CN1426180A - 光波长/模式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明的光波长/模式转换器主要包括探测器和光接收模块部分光发射模块部分和激光器，用光电探测器将接收到的λ1光信号转换为电信号经放大器和整形滤波电路送给激光器驱动电路，激光器驱动电路来驱动一个波长为λ2的激光器。其放大器包括具有自动增益控制AGC功能的前置放大器和可以将前置放大器输出的差分电信号放大到一个恒定值的后置放大器，后置放大器输出的电信号再进入时钟提取和数据恢复电路，对接收到的信号进行整形、滤波处理，然后将这个差分电信号送入激光器驱动电路。这种转换器不改变光信号原先所承载的信息内容、格式、速率等，并在一定程度上优化光载波的性能。

Description

光波长/模式转换器

技术领域

本发明涉及一种光波长/模式转换器，应用于SDH光通信、WDM光通信、CDMA基站中BBU和RFU之间光数字通信等领域的光波长和模式转换。特别适用于34Mb/s、52Mb/s、155Mb/s、622Mb/s、1250Mb/s、2500Mb/s数字光传输系统中的波长转换以及信号在多模光纤和单模光纤中的转换、线路中继、超长距离传输。

背景技术

光波长/模式转换器主要应用于目前光纤数字通信中需要进行波长和模式转换的地方。其主要应用有：

1.将已有光信号的波长转换成需要的波长进行转发，可以利用在波分复用系统，节约光缆资源。或者利用转换后的波长在光纤中的低损耗特点提高传输距离。

2.多模光纤和单模光纤之间的转接中的光纤匹配。可以提高系统传输距离。因为多模光纤的衰耗和色散都远远大于单模光纤。

3.接收小功率信号进行转发，延长传输距离，即中继功能。

4.在设备前采用特定接收组件转发光信号，提高设备接收灵敏度。

目前国内外有关光波长/模式转换的技术有申请号94118216、00801495、01137643等。以上方法都是运用纯光学方法进行波长的转换，而对于光信号在多模光纤和单模光纤中的转换尚未涉及。并且以上的转换方法不涉及对光信号的优化，也没提及对光信号速率的要求。

发明内容

本发明的目的是研制一种集中波长转换和模式转换功能的光波长/模式转换器。通过光电变换和电光变换完成波长和模式的转换。这种转换不改变光信号原先所承载的信息内容、格式、速率等，并且在一定程度上优化光载波的性能，例如消光比、抖动、边模抑制比、谱宽等。

本发明的技术方案：本发明的光波长/模式转换器主要包括光波长转换和模式转换，特别是用光电变换和电光变换完成波长和模式的转换，包括含光探测器的光接收模块部分及含激光器的光发射模块部分，用光电探测器将接收的λ1光信号转换为电信号，经接收模块中放大和整形电路放大和整形滤波后送给光发射模块部分的激光器驱动电路，激光器驱动电路来驱动一个波长为λ2的激光器。

所述的光波长/模式转换器，光接收模块部分包括光探测器、具有自动增益控制AGC功能的前置放大器和可以将前置放大器输出的差分电信号放大到一个恒定值的后置放大器，后置放大器输出的电信号再进入时钟提取和数据恢复电路，对接收到的信号进行整形、滤波处理，然后将这个差分电信号送入激光器驱动电路。

所述的光波长/模式转换器，其激光器驱动电路主要包括激光器驱动偏置电流源电路和激光器调制电路，激光器调制电路将差分电信号加载到激光器上，在发射电路中将激光器的偏置电流预设到激光器阈值附近，然后调节激光器的调制电流，使出射光消光比为8.2～12dB，利用激光器的背光探测器进行自动功率控制APC，保持发射光功率稳定。

所述激光器驱动电路还包括制冷电路，波长调整主要是利用对集成了制冷器的激光器管芯温度的精确控制来实现波长在一定范围内的微调整。

所述的光波长/模式转换器，其激光器关断主要是利用一个电控单刀单掷开关，当电控信号为低电平时开关导通，调制电流和偏置电流可以通过开关到达激光器，当电控信号为高电平时，开关关闭，调制电流和偏置电流不能通过开关到达激光器，从而关断激光器。

所述的激光器驱动电路还包括激光器扰动电路RO，激光器扰动电路RO是在激光器的驱动信号上迭加了一个频率为5K-20K，频偏为100M-1GHz的低频扰动信号来展宽光谱，以降低非线性效应的影响。

所述的光波长/模式转换器，其电路结构采用全差分电平设计，信号电平采用差分ECL电平，提高转换器的共模抑制比。

所述的光波长/模式转换器，其接收电路的电输出和发射电路的电输入之间采用直流耦合方式，信号线的阻抗匹配到50Ω，信号线共模电压为3～3.5V。

所述的光波长/模式转换器，其转换器主电路板采用多层电路板结构，高频阻抗线按照50Ω微带线设计。

本发明的优点是：

1.可以同时进行波长转换和模式转换，这里的模式转换包括可以将光信号在多模光纤和单模光纤之间进行转换以及光载波在VCSEL、LED、多纵模和单纵模之间转换。

2.波长转换范围广，输入波长与输出波长之间没有特定的相关关系。输入波长可以是从750nm-1700nm中的任何波长，输出波长理论上也可以是这个范围内的任意波长，但是考虑到目前光纤通信所采用的波长有限，输出波长主要有850nm、1300nm、1310nm、1550nm、DWDM规定的波长、CWDM规定的波长。

3.主要是用于光纤数字通信中的波长/模式转换。数字通信速率为2Mb/s-2.5Gb/s。对于数字信号的码型是透明的，即不论是何种码型，只要工作速率在规定的范围内，就可以进行波长/模式转换，并且不改变数字信号的内容，包括桢结构、开销、编码等。

4.在进行波长/模式转换的同时，本转换器还可以对光信号进行优化，例如改善信号的抖动性能、消光比、光谱特性(谱宽、边模抑制比等)等。

5.本转换器相对纯光学转换装置的另一个优点是可以提供丰富的辅助功能和监控功能。例如：波长微调整、激光器关端、无光告警、偏置电流监测、调制电流监测、扰动预啁啾、眼保护等。

6.成本较低。

附图说明

图1是本发明转换器的原理框图；

图2是光电探测器和前置放大器电路原理图；

图3是后置放大器电路原理图；

图4是时钟提取和数据恢复电路原理图；

图5是激光器驱动电路原理图；

图6是本发明在多模光纤与单模光纤之间光信号转换的应用框图；

图7是本发明的波长转换应用框图；

图8是本发明在超长距离传输的应用框图。

具体实施方式

本波长/模式转换器的工作原理是基于光电变换和电光变换。光通信中光只是载波，它的波长、模式不应影响其承载的信号。正是基于这个原理，我们通过光电探测器将光信号转变为电信号，这个电信号所承载的信息与光信号所承载的信息一样，然后用这个电信号驱动一个激光器，其波长、模式等参数可以与先前的光信号不同，这样便将信息从一个光载波转换到另一个光载波上。

如图1所示：主要的工作原理是光-电-光变换，即把波长为λ1的多模光经过光电探测器转换成电信号，这个电信号经过前置放大器放大后进入后置放大器，前置放大器具有自动增益控制(AGC)功能，可以根据信号幅度的大小自动调整放大倍数。后置放大器又称为限制放大器，它的放大倍数有一个限制，可以将前置放大器输出的差分电信号放大到一个恒定的值。后置放大器输出的电信号再进入时钟提取和数据恢复的电路，对接收到的信号进行整形、滤波等处理，此时这个电信号所承载的信息与先前λ1光信号所承载的信息完全相同。然后将这个差分电信号送入激光器驱动电路来驱动一个波长为λ2的激光器，激光器驱动电路包括自动功率控制电路(APC)，根据需要还可以配备制冷电路。这样当所选用的激光器的谱宽很窄时或比输入光的光谱窄很多时，就可以在转换器输出端得到一个波长为λ2，适于在单模光纤中传输的光信号，可以同时完成波长/光纤模式的转换。其中波长转换包括850nm转1310nm、850nm转1550nm、1310nm转850nm、1550nm转850nm、1310nm转1550nm、1550nm转1310nm、850nm转ITUT-G.692规定波长、1310nm转ITUT-G.692规定波长、各种波长转换到CWDM规定的波长。单模多模转换包括将光信号在多模光纤和单模光纤中的互换以及将光信号从多纵模转换到单纵模。

图2是光电探测器和前置放大器的原理图，首先光电探测器T将接收到的光信号(假设波长为λ1，模式为多模光信号)转换为电信号，这样就将原来在多模光纤中由波长为λ1所携带的信息变换为由电信号作为信息的载波，而其所携带的信息与多模光纤中由波长为λ1的光所携带的信息一样。这个电信号进一步进入前置放大电路。它采用集成电路，如MC2010。在图2中MC2010有一个高增益的单端CMOS放大器，它的增益是可变的，这种增益的变化是由输入光的大小决定的，前置放大器可以检测光电探测器输出电流的大小，根据电流的大小自动调整压控电阻的阻值，这样便可以实现自动增益控制功能。前置放大器的差分输出直接接至图3所示的后置放大器的差分输入端。

图3是后置放大器的电路原理图。后置放大电路采用集成电路，如MC2046，是由限放电路、ECL电平缓冲电路、电平检测电路、门限设置电路、自动调零电路等组成。由前置放大器过来的电信号经过限幅放大电路的进一步放大后进入ECL缓冲器后输出。限幅放大器的作用是将前置放大器输入的微小差分电信号放大到一个幅度恒定的差分信号。由前置放大器过来的电信号同时经过峰值检测电路，当检测到的峰值电平小于门限设置电路设置的值时在引脚ST和/ST上输出报警信号。另外当我们在引脚Cazp、Cazn之间连接一个10nf的电容时可以起到自动调零的功能，也即当没有信号输入时，自动消除信号通道上的偏置电压，使比较器保持在平衡点。后置放大器的输出信号直接进入时钟提取和数据恢复电路。

图4是时钟提取和数据恢复电路。它的主要作用是从接收到的信号中提取出时钟信号，然后用这个提取的时钟重新定时数据信号。起到一个信号整形、滤波和再生恢复的功能。时钟提取和数据恢复电路采用集成电路，如MAX3876。在这一部分电路中有一个压控振荡器和锁相环电路，这部分电路的作用是根据相位/频率检测电路的输出调整压控振荡器的频率，最终压控振荡器的输出时钟频率与输入信号的实际频率一致，然后用这个压控振荡器的输出频率作为触发器的时钟触发输入重新定时数据以达到数据的再生。这部分电路输出的差分数据信号和时钟信号直接进入框图四的激光器驱动电路的数据和时钟输入端。

图5是激光器驱动电路框图。激光器驱动电路采用集成电路，如MAX3869。其中包括了激光器驱动偏置电流源电路、激光器调制电路、自动功率控制电路、激光器扰动电路R、和调制电流、偏置电流检测电路。其中激光器驱动偏置电流源电路、激光器调制电路主要是将差分电信号加载到激光器上，驱动激光器发光(假设这个激光器发出的光波长为λ2，光为单纵模)，这样原来在多模光纤中由波长为λ1的光载波所承载的信息就转到了单模光纤中由波长为λ2的光载波上。实现了光波长/模式的转换。自动功率控制电路要用到激光器的背光探测器，根据背光探测器检测到的光信号大小，以负反馈的形式调节激光器的驱动电流，实现激光器出光功率的稳定。调制电流、偏置电流检测电路可以提供激光器的实时调制电流和偏置电流信息，便于对系统进行管理和监控。扰动电路是可选择的。它的作用是当激光器的谱宽很窄时，同时激光器的入纤功率很高时，此时的能量非常集中(能量谱密度很高)，容易超过光纤的布里渊散射功率阈值，影响信号传输质量。扰动电路的作用就是稍微展宽一点光谱宽度，使能量不是非常集中以减小非线性效应的影响。

根据目前的实际应用方式，我们的技术方案有以下几个重点：

1.为了提高转换器的整体性能，我们在电路结构上采用全差分架构，信号电平采用差分ECL电平，提高转换器的共模抑制比。

2.转换器主电路板采用多层电路电路板结构，高频阻抗线按照50Ω微带线设计，减少因为阻抗不匹配而带来的信号畸变。

3.在发射电路中将激光器的偏置电流预设到激光器阈值附近，然后调节激光器的调制电流，使出射光具有一个合适的消光比，约为10dB。利用激光器的背光探测器进行自动功率控制(APC)，保持发射光功率稳定。

4.在接收模块中除了光电转换器外(PIN型探测器或APD型探测器)，还要有前置放大和限放，将转换后的电信号放大到一个合适的范围，根据用户需求还可以加上时钟提取电路对数据进行再生。

5.在接收电路的电输出和发射电路的电输入之间采用直流耦合方式，电路板走线时要注意信号线的阻抗匹配，阻抗匹配到50Ω。同对信号线两端在无内部偏置时要加外部偏置，使信号线共模电压为3.3V左右。

6.为了便于通信系统的管理，可以在激光器偏置电流和调制电流通路上设置采样电阻，并通过放大电路放大后输出来检测偏置电流和调制电流。另外还可以根据用户要求提供多种辅助功能，例如：激光器关断、眼保护、波长调整、扰动预啁啾等。

7.激光器关断主要是利用一个电控单刀单至开关，其特点是当电控信号为低电平时开关导通，调制电流和偏置电流可以通过开关到达激光器。当电控信号为高电平时，开关关闭，调制电流和偏置电流不能通过开关到达激光器，从而关断激光器。

8.眼保护主要利用接收电路的无光告警信号作为上述电控开关的电控信号(也可以通过外部引脚人为引入关端信号)，当没有光或光很小时，无光告警电路输出一个高电平，关断激光器，避免在转换器不工作时激光器伤人眼。

9.波长调整主要是利用对集成了制冷器的激光器管芯温度的精确控制，实现波长在一定范围内的微调整。

10.扰动预啁啾主要是当我们采用光谱很窄的激光器时，由于其谱宽窄，能量谱密度非常高，容易产生非线性效应。我们在激光器的驱动信号上迭加了一个频率为5K-20K，频偏为100M--1GHz的低频扰动信号来展宽光谱。以降低非线性效应的影响。

Claims (9)

1、一种光波长/模式转换器，主要包括光波长转换和模式转换，其特征是用光电变换和电光变换完成波长和模式的转换，包括含探测器的接收模块部分及含光器的发射模块部分，用光电探测器将接收的λ1光信号转换为电信号经光接收模块放大和整形滤波送给光发射模块部分的激光器驱动电路，激光器驱动电路来驱动一个波长为λ2的激光器。

2、根据权利要求1所述的光波长/模式转换器，其特征是光接收模块部分包括具有自动增益控制AGC功能的前置放大器和可以将前置放大器输出的差分电信号放大到一个恒定值的后置放大器，后置放大器输出的电信号再进入时钟提取和数据恢复电路，对接收到的信号进行整形、滤波处理，然后将这个差分电信号送入激光器驱动电路。

3、根据权利要求1或2所述的光波长/模式转换器，其特征是激光器驱动电路主要包括激光器驱动偏置电流源电路和激光器调制电路，激光器调制电路将差分电信号加载到激光器上，在发射电路中将激光器的偏置电流预设到激光器阈值附近，然后调节激光器的调制电流，使出射光消光比为8.2～12dB，利用激光器的背光探测器进行自动功率控制APC，保持发射光功率稳定。

4、根据权利要求3所述的光波长/模式转换器，其特征是激光器驱动电路还包括制冷电路，波长调整主要是利用对集成了制冷器的激光器管芯温度的精确控制来实现波长在一定范围内的微调整。

5、根据权利要求3所述的光波长/模式转换器，其特征是激光器关断主要是利用一个电控单刀单置开关，当电控信号为低电平时开关导通，调制电流和偏置电流可以通过开关到达激光器，当电控信号为高电平时，开关关闭，调制电流和偏置电流不能通过开关到达激光器，从而关断激光器。

6、根据权利要求3所述的光波长/模式转换器，其特征激光器驱动电路还包括激光器扰动电路RO，激光器扰动电路RO是在激光器的驱动信号上迭加了一个频率为5K-20K，频偏为100M-1GHz的低频扰动信号来展宽光谱，以降低非线性效应的影响。

7、根据权利要求1或2所述的光波长/模式转换器，其特征是电路结构采用全差分电平设计，信号电平采用差分ECL电平，提高转换器的共模抑制比。

8、根据权利要求7所述的光波长/模式转换器，其特征是接收电路的电输出和发射电路的电输入之间采用直流耦合方式，信号线的阻抗匹配到50Ω，信号线共模电压为3～3.5V。

9、根据权利要求1或2所述的光波长/模式转换器，其特征是转换器主电路板采用多层电路板结构，高频阻抗线按照50Ω微带线设计。

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