CN112438027B - 光模块 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光模块，涉及光纤通信技术领域。本申请实施例提供的光模块，光接收芯片，一端通过分压电阻电连接至升压电路，另一端与跨阻放大芯片电连接，接收高低频混合的光信号；减法放大电路，从分压电阻的两端分别接收电压信号，输出端与第二低通滤波电路的输入端电连接；第二低通滤波电路的输入端还与比较电路的第一输入端电连接，输出端与比较电路的第二输入端电连接，输出判决门限电信号；比较电路的输出端与微处理器电连接，输出低频数字电信号；跨阻放大芯片与限幅放大芯片电连接，限幅放大芯片输出高频电信号。

Description

光模块

本申请要求在2019年06月26日提交中国专利局、申请号为201910562559.6、发明名称为“一种光模块”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光模块。

背景技术

随着光纤通信技术的发展，在一些光纤通信领域中，要求在原本的高速业务通道上加载低频信号。例如，国际标准化组织FSAN提出在点对点密集波分复用无源光网络中增加辅助管理与控制信道(Auxiliary Management and Control Channel，简称AMCC)，AMCC的传输速率一般在在100Kbit/s以下，即属于低频信号。因此，这就要求PTP WDM PON网络既能承载原有的高速业务信号，也能承载AMCC这样的低频信号。

PTP WDM PON网络中光信号的接收和发送都由光模块完成，但是，已有技术中，光模块仅能接收和发送高频的数字业务信号，而无法接收和发送低频信号。

因此，已有技术中的光模块无法接收同时承载高频信号和低频信号的混合信号。

发明内容

一方面，本申请实施例提供一种光模块，包括光接收芯片、跨阻放大芯片、限幅放大芯片、第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、比较电路及微处理器；跨阻放大芯片分别与光接收芯片、限幅放大芯片及第一低通滤波电路电连接；光接收芯片向跨阻放大芯片输出第一混合频率电信号；跨阻放大芯片向限幅放大芯片输出第二混合频率电信号；限幅放大芯片输出高频电信号；跨阻放大芯片向第一低通滤波电路输出第三混合频率电信号；第三混合频率电信号为第一混合频率电信号的镜像信号；第二低通滤波电路与第一低通滤波电路电相连，第一低通滤波电路向第二低通滤波电路输出第一低频电信号；比较电路的第一输入端与第一低通滤波电路电相连，比较电路的第二输入端与第二低通滤波电路电相连，比较电路的输出端与微处理器相连，第一低通滤波电路向比较电路输入第二低频电信号；第二低通滤波电路向比较电路输入判决门限电信号；比较电路向微处理器输出第三低频电信号。

另一方面，本申请实施例提供一种光模块，包括光接收芯片、升压镜像电路、跨阻放大芯片、限幅放大芯片、第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、比较电路及微处理器；跨阻放大芯片分别与光接收芯片及限幅放大芯片电连接；光接收芯片向跨阻放大芯片输出第一混合频率电信号；跨阻放大芯片向限幅放大芯片输出第二混合频率电信号，限幅放大芯片输出高频电信号；升压镜像电路分别与光接收芯片及第一低通滤波电路电连接；升压镜像电路向光接收芯片输出工作高压；升压镜像电路向第一低通滤波电路输出第一混合频率电信号的镜像电信号；第二低通滤波电路与第一低通滤波电路电相连，第一低通滤波电路向第二低通滤波电路输出第一低频电信号；比较电路的第一输入端与第一低通滤波电路电相连，比较电路的第二输入端与第二低通滤波电路电相连，比较电路的输出端与微处理器相连；第一低通滤波电路向比较电路输入第二低频电信号；第二低通滤波电路向比较电路输入判决门限电信号；比较电路向微处理器输出第三低频电信号。

第三方面，本申请实施例提供一种光模块，包括光接收芯片，一端通过分压电阻电连接至升压电路，另一端与跨阻放大芯片电连接，接收高低频混合的光信号；

减法放大电路，从分压电阻的两端分别接收电压信号，输出端与第二低通滤波电路的输入端电连接；第二低通滤波电路的输入端还与比较电路的第一输入端电连接，输出端与比较电路的第二输入端电连接，输出判决门限电信号；

比较电路的输出端与微处理器电连接，输出低频数字电信号；跨阻放大芯片与限幅放大芯片电连接，限幅放大芯片输出高频电信号。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为光通信终端连接关系示意图；

图2为光网络单元结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种光模块结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种光模块结构爆炸示意图；

图5为本申请实施例提供的一种光模块接收端(局部)分解结构示意图；

图6为图5中A区域局部放大图；

图7为图5中B区域局部放大图；

图8为本申请实施例提供的光模块另一结构示意图；

图9为图8所示光模块的电路连接示意图；

图10(A)为本申请实施例提供的一种减法放大电路相关电路结构示意图；

图10(B)为本申请实施例提供的一种低通放大电路相关结构示意图；

图11(A)为图10(A)中电路实现的电压信号转换示意图；

图11(B)为图10(B)中电路实现的电压信号转换示意图；

图12为本申请实施例提供的一种第二低通滤波电路结构示意图；

图13为图12中电路实现的电压信号转换示意图；

图14为本申请实施例提供的比较电路结构示意图；

图15为图14中比较电路的电压信号转换示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

光通信实现了将信号采用电和光两种不同的载体进行传输。光纤通信使用携带信息的光信号在光波导中传输，利用光在光纤等光波导中的无源传输特性可以实现低成本、低损耗的信息传输；而计算机等信息处理设备采用的是电信号，这就需要在光纤通信系统中实现电信号与光信号的相互转换。

图1为光通信终端连接关系示意图。如图1所示，光通信终端的连接主要包括光网络单元100、光模块200、光纤101及网线103；

光纤的一端连接远端服务器，网线的一端连接本地信息处理设备，本地信息处理设备与远端服务器的连接由光纤与网线的连接完成；而光纤与网线之间的连接由具有光模块的光网络单元完成。

光模块200的光口与光纤101连接，与光纤建立双向的光信号连接；光模块200的电口接入光网络单元100中，与光网络单元建立双向的电信号连接；光模块实现光信号与电信号的相互转换，从而实现在光纤与光网络单元之间建立连接；具体地，来自光纤的光信号由光模块转换为电信号后输入至光网络单元100中，来自光网络单元100的电信号由光模块转换为光信号输入至光纤中。光模块200是实现光电信号相互转换的工具，不具有处理数据的功能，在上述光电转换过程中，信息并未发生变化。

光网络单元具有光模块接口102，用于接入光模块，与光模块建立双向的电信号连接；光网络单元具有网线接口104，用于接入网线，与网线建立双向的电信号连接；光模块与网线之间通过光网络单元建立连接，具体地，光网络单元将来自光模块的信号传递给网线，将来自网线的信号传递给光模块，光网络单元作为光模块的上位机监控光模块的工作。

至此，远端服务器通过光纤、光模块、光网络单元及网线，与本地信息处理设备之间建立双向的信号传递通道。

常见的信息处理设备包括路由器、交换机、电子计算机等；光网络单元是光模块的上位机，向光模块提供数据信号，并接收来自光模块的数据信号，常见的光模块上位机还有光纤路终端等。

图2为光网络单元结构示意图。如图2所示，在光网络单元100中具有电路板105，在电路板105的表面设置笼子106；在笼子106中设置有电连接器接口，用于接入金手指等光模块电口；在笼子106上设置有散热器107，散热器107具有增大散热面积的翅片等凸起结构。

光模块200插入光网络单元中，具体为光模块的电口插入笼子106中的电连接器，光模块的光口与光纤101连接。

笼子106位于电路板上，将电路板上的电连接器包裹在笼子中；光模块插入笼子中，由笼子固定光模块，光模块产生的热量通过光模块壳体传导给笼子，最终通过笼子上的散热器107进行扩散。

图3为本申请实施例提供的一种光模块结构示意图，图4为本申请实施例提供的一种光模块结构爆炸示意图，如图3、图4所示，本申请实施例提供的光模块200包括上壳体201、下壳体202、解锁手柄203、电路板300、光发射次模块301、光接收次模块400。

上壳体201与下壳体202形成具有两个开口的包裹腔体，两个开口具体可以是位于光模块同一端的两处开口(204、205)，也可以是在光模块不同端的的两处开口；其中一个开口为电口204，用于插入光网络单元等上位机中，另一个开口为光口205，用于外部光纤接入以连接内部光纤，电路板300、光发射次模块301及光接收次模块400等光电器件位于包裹腔体中。

上壳体及下壳体一般采用金属材料，利于实现电磁屏蔽以及散热；采用上壳体、下壳体结合的装配方式，便于将电路板等器件安装到壳体中，一般不会将光模块的壳体做成一体结构，这样在装配电路板等器件时，定位部件、散热以及电磁屏蔽结构无法安装，也不利于生产自动化。

解锁手柄203位于腔体/下壳体202的外壁，拉动解锁手柄的末端可以在使解锁手柄在外壁表面相对移动；光模块插入上位机时由解锁手柄将光模块固定在上位机的笼子里，通过拉动解锁手柄以解除光模块与上位机的卡合关系，从而可以将光模块从上位机的笼子里抽出。

电路板位于由上、壳体形成包裹腔体中，电路板上设置有芯片、电容、电阻等电器件。根据产品的需求选择需要设置的芯片，常见的芯片包括微处理器MCU、时钟数据恢复芯片CDR、激光驱动芯片、跨阻放大TIA芯片、限幅放大LA芯片、电源管理芯片等。

跨阻放大芯片与光接收芯片紧密关联，近距离短走线设计可以保证良好的接收信号质量，光模块的一种封装形态中，将跨阻放大芯片与光接收芯片一起封装在独立封装体中，如封装在同一同轴管壳TO中或同一方形腔体中；独立封装体独立于电路板，光接收芯片及跨足放大芯片通过独立封装体与电路板形成电连接；光模块的另一种封装形态中，可以不采用独立封装体，而是将光接收芯片与跨阻放大芯片设置在电路板表面。当然，也可以将光接收芯片独立封装，而将跨阻放大芯片设置在电路板上，接收信号质量也能满足某些相对较低的要求。

电路板上的芯片可以是多合一芯片，比如将激光驱动芯片与MCU芯片融合为一个芯片，也可以将激光驱动芯片、限幅放大芯片及MCU融合为一个芯片，芯片是电路的集成，但各个电路的功能并没有因为集合而消失，只是电路形态发生整合。所以，当电路板上设置有MCU、激光驱动芯片及限幅放大芯片三个独立芯片，这与电路上设置一个三功能合一的单个芯片，方案是等同的。

电路板端部表面具有金手指，金手指由相互独立的一根根引脚组成的，电路板插入笼子中的电连接器中，由金手指与上位机建立电连接。

电路板是光模块主要电器件的载体，没有设置在电路板上的电器件最终也与电路板电连接，电路板上的电连接器实现光模块与其上位机的电连接。光模块通常采用的电连接器为金手指。

光模块还包括光发射次模块及光接收次模块，光发射次模块及光接收次模块可以统称为光学次模块。图4为本申请实施例提供的光模块结构分解图，如图4所示，本申请实施例提供的光模块包括光发射次模块301及光接收次模块400，光发射次模块与光接收次模块在电路板表面错开设置，利于实现更佳的电磁屏蔽效果。

光发射次模块301设置在电路板300表面，在另一种常见的封装方式(如同轴TO封装)中，光发射次模块独立封装，与电路板物理分离，通过柔性板实现电连接；光接收次模块400设置在电路板300表面，在另一种常见的封装方式(如同轴TO封装)中，光接收次模块独立封装，与电路板物理分离，通过柔性板实现电连接。

目前业内提出一种混合频率光信号通信需求，在一路高频率信号的基础上叠加一路低频率信号，两路不同频率的信号通过同一波长的光传输；例如在10Gbps或25Gbps等高频信号基础上，同时增加一个低频50Kbps的信号；10Gbps或25Gbps等高频信号为正常的业务信号，在不占用正常业务的同时，增加另一路50Kbps的低频信号执行其它功能。对于光模块的发射端，需要发出双频率的光信号；对于光模块的接收端，需要接收双频率的光信号，然后将光信号中不同频率的信号分别解调，从而分别得到高频信号及低频信号。

为了实现对低频信号的接收，本申请实施例提供了如下技术构思：低频接收电路采用光接收芯片的响应电流解调出低频信号。光接收芯片接收到光后，会感应出响应电流，此响应电流为模拟电流信号；将该电流信号转化为电压信号，然后依次通过低通滤波、运放放大后再分成两路，其中一路经过低通滤波器取其直流分量，然后与另一路经过比较器进行比较后，即可解调出MCU可快速处理的数字信号。MCU在处理数字信号时，可快速识别出1或0，加快处理速度。

光模块的接收端包括光接收芯片、跨阻放大芯片TIA、限幅放大芯片LA、低通滤波单元、比较电路及微处理器。芯片的本质是电路的集成，电路可以集成到芯片中，芯片中的部分功能也可以由电路板上的电路实现。实现芯片的功能，可以由芯片实现，也可以由电路实现，也可以由主芯片结合外围电路实现。不同功能也可以由同一芯片集成，电路集成形态的变化仍属于本申请的保护范围。

本申请提供的一个实施例中，光模块中的光接收芯片、限幅放大芯片、低通滤波单元(低通滤波单元包括第一低通滤波电路及第二低通滤波电路)、比较电路及微处理器设置在电路板的表面，由于电路板的面积有限，上述电路及微处理器根据布局需要设置在电路板同侧表面，可以分布在电路板的不同侧表面上。采用电路处理电信号，由于来自光接收芯片的电信号或来自镜像电路的电信号一般较小，通常会在电路中增加放大电路以提高信号强度，本申请实施例将放大功能与第一低通滤波电路融合，采用低通放大电路，后续以低通放大电路为例说明。

本申请提供的另一个实施例中，光模块中的光接收芯片、限幅放大芯片、减法放大电路、低通滤波单元(低通滤波单元包括第二低通滤波电路)、比较电路及微处理器设置在电路板的表面，由于电路板的面积有限，上述电路及微处理器根据布局需要设置在电路板同侧表面，可以分布在电路板的不同侧表面上。采用电路处理电信号，由于来自光接收芯片的电信号或来自镜像电路的电信号一般较小，通常会在电路中增加放大电路以提高信号强度，本申请实施例采用减法放大电路中的放大功能提高信号强度，同时减法放大电路还是去除噪声信号。

具体地，依据光模块的封装形态不同，光模块的光接收芯片可以独立设置在同轴封装中，限幅放大芯片优选与光接收芯片封装在同轴封装中，低通放大电路或减法放大电路、第二低通滤波电路、比较电路及微处理器设置在电路板的表面，同轴封装与电路板电连接，具体的电连接方式可以是柔性电路板。

芯片的本质是电路的集成，电路的具体形态变化不影响本申请实施例的保护范围，本申请实施例以一种具体的产品方案举例说明。

图5为本申请实施例提供的一种光模块接收端(局部)分解结构示意图。如图5所示，本申请实施例提供的光模块中包括电路板300及光接收端400。光接收端400设置在电路板300表面，光接收端400包括光接收芯片401、光波导402、盖板403、跨阻放大芯片500及限幅放大芯片600，电路板300表面具有金手指303。

光接收芯片、跨阻放大芯片及限幅放大芯片分别设置在电路板表面，与电路板实现电连接；盖板403将光接收芯片、跨阻放大芯片、限幅放大芯片及光波导盖合在电路板表面。

图6为图5中A区域局部放大图，A区域包括光波导402、光接收芯片401及跨阻放大芯片TIA 500。如图6所示，光接收芯片401设置在电路板300表面，光波导402位于光接收芯片401的上方，光接收芯片401的光敏面朝向光波导402，承载混合频率信号的光通过光波导402传输至光接收芯片401中，具体地，光波导402的端面为斜面，光在光波导402的斜面处发生反射，进而射入光接收芯片的光敏面上。

光接收芯片是光模块接收端用于接收光信号的芯片，携带双频率混合信号的光射入光接收芯片的光敏面后，光接收芯片利用光电转换效应生成电流信号，由电流承载混合频率信号，在光转换为电流的过程中，信号的载体发生改变，但信息没有变化。光接收芯片输出的信号通常是模拟信号，常见的光接收芯片为PIN光电二极管或光电雪崩二极管APD。

光接收芯片产生的第一混合频率电信号(具体是光电流)传输至跨阻放大芯片中，光接收芯片产生的光电流包括高频、低频两部分信号，为了分别接收高频、低频信号，需要将光电流分为至少两部分。一般采用镜像电路对光电流进行镜像，视后续信号处理的需求，镜像后产生的电流可以是一路，也可以是两路或多路。

具体地，当光接收芯片采用PIN光电二极管方案时，与PIN光电二极管匹配的跨阻放大芯片具有电流输出端501及光电压输出端(502、503)，电流输出端501输出与光接收芯片相同的电流，用于后续低频信号接收；光电压输出端(502、503)输出由光电流转换的光电压；

具体地，限幅放大芯片中具有第一镜像电路，将来自光接收芯片的光电流进行镜像，将镜像得到的电流通过电流输出端输出，实现了输出第三混合频率电信号，用于后续的低频信号接收；来自光接收芯片的光电流用于后续高频信号接收。来自光接收芯片的光电流是最原始的电流，优先用于高频信号的解调，以保证业务数据质量，当然，理论上而言，由于镜像后的电流与光电流相同，也可以将镜像得到的电流用于高频信号接收，而将光电流用于低频信号接收。跨阻放大芯片也可以集成转换电路，以将用于低频信号接收的电流转换为电压信号；

具体地，光模块中的第一镜像电路可以镜像出两路镜像电流，一路用于低频或高频信号的解调，另一路用于实现接收光功率强度检测功能。接收光功率强度RSSI检测电路一般由接地电阻及微处理器组成，另一路镜像电流经接地电阻转换为电压信号后输入微处理器中，由微处理器采样获得接收光功率强度信号；

具体地，第一镜像电路可以设置在跨阻放大芯片TIA中，也可以设置在跨阻放大芯片之外在电路板上。镜像电流可以直接由镜像电路输出；也可以接入跨阻放大芯片中，由跨阻放大芯片的电流输出端输出；

光电流信号进入跨阻放大芯片后被放大并转换为电压信号，电压信号从跨阻放大芯片输出，实现了输出第二混合频率电信号，第二混合频率电信号优选以差分电压信号形态输出，需要两个输出端口(502、503)；

具体地，当光接收芯片采用APD光电雪崩二极管方案时，与APD光电雪崩二极管匹配的跨阻放大芯片具有光电压输出端(502、503)，光电压输出端(502、503)输出由光电流转换的光电压，优选以差分形态输出。

具体地，由于APD光电雪崩二极管工作时需要高于光模块正常工作的电压，所以光模块中增加升压电路，升压电路用于为APD提供工作高压；为了便于接收光电流，光模块中增加第二镜像电路，升压电路通过镜像电路中的一条通路与APD相连，该通路中的电流即APD产生的光电流，该通路中的电流用于后续进行高频信号接收；第二镜像电路将该通路中的电流进行镜像，从而获得光电流的镜像电流，第三混合频率电信号具体表现为该镜像电流；该镜像电流用于后续进行低频信号的接收。来自光接收芯片的光电流是最原始的电流，优先用于高频信号的解调，以保证业务数据质量，当然，理论上而言，由于镜像后的电流与原电流相同，也可以将镜像得到的电流用于高频信号接收，而将原电流用于低频信号接收。第二镜像电路中也可以集成转换电路，以将用于低频信号接收的电流转换为电压信号；

具体地，光模块中的的第二镜像电路可以镜像出两路镜像电流，一路用于低频或高频信号的解调，另一路用于实现接收光功率强度检测功能。接收光功率强度RSSI检测电路一般由接地电阻及微处理器组成，另一路镜像电流经接地电阻转换为电压信号后输入微处理器中，由微处理器采样获得接收光功率强度信号；

具体地，升压电路可以设置在跨阻放大芯片中，也可以设置在电路板上，其呈现形态可以是芯片，也可以是电路，也可以是主芯片结合外围电路；

具体地，第二镜像电路可以设置在跨阻放大芯片中，也可以设置在电路板上，其呈现形态可以是芯片，也可以是电路，也可以是主芯片结合外围电路。

光电流信号进入跨阻放大芯片后被放大并转换为电压信号，电压信号从跨阻放大芯片输出，实现了输出第二混合频率电信号，电压信号优选以差分形态输出。

除了镜像电路之外，在使用APD进行光信号接收时，还可以在升压电路与APD连接的电路上直接获得与光电流相关的信号，以用于低频信号的接收。

图7为图5中B区域局部放大图。如图7所示，本申请实施例提供的光模块中，限幅放大芯片600设置在电路板300上，限幅放大芯片TIA与跨阻放大芯片LA相连，用于接收光电压信号。限幅放大芯片将光电压信号进一步放大并限制在设定的输出差分幅度中，从限幅放大芯片输出的电压信号即为高频信号。限幅放大芯片具有输入端口(601、602)以接收来自跨阻放大芯片的光电压信号(差分形态的光电压信号)，限幅放大芯片具有输出端口(603、604)以输出高频信号。电路板300上的金手指具有引脚605、606，高频信号通过引脚605、606输出至上位机。在传输高频信号的引脚606、606两侧，具有接地引脚607、608，接地引脚用于实现对传输高频信号引脚的电隔离。

限幅放大芯片与跨阻放大芯片之间连接有电容。具体地，跨阻放大芯片输出两路差分信号，第一电容将差分信号的一路接入限幅放大芯片的第一输入端，第二电容将差分信号的另一路接入限幅放大芯片的第二输入端；限幅放大芯片结合第一电容以及第二电容，对跨阻放大芯片所输出的电压信号进行高通滤波，以输出高频信号。

此外，实际应用中，限幅放大芯片的设计一般针对高频电信号，因为光纤通信业务是高速率、超高速率的信号传输，而限幅放大芯片无法对频率差距如此大的混合频率信号同时接收，限幅放大芯片一般只会识别电信号中的高频部分。

具体地，第一电容、第二电容以及限幅放大芯片内部集成的上拉电阻构成一个高通滤波器，当电压信号经过第一电容、第二电容以及限幅放大芯片时，其中的低频信号被滤掉，从而实现高通滤波。

图8为本申请实施例提供的光模块另一结构示意图，图9为图8所示光模块的电路连接示意图。图5展示了电路板的一侧表面，图8展示了电路板的另一侧表面，由于电路板表面的空间有限，电路板上的芯片分别设置在电路板上下两个表面。图8示出了部分电路/芯片在光模块电路板上的位置，具体包括减法放大电路700、第二低通滤波电路800、比较电路900及微处理器MCU304。图9中示出了图8中相关电路/芯片之间的电连接。如图8所示，减法放大电路700、第二低通滤波电路800、比较电路900及微处理器304设置在电路板的表面，减法放大电路700分别与第二低通滤波电路800及比较电路900相连，第二低通滤波电路与比较电路900相连，比较电路与微处理器MCU304相连。

如图9所示，以雪崩光电二极管APD接收光信号为示例，光电雪崩二极管APD的一端通过分压电阻R连接至升压电路Vapd，另一端连接至跨阻放大芯片TIA中。由于分压电阻R与TIA串联在APD两端，所以流过分压电阻R的电流与流入TIA中的电流一致，采集分压电阻两端的电压信号即可得到光电流对应的光电压信号，进而可以用于低频信号的接收；流入TIA的电流信号用于高频信号的接收。

用于进行低频信号接收的电流或电压接入减法放大电路中。减法放大电路以运算放大主芯片结合外围电路为例，低频信号以电压信号为例。

图10(A)为本申请实施例提供的一种减法放大电路相关电路结构示意图。减法放大电路700包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4及运算放大器701。连接在升压电路Vapd与光电雪崩二极管之间的分压电阻R具有M1与M2两端，第一电阻R1一端与M1连接，另一端与运算放大器的第一输入端连接；第三电阻R3一端与M2连接，另一端与运算放大器的第二输入端连接。在第一电阻与运算放大器第一输入端之间连接有接地的第二电阻R2，在第三电阻与运算放大器第二输入端之间连接有第四电阻的一端，第四电阻的另一端与运算放大器的输出端连接。上述减法放大电路是一种教科书中常用的减法放大电路，其中第一电阻R1与第三电阻R3可以具有相同的阻值，第二电阻R2与第四电阻R4也可以具有相同的阻值。当然，在上述减法放大电路的基础上，可以改进出多种其他类型的电路，教科书中提供的减法放大电路也还有其他类型。

由于分压电阻的分压作用，M1处与M2处的电压不同，但信号相同，即M1处与M2处具有相同的信号，但信号的幅度不同。信号中除了具有需要接收的高低频的信号之外，还有噪声信号，减法放大电路的主要作用之一就是去除噪声。噪声幅度来源于电路中的引入噪声，M1和M2处的噪声幅度相当。M1处的高低频信号幅度明显大于M2处的高低频信号幅度，但两处的高低频信号相同，所以M1处的高低频信号减去M2处的高低频信号，相减之后得到与M1处相同的高低频信号，但高低频信号幅度相对降低，使用运算放大器将高低频信号的幅度提升以得到放大的高低频信号。

而M1处的噪声信号幅度与M2处的噪声信号幅度略相当，但两处的噪声信号相同，所以M1处的噪声信号减去M2处的噪声信号，相减之后得到与M1处相同的噪声信号，但噪声信号幅度明显降低，实现了去噪声效果。

通过对高低频信号减法并放大、对噪声信号减法，实现了去除噪声信号、得到较大的高低频信号，提升了信号的信噪比。

考虑到运算放大器的实际电压工作性能，以及分压电阻两端具有升压电路输入的较大电压，M1处与第一电阻之间、M2处与第三电阻之间分别接入电容，通过电容的通交流阻直流特性，将升压电路输出的直流高压阻挡，而交流形态的信号顺利通过电容以接入减法放大电路中。使用电容隔离直流之后，交流信号的电压范围往往会到达0V以下。

M1和M2两处的信号经过减法放大器后，低频信号经过放大后增大了信号幅度，噪声减法后信号变小，即使经过放大器，也会增大与低频有效信号的差值，信噪比有效提升。

图11(A)为图10(A)中电路实现的电压信号转换示意图。如图11(A)所示，在M1处与M2处具有相同的高低频信号data及噪声信号noise，但M1处的高低频信号幅度大于M2处的高低频信号幅度，M1处的噪声信号与M2处的噪声信号相当；经过减法放大电路之后，噪声信号相减进而消除，高低频信号相减后信号幅度变小，经过放大后幅度变大，最终得到了信噪比提升的高低频信号。

在信号进入减法放大电路之前，可以对其进行高频滤除，保留低频信号及噪声信号，所以上述对于高低频信号的处理也可以是针对低频信号的处理。

在一种具体的实施方式中，减法放大电路700这一部分可以使用低通放大电路替换。对低频信号的接收采用镜像电路提供的镜像电流为例，用于进行低频信号接收的电流接入接地电阻的一端，接地电阻的另一端接地，接地电阻一端还与低通放大电路连接，通过接地的电阻R2将电流转换为电压后输入低通放大电路中。

图10(B)为本申请实施例提供的一种低通放大电路相关结构示意图。如图10(B)所示，低通放大电路以主芯片结合外围电路为例，低频信号以电流信号为例。低通放大电路包括运算放大主芯片702、外围电阻RD、RE及外围电容CD，运算放大主芯片结合电阻RD、电阻RE形成滤波放大电路，具体地，电阻RD一端接地，另一端接入运算放大主芯片的输入引脚IN-；电阻RE一端接入运算放大主芯片的输入引脚IN-，另一端接入运算放大主芯片的输出引脚OUT；为了在上述滤波放大电路的基础上调节其截止频率的范围，增加电容CD，电容CD一端接入运算放大主芯片的输入引脚IN-，另一端接入运算放大主芯片的输出引脚OUT。运算放大主芯片还包括电源引脚V+、V-及使能引脚SD；电源引脚用于给运算放大主芯片供电，使能引脚是运算放大主芯片的开关引脚。

低通放大电路将接收到的电压信号放大并滤掉其高频信号部分，仅留下经过放大的低频信号部分。

图11(B)为图10(B)中电路实现的电压信号转换示意图。如图11(B)所示，接入低通放大电路的电压信号是模拟信号，包括直流部分a及交流部分b，其直流部分的强度不统一，包括e、f两种电压幅度，当电压信号的直流强度较大时，经低通放大电路放大时，会超出低通放大电路的上限，为了避免这种情况，在电压信号输出低通放大电路之前设置电容CA，通过电容CA滤除直流，仅保留交流部分；为了经低通放大电路后得到足够强度的电压信号，在电容CA与低通放大电路之间接入直流输出电源VREF，为滤除直流之后的电压信号提供一个统一的直流，得到电压幅度c。经过电容CA滤除不统一强度的直流，然后通过电源VREF提供一个统一强度的直流，便于为低通放大电路提供较佳的信号源，保证低通放大后的信号质量。

第二低通滤波电路可以用一个简单的RC电路实现，也可以使用运算放大器实现，也可以将RC电路与运算放大器结合使用。第二低通滤波电路的主要作用是将频率部分滤除、得到判决门限电信号。

第二低通滤波电路在上述电路结构的基础上，还可以在前增加一个滤除高频信号的功能电路，该功能电路常见的为RC电路。RC电路是一种常用的滤波电路，不同的RC参数可以实现不同的滤波功能，比如一类RC电路可以实现高频滤除，另一类RC电路可以实现低频滤除；本申请对RC电路的参数不做明确的限定，仅从实现功能的角度进行描述，具体参数可以由本领域技术人员按需设置。

在本申请的某一实施例中，在第二低通滤波电路设置上述滤除高频信号的功能电路；在本申请的某一实施例中，在第二低通滤波电路中不设置上述滤除高频信号的功能电路，这是因为第二低通滤波电路之前的电路无法很好的处理高频信号，如减法放大电路的高频信号处理能力很差，这使得第二低通滤波电路之前的电路已经具备一定的高频滤除功能。当然为了更好的滤除高频部分，以实现对低频部分的接收，可以在第二低通滤波电路中增加实现滤除高频部分的RC电路。当然，也可以将滤除高频部分的RC电路设置在减法放大电路之前。

图12为本申请实施例提供的一种第二低通滤波电路结构示意图。图12中示出的第二低通滤波电路包括滤除高频的RC电路以及运算放大器801。运算放大器用于生成判决门限电信号。

经RC电路滤除高频部分以保留低频部分，然后将低频信号分为两路，即第一低频电信号及第二低频电信号，第一低频电信号用于形成判决门限电信号，以对第二低频电信号进入判决，从而生成微处理器可用的数字信号。

如图12所示，第二低通滤波电路包括外围电阻R9及外围电容C5，组成滤除高频的RC型滤波电路，电阻R9一端接入信号，另一端与电容C5的一端连接，电容C5的另一端接地，由电容C5的一端输出滤波之后的信号。通过调整电阻R9的阻值以及电容C5的容值，可以调节滤波电路的截止频率，控制滤波电路的滤波范围。

由电容C5一端输出的信号分为两路，即第一低频电信号及第二低频电信号，第一低频电信号这一路进入运算放大器中，第二低频电信号这另一路输入比较电路中。本申请某一实施例中第二低通滤波电路中不具有滤除高频部分的电路，所以也可以在减法放大电路之后，将输出的信号分为两路。

滤波电路/滤波器一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。若滤波电路元件仅由无源元件(电阻、电容、电感)组成，则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等)。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件(双极型管、单极型管、集成运放)组成，则称为有源滤波电路。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。

图13为图12中电路实现的电压信号转换示意图。如图13所示，第二低通滤波电路接收来自减法放大电路输出的电压信号，输出判决门限电信号，用于后续数字信号的生成，判决门限电信号具体可以是一个直流信号。该判决门限电信号输入比较电路的第二输入端。

实际设置比较器的比较电压范围时，一般在0V电压以上，而图11中经过减法放大电路之后得到的信号电压范围最低达到了0V以下，为了与比较器的比较电压范围匹配，可以向信号提供一个直流的电压，以整体提升信号的电压，提供直流电压一般采用在电路中接入电源的方式实现；当然，若将比较器的比较电压范围设置在0V以下，可以与信号的电压范围适配，也可以不使用电源提供直流电压。

图13中示出的信号电压经过了直流电压的升压处理，整体信号电压范围提升到了0V以上。

图14为本申请实施例提供的比较电路结构示意图。比较电路中包括比较器901。如图14所示，比较器901的第一输入端接收第二低频电信号，第二输入端接收来自第二低通滤波电路的判决门限电信号，比较电流将第一输入端的信号与第二输入端的信号进行比较，输出端输出第三低频电信号。比较器还可以包括电源引脚V+、V-及使能引脚SD；电源引脚用于供电，使能引脚是开关引脚。

比较器还可以使用运算放大器替代。

为了进一步消除噪声信号，比较电路中将比较器设置为可调滞回比例的比较器。滞回比较器又称施密特触发器，迟滞比较器，本申请使用滞回比较器的目的是去除掉信号中的噪声。图14中由第五电阻R5、第六电阻R6及比较器901组成了一种滞回比较器，第五电阻R5一端接收来自第二低通滤波电路的判决门限电信号，另一端分别与比较器的第一输入端、第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端与比较器的输出端连接；在本申请的某些实施例中，将第七电阻R7、第八电阻R8并联在第六电阻R6两端，由及开关902控制第七电阻R7、第八电阻R8与第六电阻的导通，使得第六电阻、第七电阻R7、第八电阻R8形成的电阻单元阻值可调，由该电阻单元替代原单一的第六电阻R6在电路中的作用，实现了比较器的滞回比例可调，进而使得由第五电阻R5及第六电阻R6及比较器901组成了可调的滞回比较器。

滞回比较器引入阈值电压，阈值电压与R5和R6的比值相关。本申请实施例中提供的可调滞回比较器，通过开关902，使R6电阻并联R7或更多电阻，进而调整R6处电阻的阻值与R5电阻的比例关系，调整阈值电压。

开关902可以是单独的一个个开关，分别连接在第七电阻、第八电阻等电阻各自的支路上；也可以是一个开关单元，分别接入第七电阻、第八电阻等电阻；通过开关902实现其他与第六电阻并联的电阻与第六电阻的导通控制。

当信号和噪声幅度大时，R6处可以用较小的电阻阻值，以提高阈值，滤除噪声。当信号和噪声幅度小时，R6处可以使用较大的电阻，以减小阈值，使得信号可以输出，噪声被滤掉。

图15为图14中比较电路的电压信号转换示意图。如图15所示，判决门限电信号对低频信号进行判决，从而生成

微处理器的低频信号接收引脚用于接收双频信号中的低频信号，微处理器与比较电路的输出端相连，为了提升微处理器的信号处理速度，该第三低频电信号可以是数字信号。

微处理器的接收光功率强度检测引脚用于接收由光电流产生的光电压，以生成接收光功率强度信号。接收光功率强度是行业标准中要求监控的光模块工作指标之一，需要光模块自行采集并存储，待上位机需要时从光模块中读取。接收光功率强度源自光接收芯片产生的光电流强度，由光模块的微处理器MCU进行采集、运算及存储。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种光模块，用于实现光信号与电信号的相互转换，其特征在于，包括光接收芯片、跨阻放大芯片、限幅放大芯片、第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、比较电路及微处理器；

所述跨阻放大芯片分别与所述光接收芯片、所述限幅放大芯片及所述第一低通滤波电路电连接；

所述光接收芯片，用于接收所述光信号，向所述跨阻放大芯片输出第一混合频率电信号；

所述跨阻放大芯片向所述限幅放大芯片输出第二混合频率电信号；

所述限幅放大芯片输出高频电信号；

所述跨阻放大芯片向所述第一低通滤波电路输出第三混合频率电信号；所述第三混合频率电信号为所述第一混合频率电信号的镜像信号；

所述第二低通滤波电路与所述第一低通滤波电路电相连；所述第二低通滤波电路包括：外围电阻、外围电容及运算放大器；所述外围电阻的一端与所述第一低通滤波电路的输出端电连接，所述外围电阻的另一端与所述外围电容的一端电连接；所述外围电容的另一端接地；所述外围电阻与所述外围电容构成RC型滤波电路；所述RC型滤波电路的输出端分别与所述运算放大器电连接和与所述比较电路的第一输入端电连接，所述比较电路的第二输入端与所述第二低通滤波电路电相连，所述比较电路的输出端与所述微处理器相连；

所述RC型滤波电路向所述运算放大器输出第一低频电信号，所述运算放大器基于所述第一低频电信号生成判决门限电信号；

所述RC型滤波电路向所述比较电路输入第二低频电信号；所述第二低频电信号与所述第一低频电信号为镜像信号；

所述第二低通滤波电路向所述比较电路输入所述判决门限电信号；

所述比较电路向所述微处理器输出第三低频电信号。

2.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，还包括电路板，所述光接收芯片、所述跨阻放大芯片、所述限幅放大芯片、所述第一低通滤波电路、所述第二低通滤波电路、所述比较电路及所述微处理器分别设置在所述电路板上。

3.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，还包括电路板及独立封装体；

所述独立封装体与所述电路板电连接；

所述限幅放大芯片、所述第一低通滤波电路、所述第二低通滤波电路、所述比较电路及所述微处理器分别设置在所述电路板上；

所述光接收芯片、所述跨阻放大芯片分别设置在所述独立封装体中。

4.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述限幅放大芯片与所述第一低通滤波电路之间接入电容及直流输出电源。

5.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述第二低通滤波电路与所述比较电路之间接入隔离电路。

6.一种光模块，用于实现光信号与电信号的相互转换，其特征在于，包括光接收芯片、升压镜像电路、跨阻放大芯片、限幅放大芯片、第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、比较电路及微处理器；

所述跨阻放大芯片分别与所述光接收芯片及所述限幅放大芯片电连接；

所述光接收芯片，用于接收所述光信号，向所述跨阻放大芯片输出第一混合频率电信号；

所述跨阻放大芯片向所述限幅放大芯片输出第二混合频率电信号，所述限幅放大芯片输出高频电信号；

所述升压镜像电路分别与所述光接收芯片及所述第一低通滤波电路电连接；所述升压镜像电路向所述光接收芯片输出工作高压；所述升压镜像电路向所述第一低通滤波电路输出所述第一混合频率电信号的镜像电信号；

所述第二低通滤波电路与所述第一低通滤波电路电相连，所述第二低通滤波电路包括：外围电阻、外围电容及运算放大器；所述外围电阻的一端与所述第一低通滤波电路的输出端电连接，所述外围电阻的另一端与所述外围电容的一端电连接；所述外围电容的另一端接地；所述外围电阻与所述外围电容构成RC型滤波电路；所述RC型滤波电路的输出端分别与所述运算放大器电连接和与所述比较电路的第一输入端电连接，所述比较电路的第二输入端与所述第二低通滤波电路电相连，所述比较电路的输出端与所述微处理器相连；

所述RC型滤波电路向所述运算放大器输出第一低频电信号，所述运算放大器基于所述第一低频电信号生成判决门限电信号；

所述RC型滤波电路向所述比较电路输入第二低频电信号；所述第二低频电信号与所述第一低频电信号为镜像信号；

所述第二低通滤波电路向所述比较电路输入所述判决门限电信号；

所述比较电路向所述微处理器输出第三低频电信号。

7.如权利要求6所述的光模块，其特征在于，还包括电路板，所述光接收芯片、所述升压镜像电路、所述跨阻放大芯片、所述限幅放大芯片、所述第一低通滤波电路、所述第二低通滤波电路、所述比较电路及所述微处理器分别设置在所述电路板上。

8.如权利要求6所述的光模块，其特征在于，还包括电路板及独立封装体；

所述独立封装体与所述电路板电连接；

所述限幅放大芯片、所述第一低通滤波电路、所述第二低通滤波电路、所述比较电路及所述微处理器分别设置在所述电路板上；

所述光接收芯片、所述升压镜像电路及所述跨阻放大芯片分别设置在所述独立封装体中。

9.如权利要求6所述的光模块，其特征在于，在所述升压镜像电路与所述第一低通滤波电路之间接入电容及直流输出电源。

10.如权利要求6所述的光模块，其特征在于，所述第二低通滤波电路与所述比较电路之间接入隔离电路。

11.一种光模块，其特征在于，包括

光接收芯片，一端通过分压电阻电连接至升压电路，另一端与跨阻放大芯片电连接，接收高低频混合的光信号；

减法放大电路，从所述分压电阻的两端分别接收电压信号，输出端与第二低通滤波电路的输入端电连接；

所述第二低通滤波电路的输入端还与比较电路的比较器的第一输入端电连接，所述第二低通滤波电路的输出端与所述比较电路的比较器的第二输入端电连接，输出判决门限电信号；

所述比较电路的输出端与微处理器电连接，输出低频数字电信号；

所述跨阻放大芯片与限幅放大芯片电连接，所述限幅放大芯片输出高频电信号；所述分压电阻与所述减法放大电路之间电连接有电容，所述分压电阻的两端分别连接一个所述电容；

所述第二低通滤波电路的输入端还与直流电源电连接。

12.如权利要求11所述的光模块，其特征在于，所述分压电阻与所述减法放大电路之间还包括高频滤波电路；所述高频滤波电路具体为RC电路，所述分压电阻的两端分别连接一个RC电路。

13.如权利要求11所述的光模块，其特征在于，还包括高频滤波电路，所述高频滤波电路的输入端与所述减法放大电路的输出端电连接，输出端分别与所述第二低通滤波电路的输入端及所述比较电路的第一输入端电连接；

所述高频滤波电路具体为RC电路。