CN1929344B - 高动态范围集成接收器 - Google Patents
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Abstract
一种高动态范围集成(HDRI)接收器，包括可变光衰减器(VOA)，其用于在光学信号被引导到光电检测器之前衰减入射光信号，所述光电检测器将所述光信号转换为电信号。光学装置接收来自光纤的光学信号并包括用于将光学信号引导到VOA以及将来自VOA的光学信号引导到光电检测器的光学器件。
Description
相关申请的交叉参考
本发明要求于2005年9月7日提交的美国专利申请号60/714,654的优先权，通过参考，将其全部内容结合入本发明中。
技术领域
本发明涉及一种具有扩展动态范围的光接收器，更具体地，涉及一种具有集成光衰减功能以实现扩展操作动态范围的光接收器。
背景技术
随着光通信系统的发展，对于低成本、高性能的在操作中具有扩展适应性的光学元件的需求日益增长。与基于离散元件的技术方案相比，元件集成是提供低成本和减小尺寸的关键技术。
在低光学输入功率时，光接收器的动态范围受耦合损耗和光电检测器灵敏度限制。在高光学输入功率时，动态范围受反映相关电子设备如转移阻抗放大器(TIA)的饱和电平的过载参数限制。在实际的网络应用中，可变光衰减器(VOA)放置在接收器之前，并用于将接收的光功率控制在限制的范围内，以确保最佳的接收器性能。当由于系统过载引起输入光功率级超过接收器损伤阈值时，VOA也具有能够被用作接收器过载保护的功能。
根据以上观点，可变衰减和接收器功能的集成具有很好的意义，从而为瞬时过载保护或性能最佳化提供基于接收器反馈的方便的闭环衰减控制。如由Y.Soskind et.al.在“High Dynamic Range Integrated 10 Gb/s Receiver”，Proc.SPIE Photonics Packaging andIntegration VI，vol.5358，pp.20-28，2004中公开的现有高动态范围集成(HDRI)接收器提供改善性能的集成好处，如总插入损耗、响应时间和光学元件数量上的减少。
针对VOA的应用，已经研制了不同类型的光衰减机构，这些机构包括例如于2004年8月24日授权的美国专利US 6,782,185，名称为“Optical Variable Attenuator andOptical Module”，于2004年6月22日授权的美国专利US 6,754,431，名称为“VariableOptical Attenuator”，和于2003年10月21日授权的美国专利US 6,636,683，名称为“Variable Optical Attenuator”中公开的多种类型的微电子机械系统(MEMS)结构；例如于2004年8月24日授权的美国专利US 6,781,736，名称为“Folded Liquid-Crystal VariableOptical Attenuator”，于2004年9月9日公布的申请号为20040174473的美国专利，名称为“Liquid Crystal Variable Optical Attenuator”，和于2004年7月22日公开的申请号号20040141710的美国专利，名称为“Variable Optical Attenuator”中公布的液晶装置；和例如于2003年8月26日授权的美国专利US 6,611,649，名称为“Variable OpticalAttenuator with Polarization Maintaining Fiber”，于2002年12月10日授权的美国专利US 6,493,478，名称为“Photothermal Optical Switch and Variable Attenuator”，和于2001年11月13日授权的美国专利US 6,317,233，名称为“Optical Power Equalizer in WDMOptical Communication System and Variable Attenuator for Use Therein”中公开的波导结构。
MEMS致动机构构成一组可靠的成本节省的元件，其很好地适用于大量制造和封装。具有MEMS致动器的VOA方案可以使用如在于1999年6月1日授权的美国专利US 5,909,078，名称为“Thermal Arched Beam Microelectromechanical Actuators”中公开的光束阻断器；如在于2004年6月22日授权的美国专利US 6,754,431，名称为“VariableOptical Attenuator”，和于1999年6月22日授权的美国专利US 5,915,063，名称为“VariableOptical Attenuator”中公开的倾斜镜；和如在http://www.lightconnect.com/products/voa.shtml上公开的反射衍射结构。
当设计集成产品时，接收器和VOA的封装考虑同样重要。进行O至E转换的接收器封装一般使用光学和RF端口，所述光学和RF端口彼此相对，以使同轴VOA光学布局很好地适用于接收器集成，例如见W.K.Hogan et.al.，“Low-Cost OpticalSub-Assemblies for Metro Access Applications”，Proc.54th Electronic Components andTechnology Conference，paper s05p4，pp.203-207，2004。光学阻断器很好地适用于如在于2003年12月4日公布并受让给JDS尤尼弗思公司的申请号为20030223727的美国专利，名称为“Optical receiver with high dynamic range”中公开的同轴VOA布局，以实现HDRI接收器的小尺寸。图1表示了具有光束阻断致动器的常规HDRI接收器的光学布局。来自角度抛光输入光纤101中的输出传播通过球形透镜102并耦合到反向照明光电检测器103的有效区域104。热致动光束阻断器105定位在离输入光纤101的距离D处的发散光束中。光束阻断器105向光束的横向移动提供所需的衰减，以扩展接收器的动态范围。
通常使用折叠光学构形以减少利用反射MEMS装置的离散封装VOA的封装尺寸。图2表示了使用反射致动器的常规VOA的示意光学布局。来自输入光纤201的输出传播通过准直透镜202，由VOA致动器203反射通过透镜202，并耦合到输出光纤204中。当使用反射镜代替VOA致动器203时，衰减通过改变反射镜的角度方向来实现。当使用衍射结构代替VOA致动器203时，衰减通过调节光束的干涉部分之间的相位差来实现。为了减小使用反射致动器的VOA的封装成本和复杂性，输入光纤201和输出光纤204都定位在VOA封装的相同一侧上，并共享封装馈通。
然而，在一些HDRI接收器应用中，希望使用反射MEMS结构。与热致动光束阻断器相比，反射静电MEMS反射镜或衍射结构需要显著降低的致动功率，并且当HDRI功耗被限制时可以使用。当需要几十微秒或更少的衰减响应时间时，也可以使用衍射MEMS结构。
将反射MEMS致动器集成到接收器封装中需要添加光学元件，而导致封装复杂性、尺寸和成本的增加，如图3所示。图3表示了使用根据准直光束工作的反射致动器303的HDRI Rx的常规光学布局。与图2所示的光学布局相比，图3中的光学布局使用附加的折叠式反射镜304和聚焦透镜305，从而增加了元件数量。来自输入光纤301中的输出传播通过准直透镜302，由VOA致动器303和折叠式反射镜304反射，传播通过聚焦透镜305，然后耦合到光电检测器306。折叠式反射镜304引入光电检测器306的横向位置偏离，引起封装的不对称和增加其尺寸。聚焦透镜305引起封装尺寸和定位复杂性的增加。反射VOA致动器303和折叠式反射镜304的表面与光电检测器306的平面成某一角度定向，使封装的复杂性增加。将反射MEMS结构(如VOA致动器303)集成到HDRI Rx中引起封装尺寸、复杂性和成本的增加。
在集成接收器的封装复杂性和用于实现衰减的MEMS致动器的选择之间存在明显的折衷，所述MEMS致动器即透射光束阻断器或反射光束阻断器。
本发明的目的是通过提供使用反射MEMS VOA结构的具有减小复杂性的小尺寸和不昂贵的HDRI Rx封装技术方案来克服现有技术的缺点。
发明内容
本发明通过将光束定形和光束重新引导的功能结合到单个光学元件中，提供具有减小尺寸和成本的HDRI Rx封装技术方案。在优选的技术方案中，光束定形和光束重新引导功能集成到可以容易制造的例如通过塑性注入模制的单个光学元件中。在光束定形和光束重新引导光学表面之间具有固定关系的单个光学元件的使用显著简化了HDRIRx装配过程，特别是当VOA结构和光电检测器装置彼此相邻定位在相同的支撑结构上时。
模制元件也可以结合机械安装特征和上述光学功能，以简化装配过程并进一步减小封装的复杂性和制造成本。
在另一实施例中，使用双反射镜装置将来自MEMS致动器的反射光重新引导到PD光敏区域，从而减小了对于角度未对准的装配灵敏度。
因此，本发明涉及一种光接收器分组件(ROSA)，包括：
输入端口，其用于接收光波导的端部，并发射具有光强和包括光学信号的光束；
可变光衰减器VOA机构，其用于衰减光束的光强；
光电检测器，其用于将所述光学信号转换为电信号；和
包括光学装置的光学耦合装置，其用于通过第一输入表面接收来自所述光波导的光束，其中所述光学装置包括光学器件，所述光学器件将光束引导到所述VOA机构、通过第二输入表面接收来自所述VOA机构的光束，以及将光束引导到所述光电检测器。
附图说明
本发明将参考表示优选实施例的所附附图进行详细描述，在附图中：
图1说明了具有光束阻断致动器的HDRI接收器的常规同轴光学布局；
图2说明了使用反射致动器的VOA的常规折叠光学布局；
图3说明了使用反射致动器和附加折叠式反射镜的HDRI接收器的常规光学布局；
图4说明了根据本发明第一实施例的使用反射致动器的HDRI接收器的同轴光学布局；
图5说明了根据本发明第二实施例的使用反射致动器的HDRI接收器的同轴光学布局；
图6说明了根据本发明第三实施例的使用反射致动器的HDRI接收器的同轴光学布局；和
图7说明了根据本发明第四实施例的使用反射致动器的HDRI接收器的实体模型剖面图。
具体实施方式
图4说明了根据本发明第一实施例的使用反射可变光衰减器(VOA)致动器411的高动态范围集成(HDRI)接收器的同轴光学布局。从限定为输入端口的输入光纤401中发射的发散光束402传播通过二氧化硅模块403，其与输入光纤401的端面光学接触放置，然后通过由第一输入平坦表面405限定的输入端口进入单片光学装置404，该第一输入平坦表面405也与二氧化硅模块403光学接触。二氧化硅模块403具有在输入光纤401和光学装置404的折射率之间的折射率，以为最小化其界面的背反射提供渐进转变。单片光学装置404集成五个光学界面，按照光束传播的顺序包括：输入平坦表面405、准直透镜表面406、平面折射表面407、平面反射表面408和聚焦透镜表面409。发散光束402通过透镜表面406准直，形成准直光束410，其被引导到反射VOA致动器机构411。通过VOA致动器机构411反射，包括至少一部分准直光束410的反射光束412通过平面折射表面407折射，形成光束413，通过平面反射表面408反射，形成光束414，然后通过聚焦透镜表面409出射光学装置404，形成会聚光束415。会聚光束415被引导到光电检测器416并耦合到其中的有效区域。光电检测器416可以包括以透镜形式形成在前表面417上的光学器件。理论上，VOA致动器机构411和光电检测器416安装在相同的支撑结构上(见图7)，以有助于与光学装置404的装配。在优选实施例中，光学装置404通过利用注入模制技术由光学聚合材料形成。平面反射表面408涂敷有高反射率涂层。与空气接触的相邻光学界面406、407和409可以涂敷有抗反射涂层，而界面405可以涂敷有折射率与模块403匹配的涂层，从而减小系统的插入损耗以及进入到输入光纤401中的光学反馈。可替换地，平面反射表面408可以由其他光学器件如顶部型双表面装置替代，该装置与单平面反射镜相比，有效地用作反向反射器并具有较低的未对准灵敏度。反向反射器可以使用TIR(全内反射)消除在反射镜表面施加涂层的必要性。因此，光学装置提供从输入端口将输入光束402经由VOA机构411耦合到光电检测器416的装置，该VOA机构411包括用于在小的ROSA封装内重新引导光的反射表面和透镜。
图5说明了根据本发明第二实施例的使用反射VOA致动器509的HDRI接收器的同轴光学布局。从输入光纤501发射的发散光束502传播通过二氧化硅模块503，其与光纤501的端面光学接触放置，然后通过以第一输入平坦表面505形式的输入端口，进入单片光学装置504，该第一输入平坦表面505也与二氧化硅模块503光学接触。单片光学装置504集成四个光学界面，按照光束传播的顺序包括：输入平坦表面505、耦合透镜表面506、平面折射表面507和平面反射表面508。发散光束502通过透镜表面506折射，形成会聚光束510，其被引导到反射VOA致动器509，形成反射光束511，即包括至少一部分会聚光束510的衰减光束。反射光束511通过平面折射表面507折射，形成光束512，在平面反射表面508处反射，形成光束513，然后通过平面折射表面507出射光学装置504，形成光束514。将光束514向光电检测器515引导并耦合到其中的有效区域。优选地，耦合透镜506具有使光束聚焦到光电检测器515上的焦距。光电检测器515可以包括形成在其前表面516上的光学透镜。理论上，VOA致动器509和光电检测器515安装在相同的支撑结构上(见图7)，以有助于与光学装置504的装配。在优选实施例中，光学装置504通过利用注入模制技术由光学聚合材料形成。反射表面508涂敷有高反射率涂层。光学界面506和507可以涂敷有抗反射涂层，而界面505可以涂敷有折射率与二氧化硅模块503匹配的涂层，从而减小系统的插入损耗以及进入到输入光纤501中的光学反馈。可替换地，反射表面508可以由其他光学器件如顶部型双表面装置替代，该装置与单平面反射镜相比，有效地用作反向反射器并具有较低的未对准灵敏度。反向反射器可以使用TIR(全内反射)消除在反射镜表面施加涂层的必要性。
图6说明了根据本发明第三实施例的使用反射VOA致动器612的HDRI接收器的同轴光学布局。从输入光纤601发射的发散光束602传播通过二氧化硅模块603，其与光纤601的端面光学接触放置，然后通过由第一输入平坦表面605限定的输入端口进入单片光学装置604，该第一输入平坦表面605也因为上述原因与二氧化硅模块603光学接触。单片光学装置604集成六个光学界面，按照光束传播的顺序包括：第一输入平坦表面605、耦合透镜表面606、第二输入平面(折射)表面607、第一和第二平面反射表面608和609，和输出平面折射表面610。发散光束602通过透镜表面606折射，形成会聚光束611，其被引导到反射VOA致动器612，形成反射光束613，其包括至少一部分会聚光束611。反射光束613通过第二输入平面(折射)表面607折射，由第一和第二反射表面608和609反射，然后通过平面折射表面610出射光学装置604，作为输出光束614。第一和第二反射表面608和609配置成与入射光束成锐角，例如从40°至50°，并在第一输入表面605和耦合透镜表面606之间，在光学装置604的相对侧上，且基本上彼此垂直例如从80°至100°，用于将光束613从会聚光束611的一侧重新引导为会聚光束611的相对侧上的输出光束614。第一和第二反射表面608和609可以是涂敷在光学装置604的成角度或倾斜边缘上的光学涂层。将输出光束614向光电检测器615引导并耦合到其中的有效区域。优选地，耦合透镜606具有使光束聚焦到光电检测器615上的焦距。光电检测器615可以包括形成在其前表面616上的光学透镜。理论上，VOA致动器612和光电检测器615彼此相邻安装在相同的支撑结构上(见图7)，以有助于与光学装置604的装配。在优选实施例中，光学装置604通过利用注入模制技术由光学聚合材料形成。由于在光学装置604内部超过临界角的光束的TIR(全内反射)，反射表面608和609可以不需要施加反射涂层并具有高反射率。相邻光学界面606、607和610可以涂敷有抗反射涂层，而界面605可以涂敷有折射率与二氧化硅模块603匹配的涂层，由此减小系统的插入损耗以及进入到输入光纤601中的光学反馈。
图7说明了用于光接收器分组件(ROSA)700的HDRI接收器的实体模型剖面图。ROSA 700包括单片光学装置前端701和正方形电底座702。形成输入端口的光学连接器703从光学前端701延伸，用于接收光纤(未示出)的套管端，其将发散光束704发射到ROSA 700中。在光学装置前端701中集成形成的透镜706通过第一输入表面接收光束并将光束704引导到VOA反射致动器707上。二氧化硅模块(如上)可以设置在光学连接器703中，用于使折射率与光纤匹配或用于通过具有光纤和透镜706的折射率之间的折射率提供光纤和透镜706之间的折射率转变。VOA 707依次引导衰减光束704即至少一部分输入光束通过第二输入(折射)表面708，然后离开第一反射表面709。光束704然后在透镜706的前面即在透镜706和底座702之间暂时出射光学装置701，然后通过第三输入(折射)表面711重新进入光学装置701。第二反射表面712布置成将光束704向光电检测器713反射。优选地，透镜706具有使光束聚焦到光电检测器713上的焦距。第一和第二反射表面709和712配置成与入射光束成锐角例如从40°至50°，并在光学装置701的相对侧上，基本上彼此垂直例如从80°至100°，用于将光束704从透镜706的一侧向其相对侧上重新引导。第一和第二反射表面709和712可以涂敷有适当的反射涂层或可以依靠其他光学器件如TIR，如之前所述。光电检测器713和VOA反射致动器707彼此相邻安装在电底座702上，该底座形成ROSA700的底座。适当的电连接通过底座702延伸，用于将ROSA 700电连接到模块印刷电路板(未示出)，以及在其间传输电信号。环形安装环716从光学装置前端701的背面延伸，用于与从底座702延伸的连接器717的环形部分配对。连接器717还包括安装在底座702上的正方形部分和在正方形和环形部分之间的过渡部分。安装环716和连接器717利用适当的粘合剂固定在一起。在优选实施例中，包括光学连接器703和安装环716的前端701通过注入模制技术由光学聚合材料集成形成。
因此，光学装置提供从输入端口将输入光束704经由VOA机构707耦合到光电检测器713的装置，包括用于在小的ROSA封装内重新引导光的反射表面和透镜。
本发明并不是简单结合现有装置如VOA器件(具有耦合/封装装置)和ROSA(具有各自的耦合/封装装置)，使其具有预知结果例如上述结合的动态范围的扩展。在本发明的ROSA的范围内，我们将光电检测器、衰减机构以及耦合和光束形成装置集成在单个器件中，与VOA和ROSA作为两个单独器件的结合相比，在耦合元件、耦合损耗和封装尺寸上具有有效的减小。
尽管本发明已经参考优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员应当理解，本发明的HDRI接收器设计的多种其他变形可以被构造，只要不偏离本发明的范围。
Claims (14)
1.一种光接收器分组件ROSA，包括：
输入端口，其用于接收光波导的端部，并发射具有光强和包括光学信号的光束；
可变光衰减器VOA机构，其用于衰减所述光束的光强；
光电检测器，其用于将所述光学信号转换为电信号；和
光学耦合装置，其用于通过其上的第一输入表面接收来自所述光波导的光束，其中所述光学耦合装置还包括：
第一透镜表面，用于将所述光束引导到所述VOA机构；
第二输入表面，用于接收来自所述VOA机构的光束；
至少一个反射表面，用于将来自所述VOA机构的光束重新引导到所述光学耦合装置，以及
第二透镜表面，用于将所述光束聚焦到所述光电检测器。
2.根据权利要求1所述的ROSA，其特征在于，所述至少一个反射表面依靠所述光学耦合装置内部的超过临界角的光束的全内反射。
3.根据权利要求1所述的ROSA，其特征在于，所述至少一个反射表面包括用于将来自所述VOA机构的光学信号重新引导到所述光电检测器上的第一反射表面和第二反射表面。
4.根据权利要求3所述的ROSA，其特征在于，所述第一和第二反射表面配置在所述光学耦合装置的相对侧上，所述反射表面基本上彼此垂直。
5.根据权利要求4所述的ROSA，其特征在于，所述第一和第二反射表面配置在所述第一透镜表面和所述光电检测器之间，由此所述光束出射并重新进入所述光学耦合装置的所述第一反射表面和第二反射表面之间的部分。
6.根据权利要求3所述的ROSA，其特征在于，所述第一反射表面和第二反射表面的至少一个依靠所述光学耦合装置内部的超过临界角的光束的全内反射。
7.根据权利要求1所述的ROSA，其特征在于，所述第一透镜表面将所述光束准直到所述VOA机构上。
8.根据权利要求1所述的ROSA，其特征在于，所述VOA机构包括反射器件，其用于衰减所述光束的强度，并用于将至少一部分所述光束重新引导返回所述光学耦合装置。
9.根据权利要求8所述的ROSA，其特征在于，所述VOA机构和所述光电检测器彼此相邻安装在底座上。
10.根据权利要求9所述的ROSA，其特征在于，所述光学耦合装置进一步包括安装环，其用于将所述底座连接到所述光学耦合装置的输入端口的相对端。
11.根据权利要求1至7中任意一项所述的ROSA，其特征在于，所述VOA机构和所述光电检测器彼此相邻安装在底座上。
12.根据权利要求1至10中任意一项所述的ROSA，其特征在于，所述光学耦合装置进一步包括光耦合器，其用于接收所述光纤的套管端。
13.根据权利要求1至10中任意一项所述的ROSA，其特征在于，所述光学耦合装置包括模制为单片结构的光学聚合材料。
14.根据权利要求1至10中任意一项所述的ROSA，进一步包括在所述输入端口和所述光学耦合装置之间的折射率匹配模块，其具有在所述光波导的折射率和所述光学耦合装置的折射率之间的折射率。
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