上设置若干外引脚3，若干外引脚3均与高速差分线连接，外引脚3与壳体间气密密封和高速信号的传输，即保证输入输出信号的高速传输性能，同时满足绝缘电性能要求。

其中，光收发电路单个通道传输速率高达12Gbps，基板4采用HTCC(高温共烧陶瓷)工艺多层布线，高速的外引脚3设计在基板4底部，基于HTCC工艺，光收发装置具备紧凑的结构设计，减小了体积和重量，所有外引线都采用走线到外引脚焊盘，通过外引脚3进行连接，在节省组装工序同时，提高了引出端的可靠性。

优选的，底板1、基板4和边框7采用烧结工艺一体化成型，底板1、基板4 和边框7采用烧结工艺实现基板壳体一体化，减小了体积和重量，同时，基板4 和边框7一体化设计，减少了基板4和边框7互联，提高了光收发装置的可靠性。

优选的，在封装设计上考虑基板1与边框7热膨胀系数和热导率等方面热应力匹配，底板1采用钨铜，便于光电器件散热，提高光电器件的散热性能；边框 7和盖板9采用可伐材料，成本低，便于密封；密封框8与FA-MT跳纤采用局部焊接实现光纤与密封框8和边框7的密封。

本发明光收发装置，通过设置由下至上依次连接的底板1、基板4、边框7 和盖板9，形成光收发电路的保护壳体，起到一定的保护作用，同时，在底板1 的上表面上设置散热台2，将光收发电路中的驱动器、激光器阵列、检测器阵列、 TIA放大器和AGC放大器均设置在散热台2上，可提高元器件的散热能力，从而提高光收发电路在高温下工作的可靠性，将MT-FA跳纤设置在密封框8内部，通过高速差分线及外引脚3连接，保证输入输出信号的高速传输性能。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种光收发电路，其特征在于，包括驱动器、激光器阵列、检测器阵列、TIA放大器、MT-FA跳纤和控制电路；驱动器依次连接激光器阵列、MT-FA跳纤、检测器阵列和TIA放大器，MT-FA跳纤上设置光接收端和光发射端，控制电路与驱动器和放大器均连接；

控制电路用于发送第一寄存器变量至驱动器；驱动器用于接收第一寄存器变量和第一电压信号，根据第一寄存器变量将第一电压信号转换为第一电流信号并发送至激光器阵列；激光器阵列用于将第一电流信号转换为第一光信号并发送至MT-FA跳纤；MT-FA跳纤用于通过光发射端输出第一光信号，通过光接收端接收第二光信号并发送至检测器阵列；检测器阵列用于将第二光信号转换为第二电流信号并发送至TIA放大器；TIA放大器用于将第二电流信号转换为第二电压信号并输出；

所述控制电路为MCU；

还包括AGC放大器；AGC放大器与TIA放大器连接，所述控制电路还用于发送第二寄存器变量至AGC放大器，AGC放大器用于接收TIA放大器输出的第二电压信号，并根据第二寄存器变量放大第二电压信号后输出；

其中，激光器阵列为VCSEL；所述检测器阵列为PD；

MCU通过I2C接口与驱动器通信，通过第一寄存器变量控制驱动器相应的寄存器变量实现端口阻抗匹配、输入信号整形、均衡放大以及信号处理。

2.根据权利要求1所述的光收发电路，其特征在于，还包括电压基准源、第一电阻和第二电阻；

3.根据权利要求2所述的光收发电路，其特征在于，还包括第三电阻和第四电阻；

第四电阻的第一端接地，第二端与TIA放大器的RSSI端口以及MCU的A/D转换器的输入端口均连接，MCU用于监测第四电阻的电压，并根据第四电阻的电压获取TIA放大器的温度和第二光信号的功率。

4.根据权利要求3所述的光收发电路，其特征在于，所述MCU上设置用于连接上位机的通信接口；MCU还用于将监测的电源电压、驱动器的温度、激光器阵列的温度、TIA放大器的温度和第二光信号的功率发送至上位机。

5.一种光收发装置，其特征在于，包括权利要求1所述的光收发电路、高速差分线以及由下至上依次连接的底板(1)、基板(4)、边框(7)和盖板(9)；

底板(1)的上表面上设置散热台(2)，基板(4)上开设用于容纳散热台(2)的直通腔(5)；边框(7)侧壁上设置密封框(8)，密封框(8)与边框(7)内部连通；光收发电路中的驱动器、激光器阵列、检测器阵列、TIA放大器和AGC放大器均设置在散热台(2)上，光收发电路中的MT-FA跳纤设置在密封框(8)内部，基板(4)远离底板(1)的一侧上开设的开放腔(6 )，光收发电路中的其他元器件及高速差分线均设置在开放腔(6 )内，高速差分线与驱动器和AGC放大器均连接；基板(4)侧壁上设置若干外引脚(3)，若干外引脚(3)均与高速差分线连接。

6.根据权利要求5所述的光收发装置，其特征在于，所述底板(1)、基板(4)和边框(7)采用烧结工艺一体化成型，基板(4)采用HTCC工艺多层布线。

7.根据权利要求5所述的光收发装置，其特征在于，所述底板(1)采用钨铜制作；边框(7)和盖板(9)采用可伐材料；所述散热台(2)与底板(1)一体成型。

8.根据权利要求5所述的光收发装置，其特征在于，所述密封框(8)与FA-MT跳纤焊接连接。