DE102010000982B4

DE102010000982B4 - Systeme zum diagnostischen Überwachen einer optischen Modulationsamplitude an einem optischen Empfänger unter Verwendung von automatischer Verstärkungssteuerung

Info

Publication number: DE102010000982B4
Application number: DE102010000982.2A
Authority: DE
Inventors: Jos De Langen; Tze Wei Lim; Adrianus J.P. van Haasteren
Original assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2030-01-19
Also published as: DE102010000982A1; US20120219286A1; JP5345956B2; DE102010000982A8; JP2010166567A; US8346101B2; US20100183296A1; US8200100B2

Abstract

Ein optisches Empfängersystem, aufweisend:
einen Eingang, der mit einem optischen Detektor gekoppelt ist, der einen elektrischen Strom in Reaktion auf ein optisches Signal an dem Eingang generiert;
einen Signalspiegel, der mit dem elektrischen Strom gekoppelt ist und konfiguriert ist, eine erste Darstellung und eine zweite Darstellung von dem elektrischen Strom an jeweilige Ausgänge weiterzuleiten;
einen Transimpedanzverstärker, der zum Empfangen der ersten Darstellung des elektrischen Stroms an einem Transimpedanzverstärkereingang angeordnet ist und konfiguriert ist, eine verstärkte Spannung zu generieren; und
einen Schaltkreis, der zum Empfangen der zweiten Darstellung des elektrischen Stroms an einem Eingang des Schaltkreises angeordnet ist und konfiguriert ist, einen Wert einer Differenz zwischen einem ersten Mittelwert von einem ersten Signallevel und einem zweiten Mittelwert von einem zweiten Signallevel zu generieren, der unterschiedlich zu dem ersten Mittelwert des ersten Signallevels ist, wobei der Schaltkreis ein diagnostisches Maß einer optischen Modulationsamplitude an einem Ausgang des Schaltkreises bereitstellt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein herkömmliches optisches Kommunikationssystem ist in 1 veranschaulicht. Das optische Kommunikationssystem 1 weist einen Sender 10, ein optisches Medium 20 (zum Beispiel eine optische Faser, einen Wellenleiter, freien Raum, etc.) und einen Empfänger 30 auf. Das optische Kommunikationssystem 1 empfängt eine Dateneingabe an einem Anschluss 5 und erzeugt eine Datenausgabe, die an einem Anschluss 35 bereitgestellt wird. Der Sender 10 enthält einen Dateneingang 12 und einen optischen Ausgang 14. Der Empfänger 30 enthält einen optischen Eingang 32 und einen Datenausgang 34. Das optische Medium 20 hat ein erstes Ende 22, das mit dem optischen Ausgang 14 gekoppelt ist, und hat ein zweites Ende 24, das mit dem optischen Eingang 32 gekoppelt ist. Der Sender 10 empfängt Daten in einem elektronischen Format und koppelt eine amplitudenmodulierte optische Darstellung der Daten auf das optische Medium 20. Der Empfänger 30 empfängt die amplitudenmodulierte optische Darstellung der Daten von dem optischen Medium 20 und wandelt dieselben in eine elektronische Darstellung der empfangenen Daten um.
Die optische Modulationsamplitude (OMA) eines Datensignals ist ein wichtiger Parameter, der beim Spezifizieren der Leistungsfähigkeit von optischen Verbindungen verwendet wird, die in digitalen Kommunikationssystemen verwendet werden. Bei einem gegebenen Rauschuntergrund (noise floor) des Empfängers bezieht sich die OMA direkt auf das Bit-Fehler-Verhältnis (bit error ratio, BER) eines Kommunikationssystems.
In bipolaren Non-return-to-zero (NRZ) optischen Signalschemen werden nur zwei diskrete optische Leistungslevels verwendet. Das höhere Level oder P_H und das niedrigere Level oder P_L . 2 enthält einen Plot 200 der optischen Leistung, aufgetragen gegen die Zeit, sowohl für den Sender 10 als auch für den Empfänger 30 aus 1. Wie in 2 dargestellt, ist OMA als die Differenz zwischen dem hohen Leistungslevel und dem niedrigen Leistungslevel definiert, was mathematisch folgendermaßen ausgedrückt werden kann: $O M A = P_{H} - P_{L}$
Die mittlere Signalleistung ist einfach der Mittelwert des hohen und des niedrigen Leistungslevels, das heißt $P_{A V G} = \frac{P_{H} + P_{L}}{2}$
Das Extinktionsverhältnis (extinction ratio, ER) ist das Verhältnis zwischen dem hohen Leistungslevel und dem niedrigen Leistungslevel: $E R = \frac{P_{H}}{P_{L}}$
Aus Gleichung 1, Gleichung 2 und Gleichung 3 kann die folgende Beziehung abgeleitet werden: $O M A = 2 P_{A V G} [\frac{E R - 1}{E R + 1}]$
OMA und ER selbst sind relative Größen, da diese die Differenz bzw. ein Verhältnis von Leistungslevels spezifizieren. Um eine absolute Größe aus der OMA oder dem ER abzuleiten, ist ein zusätzlicher Referenzpunkt, wie zum Beispiel P_AVG, P_H oder P_L erforderlich. Jede der Beziehungen, die in Gleichungen 3 und 4 definiert worden sind, hängen von einem von diesen zusätzlichen Referenzpunkten ab.
Zum Beispiel kann eine OMA von 100 µW mit einer unendlichen Anzahl von möglichen Werten für P_AVG , P_H oder P_L korrespondieren. P_H könnte 100 µW sein wenn P_L gleich 0 µW ist, oder P_H könnte 150 µW sein wenn P_L gleich 50 µW ist, oder P_H könnte 100 mW sein wenn P_L gleich 99,9 mW ist, etc.
In dem anderen Fall von ER kann in einem ähnlichen Beispiel unter Verwendung von ER = 10 dies mit einer unendlichen Anzahl von möglichen Werten für P_AVG , P_H oder P_L korrespondieren. P_H könnte 100 µW sein wenn P_L gleich 10 µW ist, oder P_H könnte 150 µW sein wenn P_L gleich 50 µW ist, oder P_H könnte 100 mW sein wenn P_L gleich 10 mW ist, etc.
Wenn zusätzlich zu der OMA und dem ER ein Referenzpunkt von P_AVG = 100 µW spezifiziert ist, dann besteht diese Unbestimmtheit nicht mehr. Mit einer OMA von 100 µW und P_AVG = 100 µW kann P_H nur 150 µW sein und P_L kann nur 50 µW sein. Falls das ER gleich 10 ist und P_AVG = 100 µW ist, dann kann P_H nur 182 µW sein und P_L kann nur 18,2 µW sein.
Während es offensichtlich erscheinen mag, dass die OMA und das ER nahezu gleich sind, gibt es Unterschiede. Einer von diesen Unterschieden ist, wie die OMA und das ER sich verändern, wenn ein Signal durch ein optisches Kommunikationssystem propagiert. Nimmt man ein optisches Kommunikationssystem mit einer linearen Dämpfung zwischen zwei Punkten an, dann wird das ER konstant bleiben, wenn das Signal gedämpft wird, wohingegen sich die OMA um einen Faktor verändern wird, der gleich der Dämpfung ist. Zum Beispiel ist über 10 km einer optischen Faser mit einer Dämpfung von 0,3 dB/km die gesamte Dämpfung über 10 km gleich 3 dB, was zu einem Faktor von 2 äquivalent ist. Ein durch die optische Faser übermitteltes Signal, das mit P_H von 1 mW und P_L von 0,1 mW startet, hat ein ER von 1/0,1 = 10 und eine OMA = 1-0,1 = 0,90 mW an dem Eingang zu der optischen Faser. An dem Ausgang der optischen Faser ist P_H 0,5 mW und P_L 0,05 mW (beide werden um einen Faktor von zwei reduziert). Daher ist das ER gleich 0,5/0,05 = 10 und die OMA = 0,5 - 0,05 = 0,45 mW. Daher ist das ER gleich geblieben und die OMA um einen Faktor von zwei reduziert worden. Sobald das ER bekannt ist, wird eine Messung der mittleren Leistung irgendwo in dem optischen Kommunikationssystem genug Informationen zum Berechnen von P_H , P_L und OMA liefern. Andererseits stellt ein Maß für OMA an einem beliebigen Punkt in dem System nicht genug Informationen bereit, um die OMA an einem anderen Punkt in dem System zu bestimmen, ohne die Größe der Dämpfung zu kennen oder zusätzliche Parameter zu messen (wie zum Beispiel P_AVG, P_H oder P_L).
Um die BER-Leistungsfähigkeit einer optischen Kommunikationsverbindung zu optimieren, sollte die OMA so groß wie möglich sein. In optischen Kommunikationsverbindungen gibt es obere und untere Limits von P_AVG und OMA. In einem optischen Empfänger gibt es ein oberes Limit der optischen Leistung, die empfangen werden kann. Wenn die empfangene optische Leistung dieses obere Limit überschreitet, verschlechtern Sättigungseffekte die BER-Leistungsfähigkeit. Für eine optimale Empfänger-BER-Leistungsfähigkeit sollte die OMA so groß wie möglich sein, während das obere Leistungslimit vermieden wird, was auftritt, wenn P_L gleich Null ist und P_H gerade unterhalb der oberen Leistungsgrenze ist. Für optische Sender, die einen Laser als eine Lichtquelle verwenden, ist es schwierig, P_L auf Null zu reduzieren. Wenn ein Laser von einem kompletten Aus-Zustand in einen Ein-Zustand geschaltet wird, beeinflussen eine Einschaltverzögerung und eine Relaxationsoszillation in negativer Weise die Kommunikationsverbindung. Falls der Laser über sein Schwellwertlevel vorgespannt ist, so dass er immer „ein“ ist, verringern sich Probleme mit der Einschaltverzögerung und der Relaxationsoszillation. Aus diesem Grunde emittieren praktische Lasersender einige optische Leistung bei P_L . Ein komplizierender Faktor ist, dass der Laserschwellwert sich signifikant mit der Temperatur verändert, was es schwierig macht, die Differenz zwischen der Vorspannung und dem Schwellwert konstant zu halten. Eine exakte Steuerung des Vorspannungsstroms über einen großen Temperaturbereich hinweg fügt optischen Sendern in signifikanter Weise Komplexität und Kosten hinzu.
Für herkömmliche optische Kommunikationsverbindungen, die Multimodefasern mit relativ niedrigen Verlusten als das Kommunikationsmedium verwenden, ist eine Kombination des ER und der mittleren Leistung an dem Sender als ein adäquates Maß der Qualität der Kommunikationsverbindung bereitgestellt worden. Für optische Kommunikationsanwendungen, die Fasern mit großem Kern (zum Beispiel Polymerlichtleiter (polymer optical fiber, POF) verwenden, stellt die Kombination aus dem ER und der mittleren Leistung bei dem Sender kein adäquates Maß der Qualität der optischen Kommunikationsverbindung bereit. Während POF kostengünstig und mit herkömmlichen Werkzeugen und normalem Polierpapier terminierbar ist, dämpft POF mehr und stellt weniger Bandbreite bereit, verglichen mit einer optischen Faser von ähnlicher Länge, die aus Siliziumoxid hergestellt ist. Kommunikationsanwendungen, die POF verwenden, sind in industriellen Steueranwendungen, der Robotik und Automotive-Anwendungen eingesetzt worden, wo Signalraten viel kleiner sind als jene, die in Hochgeschwindigkeits-Telekommunikationsanwendungen verwendet werden. Die relativ niedrigen Signalraten, welche einfache und kostengünstige Sender auf Basis von Leuchtdioden (LED) ermöglichen, haben sich als ein signifikanter Faktor in der Marktakzeptanz und der -durchdringung für Systeme auf Basis von POF-Kommunikation herausgestellt. Allerdings gibt es einen Bedarf, bei industriellen Automationsapplikationen das Fast Ethernet Datentransferprotokol (100 Mbps) über POF-Verbindungen mit einer Länge von bis zu 50 m und hartummantelte Siliziumoxid (HCS, hard cladded silica)-Verbindungen mit einer Länge von bis zu 100 m zu verwenden. Über diese Distanzen hinaus wird die Bandbreite von Standard 0,5 numerischer Apertur (NA) POF- und 0,37 NA HCS-Verbindungen keine schnelle Ethernet-Kommunikation unterstützen. Die limitierte Bandbreite von POF- und HCS-Kommunikationsverbindungen, sogar bei den gewünschten maximalen Distanzen, macht die Kombination des ER und der mittleren Leistung bei dem Sender als ein Maß für die Qualität einer Kommunikationsverbindung ineffektiv. Dies liegt daran, dass die mittlere empfangene Lichtleistung nominal sein kann, aber modale Dispersion in dem Kommunikationsmedium die Differenz zwischen dem hohen Signallevel und dem niedrigen Signallevel bei dem Empfänger reduzieren kann. Solch eine Reduktion in der Differenz zwischen dem hohen Signallevel und dem niedrigen Signallevel kann die BER-Leistungsfähigkeit der Kommunikationsverbindung stark verschlechtern.
US 2006/0202765 A1 beschreibt, dass der lineare Verstärkungsbereich eines Vorverstärkers erweitert wird, indem die folgenden Aktionen innerhalb des Vorverstärkers durchgeführt werden: Umwandeln eines empfangenen Eingangsstroms in eine erste Spannung; Verstärken der ersten Spannung, um eine zweite Spannung zu erzeugen, in Übereinstimmung mit einem von mehreren diskreten Verstärkungszuständen; in Reaktion darauf, dass der empfangene Eingangsstrom einen oder mehrere Schwellen überschreitet, Umschalten des Verstärkungszustands, der zum Verstärken der ersten Spannung verwendet wird; und Ausgeben einer Anzeige des aktuellen Verstärkungszustands des Vorverstärkers.
EP 0 662 740 B1 beschriebt eine Vorrichtung zur Steuerung der Vorspannung und der Modulation einer Laserdiode. Die Vorrichtung umfasst eine Laseransteuerschaltung, ein Überwachungselement, eine Steuerschaltung für den mittleren Vorstrom und eine Steuerschaltung für den Modulationsstrom. Die Laseransteuereinheit, die mit der Laserdiode verbunden ist, empfängt analoge und digitale Niedrig- und Hochgeschwindigkeitseingangssignale und spannt vor und moduliert in Reaktion auf diese Signale die Laserdiode. Das Überwachungselement spricht auf ein Ausgangssignal der Laserdiode an und stellt ein Laserausgangssignal bereit, sodass die Leistung des Laserausgangssignals angezeigt wird. Die Steuerschaltung für den mittleren Vorstrom ist an das Überwachungselement angeschlossen und empfängt das Laserausgangssignal, wobei die Steuerschaltung für den mittleren Vorstrom bildet den Mittelwert des empfangenen Laserausgangssignals, vergleicht das gemittelte Signal mit einem vorgegebenen Mittelwert-Referenzsignal und erzeugt in Reaktion auf diesen Vergleich ein Steuersignal für den mittleren Laservorstrom. Die Steuerschaltung für den Modulationsstrom ist an das Überwachungselement angeschlossen und empfängt das Laserausgangssignal, wobei die Steuerschaltung in Reaktion auf einen Vergleich ein digitales Modulationssteuersignal erzeugt und ein analoges Modulationssteuersignal erzeugt.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Empfängersystem bereitzustellen, welches bei ausreichender Leistungsfähigkeit kostengünstig ausbildbar ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Ein Beispiel eines optischen Empfängersystems stellt ein diagnostisches Maß für OMA (optische Modulationsamplitude) an anderer Stelle als an einem Signalausgang des Empfängers bereit. Das optische Empfängersystem enthält einen Eingang, der mit einem optischen Detektor gekoppelt ist, der einen elektrischen Strom erzeugt, der mit einem optischen Signal an dem Eingang korrespondiert. Das optische Empfängersystem enthält ferner einen Transimpedanzverstärker und einen Schaltkreis. Der Transimpedanzverstärker empfängt den elektrischen Strom und erzeugt eine verstärkte Spannung. Der Transimpedanzverstärker legt eine automatische Verstärkungssteuerung an, um sicherzustellen, dass die Ausgabe des Transimpedanzverstärkers nicht limitiert wird. Das heißt, dass die automatische Verstärkungssteuerung sicherstellt, dass der Transimpedanzverstärker nicht in einen gesättigten Zustand gelangt. Der Schaltkreis empfängt die verstärkte Spannung und einen Indikator der Verstärkung, die mittels des Transimpedanzverstärkers angelegt wird. Der Schaltkreis generiert eine Differenz zwischen einem ersten Signallevel und einem zweiten Signallevel als eine Funktion des elektrischen Stroms und der Verstärkung, die mittels des Transimpedanzverstärkers angelegt wird. Der Schaltkreis stellt ein diagnostisches Maß für OMA bereit.
Ein Ausführungsbeispiel eines optischen Empfängersystems stellt ein diagnostisches Maß von OMA an anderer Stelle als an einem Signalausgang des Empfängers bereit. Das optische Empfängersystem enthält einen Eingang, der mit einem optischen Detektor gekoppelt ist, der einen elektrischen Strom in Reaktion auf ein optisches Signal an dem Eingang generiert. Das optische Empfängersystem enthält ferner einen Signalspiegel, einen Transimpedanzverstärker und einen Schaltkreis. Der Signalspiegel ist mit dem elektrischen Strom gekoppelt und leitet erste und zweite Darstellungen des elektrischen Stroms an jeweilige Ausgänge des Signalspiegels weiter. Der Transimpedanzempfänger empfängt den elektrischen Strom und erzeugt eine verstärkte Spannung. Der Schaltkreis empfängt eine Darstellung des elektrischen Stroms an einem Eingang des Schaltkreises und generiert eine Differenz zwischen einem ersten Mittelwert von einem ersten Signallevel und einem zweiten Mittelwert von einem zweiten Signallevel. Die Differenz stellt ein diagnostisches Maß von OMA an einem Ausgang des Schaltkreises bereit.
Ein Beispiel von einem Verfahren zum Bereitstellen einer diagnostischen Messung von OMA an einem optischen Empfänger, der automatische Verstärkungssteuerung einsetzt, enthält die Schritte des Anlegens einer Darstellung von einer Ausgabe eines optischen Detektors an einen Schaltkreis, der eine Differenz zwischen einem ersten Signallevel und einem zweiten Signallevel ermittelt, und Puffern (oder Zwischenspeichern) der Differenz zwischen dem ersten Signallevel und dem zweiten Signallevel, empfangen von dem Schaltkreis.
Somit sind optische Empfänger und ein Verfahren zum Bereitstellen einer diagnostischen Messung der optischen Modulationsamplitude an einer anderen Stelle als einem Signalausgang eines optischen Empfängers erfunden und offenbart. Das Verfahren enthält die Schritte des Anlegens einer Darstellung einer Ausgabe eines optischen Detektors an einen Schaltkreis, der eine Differenz zwischen einem ersten Signallevel und einem zweiten Signallevel ermittelt, das von dem ersten Signallevel unterschiedlich ist, und des Pufferns der Differenz zwischen dem ersten Signallevel und dem zweiten Signallevel, empfangen von dem Schaltkreis. Die optischen Empfänger enthalten einen optischen Detektor, einen Transimpedanzverstärker, der automatische Verstärkungssteuerung anwendet, einen Schaltkreis, der eine Differenz zwischen zwei Signalwerten ermittelt, und einen limitierenden Nachverstärker. Die Empfänger stellen ein diagnostisches Maß bereit, das mit verschiedenen Schwellwerten verglichen werden kann, bezogen auf bekannte Bit-Fehler-Raten oder angewendet in einer Berechnung zum Generieren eines absoluten optischen Modulationsamplitudenwerts.
Die folgenden Figuren und die folgende ausführliche Beschreibung sind nicht abschließend. Die offenbarten Ausführungsbeispiele werden veranschaulicht und beschrieben, um einen durchschnittlichen Fachmann auf dem technischen Gebiet in die Lage zu versetzen, die optischen Empfänger und die Verfahren zum Bereitstellen eines Maßes für OMA herzustellen und zu verwenden. Andere Ausführungsbeispiele, Merkmale und Vorteile der optischen Empfänger und der Verfahren sind oder werden für die Fachleute auf dem technischen Gebiet bei Untersuchung der folgenden Figuren und detaillierten Beschreibung offensichtlich werden. Alle solchen zusätzlichen Ausführungsbeispiele, Merkmale und Vorteile sind innerhalb des Schutzumfangs der Systeme und der Verfahren, die in den beigefügten Patentansprüchen definiert sind.
Figurenliste
Die Systeme und Verfahren zum diagnostischen Überwachen von OMA an einem optischen Empfänger, der automatische Verstärkungssteuerung verwendet, können unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren besser verstanden werden. Die Komponenten innerhalb der Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich, wobei stattdessen Augenmerk gelegt wird auf das klare Veranschaulichen der Prinzipien des Bereitstellens eines Maßes von OMA an einem Ausgang von einem optischen Empfänger, der automatische Verstärkungssteuerung verwendet, um eine Sättigung eines Transimpedanzverstärkers zu vermeiden. Ferner bezeichnen in den Figuren über die unterschiedlichen Ansichten hinweg entsprechende Bezugszeichen entsprechende Teile.

1 ist ein vereinfachtes funktionales Blockdiagramm eines herkömmlichen optischen Kommunikationssystems.
2 ist ein Ausführungsbeispiel eines exemplarischen Plots der optischen Leistung gegen die Zeit für den Sender und den Empfänger des optischen Kommunikationssystems von 1.
3 ist ein schematisches Diagramm eines verbesserten optischen Empfängers gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 ist ein schematisches Diagramm eines alternativen verbesserten optischen Empfängers gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bereitstellen eines diagnostischen Maßes von OMA in einem Empfänger gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, der automatische Verstärkungssteuerung verwendet.
6 ist ein Flussdiagramm von einem Verfahren zum Bereitstellen eines diagnostischen Maßes von OMA in einem Empfänger, der automatische Verstärkungssteuerung verwendet, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 ist ein Flussdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bereitstellen eines diagnostischen Maßes von OMA in einem Empfänger, der automatische Verstärkungssteuerung verwendet, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein optischer Empfänger überwacht eine Spannung und gibt eine Spannung aus, welche die OMA von einem empfangenen optischen Signal an dem optischen Empfänger darstellt. Die Spannung ist ein diagnostisches Maß für die Qualität der optischen Kommunikationsverbindung, die mittels eines (in Signalflussrichtung) stromaufwärts angeordneten (upstream) Senders, eines optischen Mediums und dem optischen Empfänger definiert ist. Die Spannung stellt ein direktes Maß für die Signalstärke dar, statt einer indirekten Berechnung, die ein oder mehrere Maße von einem Referenzpunkt und des ER des stromaufwärts angeordneten Senders verwendet, um die Qualität der Kommunikationsverbindung zu charakterisieren. Ein direktes Maß für die Qualität der Kommunikationsverbindung stellt die Fähigkeit bereit, vertikales Augenschließen (eye closure, Verschlechterung der Augenöffnung) aufgrund von Intersymbolinterferenz (inter-symbol interference, ISI, Symbolübersprechen) zu verfolgen, was durch erhöhte Anstieg-/Abfallzeiten des Senders, ein reduziertes Sender-ER und erhöhte Dispersionseffekte in einem Fasermedium, etc. verursacht wird. Wie oben beschrieben, ist diagnostisches Überwachen basierend auf OMA besser mit der BER-Leistungsfähigkeit einer optischen Kommunikationsverbindung korreliert als Überwachungseinrichtungen, die ein Maß eines Mittelwerts einer optischen Eingabeleistung verwenden. Dies ist insbesondere der Fall für optische Kommunikationsverbindungen, die Bandbreite-limitierte Sender verwenden, Bandbreite-limitierte Fasermedien und/oder Fasermedien mit relativ hohen Verlusten wie Polymerlichtleiter (POF) und hartummantelte Siliziumoxid-(HCS)-Fasern.
Ein optischer Empfänger verwendet automatische Verstärkungssteuerung zum Unterstützen des dynamischen Bereichs von POF und HCS Kommunikationsmedien (1 mW bis 1 µW oder 0 dBm bis -30 dBm) und stellt eine diagnostische Messung von OMA an anderer Stelle als an als einem Signalausgang bereit. Zwei Ausführungsbeispiele werden insbesondere vorgestellt. In einem ersten Ausführungsbeispiel wird OMA basierend auf einem Signalschwingen an einem Eingang zu einem signalbegrenzenden Verstärker (oder Nachverstärker) in Kombination mit einer tatsächlichen Transimpedanzverstärkungseinstellung an einem zugeordneten Empfängerausgang bereitgestellt. Ein Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis (das heißt ein Schaltkreis, der bei einer Rate in dem Kiloherzbereich oder langsamer betrieben wird oder sogar nur dort betrieben werden kann) nimmt einen Mittelwert von den Hochsignalpeaks und einen Mittelwert von den Niedrigsignalpeaks auf. Daher stellt der Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis ein Maß für das Peak-zu-Peak-Signalschwingen (bzw. ein Maß für einen Peak-zu-Peak-Signalhub) an dem Eingang zu dem Signal-limitierenden Verstärker bereit. Der Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis kombiniert das Maß für das Peak-zu-Peak-Signalschwingen mit der Verstärkung des Transimpedanzverstärkers zum Generieren eines absoluten Maßes für OMA an dem Empfänger.
Wenn zum Beispiel die Lichtintensität an dem optischen Detektor sehr niedrig ist, wird die Transimpedanzverstärkungseinstellung bei einer maximalen Verstärkungseinstellung sein. Unter diesen Betriebsbedingungen wird das Signalschwingen an dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers eine Darstellung des optischen Signalschwingens an dem optischen Detektor sein. Wenn die Lichtintensität bis zu einem Punkt erhöht wird, an dem die automatische Verstärkungssteuerung des Transimpedanzverstärkers beginnt, das Signal zu dämpfen, um sicherzustellen, dass die Ausgabe des Transimpedanzverstärkers nicht limitiert wird (das heißt der Transimpedanzverstärker nicht gesättigt ist), wird die Ausgabe des Niedriggeschwindigkeitsschaltkreises mittels der Verstärkung justiert, die an dem Transimpedanzverstärker angelegt ist, um das optische Signalschwingen an dem optischen Detektor präzise zu verfolgen. Ein Treiber stellt eine analoge Spannung an einem Nichtdaten-Ausgang des Empfängers bereit. Die analoge Spannung kann eine Beziehung zu einem Maß der Verbindungsqualität aufweisen. Daher kann für einen bestimmten Empfänger eine Beziehung zwischen der analogen Spannung und dem OMA-Schwingen an dem Empfänger ermittelt werden. Zusätzlich kann, sobald ein Maß für den Rauschuntergang des Empfängers aufgenommen oder charakterisiert ist, eine Beziehung zwischen dem OMA-Schwingen und dem BER für die Kommunikationsverbindung bereitgestellt werden.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird OMA basierend auf einem Signalschwingen an einem Eingang zu einem Transimpedanzverstärker an einem zugeordneten Empfängerausgang bereitgestellt. Ein Signal- oder Stromspiegel wird zwischen dem optischen Detektor und einem Transimpedanzverstärker eingefügt bzw. dazwischen angeordnet, der automatische Verstärkungssteuerung (automatic gain control) anwendet, um sicherzustellen, dass der Ausgang des Transimpedanzverstärkers nicht limitiert (oder begrenzt) ist. Ein erster Ausgang des Signalspiegels (signal mirror) ist mit dem Transimpedanzverstärker gekoppelt. Ein zweiter Ausgang des Signalspiegels ist mit einem Festverstärkungsverstärker (ein Verstärker mit einer festen Verstärkung) gekoppelt, der eine solche Verstärkung hat, dass der Ausgang des Festverstärkungsverstärkers über den dynamischen Bereich des Empfängers nicht in Sättigung gerät, und ein Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis, der ein mittleres Peak-zu-Peak-Signalschwingen erzeugt. Ein optischer Empfänger gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel kann vorzugsweise mit dem Signalspiegel, Transimpedanzverstärker, Festverstärkungsverstärker, dem Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis und dem Puffer konstruiert sein, gebildet auf einem einzigen Substrat. Der Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis stellt ein Maß für das Peak-zu-Peak-Signalschwingen an dem Ausgang des Festverstärkungsverstärkers bereit. Ein mit einem Ausgang des Niedriggeschwindigkeitsschaltkreises gekoppelter Treiber stellt an einem Nichtdaten-Ausgang des Empfängers eine analoge Spannung bereit. Die analoge Spannung kann einen Bezug zu einem Maß für die Verbindungsqualität aufweisen.
Nun Bezug nehmend auf die Figuren, in denen über die Zeichnungen hinweg entsprechende Bezugszeichen entsprechende Teile bezeichnen, wird auf 3 Bezug genommen, die ein schematisches Diagramm von einem Ausführungsbeispiel eines verbesserten optischen Empfängers 300 enthält.
Der optische Empfänger 300 enthält eine Serienanordnung von einem optischen Detektor 310, einem Vorverstärker 320 und einem Nachverstärker 330. Der optische Empfänger 300 empfängt ein optisches Signal an einem zweiten Ende oder Ausgabeende 24 von einem optischen Medium 20 und generiert ein erstes elektrisches Signal, das als DATA bezeichnet wird, an Anschluss 333, das heißt eine verstärkte Version des optischen Datensignals, das an Eingang 302 empfangen wird. Das erste elektrische Signal an Anschluss 333 und das komplementäre Signal an Anschluss 335 sind zwischen der logisch hohen Spannung und der logisch niedrigen Spannung limitiert oder gehalten. Zusätzlich zu dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal generiert der optische Empfänger 300 eine Spannung an Anschluss 339 (als OMA bezeichnet), die ein Maß für die optische Modulationsamplitude an dem Eingang 302 ist.
Der optische Detektor 310 ist mit dem Eingang 302 über einen optischen Kopplungsmechanismus 305 gekoppelt. Das optische Koppeln 305 kann eine Muffenkopplung (butt coupling), ein Brechungskoppeln (refractive coupling), ein Faserstutzen (fiber stub), etc. sein. Der optische Detektor 310 ist ferner mit dem Vorverstärker 320 über Anschluss 315 gekoppelt. Der optische Detektor 310 ist ein optisch-zu-elektrisch Signalwandler. Das heißt, dass der Strom an Anschluss 315 als Antwort auf das zeitlich veränderliche Lichtsignal gesehen werden kann, das über den Eingang 302 und den optischen Kopplungsmechanismus 305 empfangen wird.
Der Transimpedanzverstärker 322 empfängt den Strom an Anschluss 315 und wandelt denselben in eine zeitlich veränderliche Spannung an dem Vorverstärkerausgangsanschluss 325 um, der mit einem Signaleingang des Nachverstärkers 330 gekoppelt ist. Ein Indikator für die Verstärkung ist an Anschluss 323 zu dem Nachverstärker 330 bereitgestellt. Der Vorverstärker 320 enthält einen Transimpedanzverstärker 322 mit automatischer Verstärkungssteuerung. Der Vorverstärker 320 ist eingerichtet, die automatische Verstärkungssteuerung dynamisch anzulegen, um sicherzustellen, dass die verstärkte Spannung an Anschluss 325 an dem Ausgang des Vorverstärkers das zeitlich variierende optische Signalschwingen an dem Eingang 320 ohne Sättigung des Transimpedanzverstärkers 322 präzise widerspiegelt.
Der Signal limitierende Nachverstärker 332 empfängt die verstärkte Spannung an Anschluss 325 und generiert das mit DATA bezeichnete erste elektrische Signal an Anschluss 333 und sein Komplement (das heißt das zweite elektrische Signal) an Anschluss 335. Ein Schaltkreis 336 mit einer relativ (insbesondere im Verhältnis zu anderen Komponenten) niedrigen (Verarbeitungs-)Geschwindigkeit empfängt die verstärkte Spannung an Anschluss 325 und den Indikator der Verstärkung, angelegt mittels des Transimpedanzverstärkers 322 an Anschluss 323. Der Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis 336 generiert die Differenz zwischen einem ersten Signallevel und einem zweiten Signallevel. Die Differenz zwischen dem ersten Signallevel und dem zweiten Signallevel wird über Anschluss 337 zu einem Treiber oder Puffer 338 weiter geleitet, welcher mit dem Anschluss 339 gekoppelt ist. Der Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis 336 ist eingerichtet, in dem kHz-Bereich oder langsamer betreibbar zu sein. Der Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis 336 ermittelt den Mittelwert des hohen Signallevels an dem Ausgang des Vorverstärkers 320 und den Mittelwert des niedrigen Signallevels an dem Ausgang des Vorverstärkers 320 und leitet die Differenz von diesen mittleren Signallevels weiter zu seinem Ausgang. Zum Bereitstellen einer präzisen Darstellung des optischen Signalschwingens an dem Eingang 302 des optischen Empfängers 300 wird die Ausgabe des Niedriggeschwindigkeitsschaltkreises 336 mittels der Verstärkung justiert, die an den Transimpedanzverstärker 322 angelegt wird. Wenn zum Beispiel ein Verstärkungsfaktor von 0,1 an dem Transimpedanzverstärker 322 angelegt ist, um sicherzustellen, dass die Ausgabespannung nicht limitiert ist und das mittels des Schaltkreises 336 gemessene mittlere Peak-zu-Peak-Spannungsschwingen 40 mV ist, multipliziert der Schaltkreis 346 das Inverse der Verstärkung mit dem Peak-zu-Peak-Spannungsschwingen und generiert ein Ausgabesignal an Anschluss 337 von 400 mW. Der Puffer 338 ist bereitgestellt, um sicherzustellen, dass externes Überwachungsequipment nicht das diagnostische Maß (oder Messen) von OMA an Anschluss 339 negativ beeinflusst.
4 ist ein Schaltkreisdiagramm von einem alternativen Ausführungsbeispiel von einem verbesserten optischen Empfänger. Der optische Empfänger 400 enthält eine Anordnung von einem optischen Detektor 310, einem Signalspiegel 410, einem Vorverstärker 420 und einem Nachverstärker 430. Der optische Empfänger 400 empfängt ein optisches Signal an einem zweiten Ende oder Ausgabeende 24 von einem optischen Medium 20 und generiert ein erstes elektrisches Signal, bezeichnet mit DATA, an Anschluss 433, welches eine verstärkte Version des optischen Datensignals ist, das an dem Eingang 302 empfangen wird. Das erste elektrische Signal an Anschluss 433 und des komplementäre Signal an Anschluss 435 sind zwischen der logisch hohen Spannung und der logisch niedrigen Spannung limitiert oder gehalten. Zusätzlich zu dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal generiert der optische Empfänger 400 eine Spannung an Anschluss 429 (bezeichnet als OMA), die ein Maß (oder eine Messung) für die optische Modulationsamplitude an dem Eingang 302 ist.
Der optische Detektor 310 ist mit dem Eingang 302 über einen optischen Kopplungsmechanismus 305 gekoppelt. Der optische Detektor 310 ist ferner über Anschluss 315 mit dem Signalspiegel 410 gekoppelt. Der optische Detektor 310 ist ein optisch-zu-elektrisch Signalwandler. Das heißt, dass der Strom an Anschluss 315 als Antwort auf ein zeitlich veränderliches Lichtsignal gesehen werden kann, das über den Eingang 302 und den optischen Kopplungsmechanismus 305 empfangen werden kann.
Der Signal- oder Stromspiegel 410 stellt eine erste Vorverstärkereingabe an Anschluss 413 und eine zweite Vorverstärkereingabe an Anschluss 415 bereit. Der Signalspiegel 410 ist ein Schaltkreis, der zum Kopieren eines Stromes durch ein aktives Gerät mittels Steuerns des Stroms in einem anderen aktiven Gerät des Schaltkreises ausgestaltet ist. Der Signalspiegel 410 hält den Ausgangsstrom an Anschluss 413 und den Ausgangsstrom an Anschluss 415 konstant, unabhängig von der Last des Vorverstärkers und des Nachverstärkers (falls eine Last vorliegt). Der Signalspiegel 410 stellt eine Darstellung des Stroms bereit, der mittels des optischen Detektors 310 an dem Anschluss 413 und dem Anschluss 415 bereitgestellt ist.
Die erste Vorverstärkereingang an Anschluss 413 ist mit einem Transimpedanzverstärker 422 gekoppelt, der den Strom an Anschluss 413 empfängt und denselben in eine zeitlich veränderliche Spannung an Vorverstärkerausgangsanschluss 423 umwandelt, der mit einem Signaleingang des Nachverstärkers 430 gekoppelt ist. Der Transimpedanzverstärker 422 wendet dynamisch automatische Leistungssteuerung an, um sicherzustellen, dass die verstärkte Spannung an Anschluss 423 an dem Ausgang des Vorverstärkers 420 das zeitlich variierende optische Signalschwingen an dem Eingang 302 ohne ein Sättigen des Transimpedanzverstärkers 422 präzise wiedergibt.
Ein optischer Signalüberwachungspfad innerhalb des Vorverstärkers 420 enthält eine Anordnung von einem Festverstärkungsverstärker 422, einem Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis 426 und einem Treiber oder Puffer 428. Der Festverstärkungsverstärker 424 empfängt die zweite Vorverstärkereingabe an Anschluss 415 und leitet eine zeitlich variierende verstärkte Spannung an Anschluss 425 weiter. Der Festverstärkungsverstärker 424 ist konfiguriert, eine zeitlich variierende verstärkte Spannung bereitzustellen, die nicht auf den dynamischen Bereich des optischen Empfängers 400 begrenzt ist. Der Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis empfängt die verstärkte Spannung an Anschluss 425 und generiert die Differenz von einem Mittelwert eines hohen Signallevels und einem Mittelwert eines niedrigen Signallevels. Die Differenz des Mittelwerts des hohen Signallevels und des Mittelwerts des niedrigen Signallevels wird über Anschluss 427 an den Puffer 428 weitergeleitet, welcher mit dem Anschluss 427 gekoppelt ist. Der Niedriggeschwindigkeitsschaltkreis 426 ist in dem kHz-Bereich oder langsamer betreibbar. Der Puffer 428 stellt ein Maß der OMA an einem anderen Ausgang als dem Signalausgang des optischen Empfängers 400 bereit. Der Puffer 428 stellt ferner sicher, dass ein beliebiges externes Überwachungsequipment das diagnostische Maß von OMA an Anschluss 429 nicht negativ beeinflusst.
Der Signal limitierende Nachverstärker 432 empfängt die verstärkte Spannung an Anschluss 423 und generiert das erste elektrische Signal, mit DATA bezeichnet, an Anschluss 433, und dessen Komplement (das heißt das zweite elektrische Signal) an Anschluss 435. Auf diese Weise generiert der Nachverstärker 430 eine limitierte oder festgehaltete Version des optischen Signals, das an dem Eingang 302 empfangen wird. Das erste elektrische Signal und das zweite elektrische Signal an Anschluss 433 bzw. Anschluss 435 sind auf den Spannungslevels limitiert oder festgeklemmt, die mit einem logischen Hoch bzw. mit einem logischen Niedrig korrespondieren.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 500 zum Bereitstellen eines diagnostischen Maßes für OMA in einem optischen Empfänger darstellt, der automatische Leistungsverstärkung verwendet. Das Verfahren 500 beginnt mit Block 502, in dem eine Darstellung von einer Ausgabe von einem optischen Detektor an einen Schaltkreis angelegt wird, der eine Differenz zwischen einem ersten Signallevel und einem zweiten Signallevel ermittelt. Danach wird, wie in Block 504 angezeigt, die Differenz des ersten Signallevels und des zweiten Signallevels, bereitgestellt mittels des Schaltkreises, gepuffert oder gespeichert. Die gepufferte Differenz zwischen dem ersten Signallevel und dem zweiten Signallevel ist ein diagnostisches Maß für OMA.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel von einem Verfahren 600 zum Bereitstellen eines diagnostischen Maßes von OMA in einem optischen Empfänger darstellt, der automatische Verstärkungssteuerung bereitstellt. Das Verfahren 600 beginnt mit Block 602, in dem eine Ausgabe von einem optischen Detektor an einen Transimpedanzverstärker angelegt wird, der automatische Verstärkungssteuerung verwendet. In Block 604 generiert der optische Empfänger ein Maß für OMA mittels Anlegens der Ausgabe des Transimpedanzverstärkers an einen Schaltkreis, der eine Differenz zwischen einem ersten Signallevel und einem zweiten Signallevel ermittelt. Zusätzlich generiert der Schaltkreis ein Maß für OMA als eine Funktion der Verstärkung, angelegt mittels des Transimpedanzverstärkers, und der Differenz zwischen dem ersten Signallevel und dem zweiten Signallevel. Wie oben beschrieben, ist das Produkt eines Verstärkungsfaktors und der Differenz ein Maß für OMA an dem optischen Detektor des Empfängers.
Danach wird, wie mit Block 606 angezeigt, die OMA, dargestellt durch eine analoge Spannung, gepuffert. In Block 608 wird das gepufferte OMA-Signal an einen externen Apparat gekoppelt, der das gepufferte OMA-Signal mit einem oder mehreren Schwellwerten vergleicht. In Block 610 wird Kalibrationsinformation bereitgestellt, die ein Spannungslevel mit einem absoluten OMA assoziiert.
7 ist ein Flussdiagramm von einem alternativen Ausführungsbeispiel von einem Verfahren 700 zum Bereitstellen eines diagnostischen Maßes von OMA in einem optischen Empfänger, der automatische Verstärkungssteuerung verwendet. Verfahren 700 beginnt, wie gezeigt in Block 702, wo ein elektrisches Signal in Reaktion auf das empfangene Licht an einem optischen Empfänger an einen Signalspiegel bereitgestellt wird, der erste und zweite Signalspiegelausgabesignale generiert. In Block 704 wird eine erste Darstellung des ersten Signalspiegelausgabesignals unter Verwendung eines Festverstärkungsverstärkers generiert, der über den dynamischen Bereich des optischen Empfängers hinweg nicht gesättigt wird. In Block 706 wird eine Differenz eines Mittelwerts des hohen Signallevels und eines Mittelwerts des niedrigen Signallevels in der ersten Darstellung des ersten Signalspiegels ermittelt. Danach wird, wie in Block 708 angezeigt, ein Maß für OMA mittels Pufferns der Differenz von dem Mittelwert des hohen Signallevels und dem Mittelwert des niedrigen Signallevels generiert. In Block 710 wird eine zweite Darstellung des zweiten Signalspiegelausgabesignals unter Verwendung eines Transimpedanzverstärkers generiert, der automatische Verstärkungssteuerung anwendet. In Block 712 werden differentielle Ausgabesignale, in Antwort auf die elektrischen Signale, mittels Anlegens der zweiten Darstellung an einen Signal-limitierenden Verstärker generiert. In Block 714 wird das Maß für OMA an ein externes Gerät (das heißt einen anderen Apparat als den optischen Empfänger) gekoppelt, das einen oder mehrere Schwellwerte anlegt, um ein Maß für die Qualität der optischen Kommunikationsverbindung zu generieren. In Block 716 wird Kalibrationsinformation bereitgestellt, die das Maß für OMA mit einer absoluten OMA an dem optischen Empfänger assoziiert. Die besondere Sequenz der Schritte oder Funktionen in Blöcken 702 bis 712 ist aus Gründen der Veranschaulichung so dargestellt. Es sollte für einen Fachmann offensichtlich sein, dass die Reihenfolge der Schritte oder Funktionen in Blöcken 702 bis 712 in jeder beliebigen anderen geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden können. Die Schritte oder Funktionen in Block 714 und in Block 716 sind optional.
Während verschiedene Ausführungsbeispiele der optischen Empfängersysteme und Methoden zum Bereitstellen eines Maßes für OMA an einem optischen Empfänger, der automatische Verstärkungssteuerung einsetzt, beschrieben worden sind, wird es für den Fachmann auf dem technischen Gebiet offensichtlich sein, dass viele weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen möglich sind, die innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung liegen. Entsprechend sind die beschriebenen optischen Empfängersysteme und Verfahren zum Bereitstellen eines diagnostischen Maßes für OMA an einem optischen Empfänger, der automatische Verstärkungssteuerung einsetzt, nicht beschränkt oder in anderer Weise limitiert, außer im Lichte der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente.

Claims

Ein optisches Empfängersystem, aufweisend: einen Eingang, der mit einem optischen Detektor gekoppelt ist, der einen elektrischen Strom in Reaktion auf ein optisches Signal an dem Eingang generiert; einen Signalspiegel, der mit dem elektrischen Strom gekoppelt ist und konfiguriert ist, eine erste Darstellung und eine zweite Darstellung von dem elektrischen Strom an jeweilige Ausgänge weiterzuleiten; einen Transimpedanzverstärker, der zum Empfangen der ersten Darstellung des elektrischen Stroms an einem Transimpedanzverstärkereingang angeordnet ist und konfiguriert ist, eine verstärkte Spannung zu generieren; und einen Schaltkreis, der zum Empfangen der zweiten Darstellung des elektrischen Stroms an einem Eingang des Schaltkreises angeordnet ist und konfiguriert ist, einen Wert einer Differenz zwischen einem ersten Mittelwert von einem ersten Signallevel und einem zweiten Mittelwert von einem zweiten Signallevel zu generieren, der unterschiedlich zu dem ersten Mittelwert des ersten Signallevels ist, wobei der Schaltkreis ein diagnostisches Maß einer optischen Modulationsamplitude an einem Ausgang des Schaltkreises bereitstellt.
Das optische Empfängersystem gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend einen Puffer, der mit dem Ausgang des Schaltkreises gekoppelt ist, wobei der Puffer eine Darstellung des diagnostischen Maßes der optischen Modulationsamplitude an einem von einem Signalausgang des optischen Empfängersystems unterschiedlichen Ausgang bereitstellt.
Das optische Empfängersystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Transimpedanzverstärker eine automatische Verstärkungssteuerung an den elektrischen Strom anlegt.
Das optische Empfängersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend einen Nachverstärker, der zum Empfangen der verstärkten Ausgabe von dem Transimpedanzverstärker und zum Generieren einer limitierten Darstellung des optischen Signals konfiguriert ist.
Das optische Empfängersystem gemäß Anspruch 4, wobei der Nachverstärker eine differentielle limitierte Darstellung des optischen Signals generiert.
Das optische Empfängersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend einen Festverstärkungsverstärker, der zwischen dem Signalspiegel und dem Schaltkreis angeordnet ist.