CN1147074C - 突发接收单纤双向一体化光模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种突发接收单纤双向一体化光模块，包括一体化设置的光器件单元、连续模式数据发射电路单元和突发模式数据接收电路单元。光器件单元包括激光器和光探测器，光发射电路单元由激光器驱动电路及自动光功率控制电路组成，可实现光功率在线动态控制。光接收电路单元由实现电流/电压变换的跨阻放大器、滤波电路、微分网络和根据微分数据的边缘进行数据0、1判决的判决电路顺序连接组成。边缘判决有利于突发数据信号接收。

Description

突发接收单纤双向一体化光模块

技术领域

本发明涉及一种双向光模块电路，更确切地说是涉及一种连续发射、突发接收的一体化单纤双向一体化光模块电路。是一种用于无源光网络(PON-Passive Optical Netware)***和异步传输模式(ATM)无源光网络***(ATM PON)中光线路终端即局端(OLT-Optic Line Terminal)的单纤双向一体化光模块电路。

背景技术

在光信号传输网络中，数据在光纤中传输通常采用两种方式：连续模式传输方式和突发模式传输方式。图1示出一种无源光网络(PON)的基本结构，包括：1至N个光网络单元ONU(Optical Netware Unit)，用于合路的光分配网络ODN(Optical Division Netware)和光线路终端OLT(Optic Line Terminal)。在该PON中，OLT至各ONU的下行信号的传输是采用时分复用TDM(Time DivisionMultiple)方式，即光线路终端OLT通过广播方式向远端的各光网络单元ONU连续发送数据信号，各光网络单元ONU在收到下行复帧信号后分别取出属于自己的那一部分信号。而各光网络单元ONU至光线路终端OLT上行信号的传输是采用时分多址复用TDMA(Time Division Multiple Address)方式。

连续模式又称常规模式，在连续模式下传输的光信号由一个激励源产生，每个信号帧之间是连贯的，其波形如图1中的下行信号所示。在突发模式下传输的光信号，可由一个或几个激励源产生，该突发模式光信号波形如图1中的上行信号所示，每个光网络单元ONU只有在分配给自己的时隙内发送数据帧，其它时间则处于发射等待状态。每个光网络单元(ONU)在某一个或几个相关时隙内突发发送自己的数据帧，各个光网络单元(ONU)的数据帧在光纤中组合起来向光线路终端即局端(OLT)传送。而在光线路终端OLT侧接收的数据是突发数据，要求其接收电路能在几个比特内对光信号进行快速判决，并恢复出相应的数据信号。

由于无源光网络(PON)采用点到多点的组网方式，各光网络单元ONU上行发送的数据码流在光分配网络ODN合路时就可能发生碰撞，因此要求光线路终端OLT先测出它与各光网络单元ONU间的距离，再对各光网络单元ONU进行严格的发送定时。同时，由于各光网络单元ONU与光线路终端OLT间的距离不一样，要求它们传输的上行信号数据码流的衰减也不应相同，由于各信号到达光线路终端OLT时的幅度不同，因此，在光线路终端OLT端不能使用采用判决门限恒定的常规光接收机，只能采用突发模式接收的光接收机，并根据每一分组信号开始时的几个比特信号的幅度建立合理的判决门限，以正确接收分组信号。

现有光线路终端OLT侧所采用的收发一体的光模块，其光信号发送与光信号接收均是连续模式的，发射电路单元中对激光器输入的调制电流恒定不变，因而发光功率是恒定的。其接收电路单元中的判决方法采用固定阈值法，通过峰值检波获得判决阈值(对接收的信号先进行峰值检波，再取峰值的一半为阈值)，该判决阈值在整个接收过程中恒定不变，判决时将比阈值高的信号判为“1”电平，比阈值低的信号判为“0”电平。另外，由于该连续模式的收发一体模块在光器件上是彼此独立的，因此要求采用两根光纤传输光信号。此外，该连续模式收发一体的光模块只能适用于一点对一点的传输***中，不能应用于按点到多点方式组网的无源光网络(PON)中。

综上所述，由于光线路终端OLT侧激光器的发射光功率按规定(ITU-TG.983建议)应控制在+2dBm至-4dBm间，光网络单元ONU侧的接收光功率应控制在-8dBm至-30dBm间(但符合该指标的商用模块目前还不可见)，当光线路终端OLT与光网络单元ONU间距离较近且光线路终端OLT侧的发光功率较大时，光网络单元ONU侧的光接收电路就会出现饱和；在现有光线路终端OLT侧的激光器驱动电路中，由于驱动电流固定，激光器的发射光功率也是固定的，不可在线动态地调整，因而无法解决光网络单元ONU侧出现光功率饱和的问题，这将不利于光网络单元ONU侧的接收电路对数据信号的恢复。

目前，对突发数据的接收有一种自动阈值调整方案，如1991年6月18日发表在IBM专利信息网站、专利号为5025456、名称为“BURST MODE DIGITAL DATARECDIVER”的美国专利，其自动阈值调整的电路原理如图2中所示，包括由运算放大器IC0等元件连接构成的跨阻放大器，完成电流/电压变化，由运算放大器IC1构成的判决电路，和由运算放大器IC2及三极管Q0、Q1、电流源I0、I1、电容C0连接构成的自动阈值调整电路，图中PIN是光探测器，三极管Q0与电容C0构成快速峰值检波电路。该方案的核心技术是：采用快速峰值检波法获取判决电平，而在不同突发信元间采用复位电路来复位上一突发信元的判决电平。由自动阈值调整电路对跨阻放大器的输出波形进行检波，得到突发信元的峰值，三极管Q1输出该峰值的一半并作为该突发信元的阈值，其复位电路采取I1大电流放电。图3中示出该电路各关键点的信号波形，其中的保护时间即为阈值的重建时间。

上述技术方案存在的缺点是：

当跨阻放大器输出的直流电平随温度变化发生漂移而接收信元的幅值并未发生变化时，自动阈值调整电路会因该直流电平的变化而使峰值检波后得到的判决阈值发生变化，从而出现脉冲展宽现象；快速峰值检波电路的检波效率和检波建立时间直接影响着突发数据的接收灵敏度和突发数据间的比特开销，由于对小信号的快速峰值检波需同时兼顾检波效率和检波建立时间，在要求接收信号动态范围较大时，其实现技术难度很大；由于增加了复位电路，造成***逻辑更为复杂和烦琐，当复位电路出现故障时，整个接收电路就不能正常工作。

发明内容

本发明的目的是设计一种突发接收单纤双向一体化光模块，是一种用于局端(OLT)的可同时实现突发接收与常规(连续)发射的一体化光模块电路，可综合解决前述技术问题：发光功率可在线动态控制，以克服光网络单元ONU侧出现饱和的问题；解决在突发模式接收中，快速峰值检波电路的检波效率和检波建立时间对突发数据的接收灵敏度及突发数据间比特开销的影响问题；解决复位电路的引入对***可靠性降低的影响问题。

本发明的目的是这样实现的：一种突发接收单纤双向一体化光模块，包括单纤双向光器件单元、光发射电路单元和光接收电路单元；单纤双向光器件单元至少包括有激光器、波分复用器和光探测器，光发射电路单元与激光器连接且至少包括有激光器驱动电路，光接收电路单元与光探测器连接，其特征在于：所述的光接收电路单元是突发模式数据接收电路单元，由实现电流/电压变换的跨阻放大器、用于滤除噪声信号的滤波电路、微分网络和根据微分数据的边缘进行数据判决的判决电路顺序连接组成；所述的光发射电路单元是连续模式数据发射电路单元，还包括有激光器自动光功率控制电路，与所述单纤双向光器件单元的激光器连接；所述的单纤双向光器件单元、连续模式数据发射电路单元和突发模式数据接收电路单元一体化设置在同一光模块中。

所述的光器件单元是集激光器、光探测器和波分复用器于一体的单纤双向平面光波器件。

所述连续模式数据发射电路单元中的激光器驱动电路，是一射极耦合光发送驱动电路，包括模拟开关、电阻网络、由三极管Q2、Q3、电阻R2、R3连接构成的差分电路和恒流源；模拟开关的输入端连接参考电压，控制端连接外部计算机，输出端分别连接电阻网络一端；电阻网络另一端连接恒流源的电压控制端；三极管Q2、Q3的基极输入差分电数据信号，三极管Q3的集电极通过电阻R3连接激光器的偏置电流端，三极管Q2的集电极通过电阻R2连接电源，三极管Q2、Q3的发射极连接恒流源I2一端，恒流源另一端接地。

所述连续模式数据发射电路单元中的激光器自动光功率控制电路，包括由电阻R5、电容C1并联连接构成的RC均值检波电路、第三恒流源I3、运算放大器IC3、第四恒流源I4和由电阻R10、电容C2串联连接构成的RC滤波器；RC均值检波电路一端、第三恒流源I3一端及运算放大器IC3的反相输入端连接激光器背向光监测输出端MD，RC均值检波电路另一端、第三恒流源I3另一端及运算放大器IC3的正相输入端接地，第三恒流源I3的电压控制端接参考电源Vref，运算放大器IC3的输出端连接第四恒流源I4的电压控制端，第四恒流源I4一端连接RC滤波器和连接激光器的偏置电流端LD，第四恒流源I4另一端及RC滤波器另一端接地。

所述突发模式数据接收电路单元的跨阻放大器由运算放大器IC4与电阻R11连接构成，电阻R11跨接在运算放大器IC4输入端与正输出端之间，运算放大器IC4与所述的光探测器连接，将光探测器输出的微弱电流转换为相应的电压信号；所述的滤波电路是由电阻R12、R13、电容C3连接构成的RC无源滤波电路，电容C3两端分别连接电阻R12和电阻R13；所述的微分网络是由电阻R14、R15、电容C4、C5连接构成的RC无源微分网络，用于消除直流分量，形成判决电路所需的边缘，电阻R14、电阻R15一端分别连接电容C4、电容C5一端，电阻R14、电阻R15另一端接参考电源Vref；所述的判决电路是由高增益、宽带宽的限幅放大器IC5及电阻R16、R17连接成的正反馈电路，并构成触发电路，根据微分网络形成的边缘来判决数据“0”及“1”，电阻R16、电阻R17分别跨接在限幅放大器IC5的正输入端与正输出端间、负输入端与负输出端间。

连续模式数据发射电路单元中的激光器驱动电路主要采用射极耦合光发送驱动电路，即通过控制一对差分管的交替导通来控制激光器发射光数据信号，由于差分对管都工作在非饱和与非截止状态，因此开关转换时间短，可实现高速率的调制。调整模拟开关K1可改变与恒流源I2串接的电阻，从而改变流过恒流源I2的电流值，达到在线动态调节激光器发射光功率的目的。连续模式数据发射电路单元中的激光器自动光功率控制电路，通过控制激光器的偏置电流，即通过对发射光信号的背向光进行均值检波、反向放大来控制激光器的发射功率。

本发明的突发接收单纤双向一体化光模块，包括一体化设置的单纤双向光器件单元、连续模式数据发射电路单元和突发模式数据接收电路单元。其中的单纤双向光器件单元采用两波分复用的结构，内置波分复用器(WDM)。连续模式数据发射电路单元采用发光功率可在线动态控制的激光器驱动电路和自动光功率控制电路，克服激光器由于驱动电流固定、发射光功率不可在线动态控制而导致光网络单元ONU侧的光接收电路易出现饱和的现象。突发模式数据接收电路单元则采用适合突发模式接收的边缘判决技术，以利于数据恢复，可克服背景技术中快速峰值检波电路的检波效率和检波建立时间对突发数据的接收灵敏度和突发数据间的比特开销的影响性，以及复位电路的引入对***可靠性的降低等问题。同时也可降低产品的成本。

附图说明

图1是一种无源光网络(PON)的基本结构框图；

图2是背景技术中自动阈值调整电路的电原理图；

图3是图2电原理图中关键点的波形示意图；

图4是本发明突发接收单纤双向一体化光模块的原理性结构框图；

图5是图4中突发模式数据接收电路单元边缘判决原理的波形示意图；

图6是图4中突发模式数据接收电路单元的实施电路图；

图7是图4中激光器驱动电路的实施电路图；

图8是图4中激光器自动光功率控制电路的实施电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术。

图1至图3的说明前已述及，不再赘述。

参见图4，并结合参见图5，图4中示出本发明突发接收单纤双向一体化光模块的原理性结构，图5中示出突发模式数据接收电路单元边缘判决的原理。由单纤双向光器件单元41、连续模式数据发射电路单元42和突发模式数据接收电路单元43组成。

单纤双向光器件单元41是集激光器、光探测器、波分复用器于一体的平面光波器件，激光器发射光信号的中心波长为1550nm，光探测器接收光信号的中心波长为1310nm，为解决光信号的单纤双向传输，在光器件内设置了两波分的波分复用器，用于将光纤中的1310nm光信号与1550nm的光信号分离开，隔离度为-40dBm。

连续模式数据发射电路单元42与单纤双向光器件单元41中的激光器连接，由激光器驱动电路421和激光器自动光功率控制电路422组成，分别用于光功率在线动态控制和光功率的自动控制。激光器驱动电路421用于将输入的差分电数据信号DIN、/DIN转化为光数据信号，激光器自动光功率控制电路422监测激光器背向光功率(MD)的大小，若发射光功率因温度升高或激光器老化等原因变小时，通过其负反馈电路使激光器偏置电流(LD)增加，以维持恒定的发射光功率，反之，若发射光功率因温度降低等原因变大时，则又通过其负反馈电路使激光器偏置电流(LD)减小，以维持激光器的输出光功率基本保持不变。

突发模式数据接收电路单元43与单纤双向光器件单元41中的光探测器连接，用于将光纤输入的光数据信号恢复成一对差分电数据信号(+signaloutput、-signal output)输出，是由实现电流/电压变换的跨阻放大器431、滤波电路432、微分网络433和判决电路434顺序连接组成。其判决原理是根据微分网络输出数据的边缘来判决数据的电平状态，如将上升沿判决为“1”数据，将下降沿判决为“0”数据，如图5中所示。边缘判决可防止判决电路434过早进入饱和状态或截止状态，而使其始终工作在放大状态，以提高接收信号的动态范围，更有利于突发数据信号的接收。设置滤波电路432是为防止判决电路434将噪声信号误判为接收到的有用数据信号。由于边缘判决技术采用的是自复位，故可减少因引入复位电路而使***逻辑复杂的问题。

参见图6，图中示出图4中突发模式数据接收电路单元43的实施电路。包括由运算放大器IC4构成的跨阻放大器，将光探测器PIN输出的微弱电流转换为相应的电压信号；由电阻R12、R13、电容C3连接构成的RC无源滤波电路，对接收信号进行充分的滤波，以防止其后的判决电路出现误判或乱判，采用RC无源滤波电路是为了消除其自身在滤波过程中引入噪声；由电阻R14、R15、电容C4、C5连接构成的RC无源微分网络，用于消除突发信号中的直流分量，形成判决电路所需的边缘，采用RC无源微分网络，也是为了消除其自身在微分过程中引入噪声；由高增益、宽带宽的限幅放大器IC5及电阻R16、R17连接成正反馈电路，构成触发电路，根据微分网络形成的边缘来判决数据。即将上升沿判决为“1”数据，将下降沿判决为“0”数据。图中电阻R18、R19为判决电路即触发电路的负载。图中d点、e点是由微分网络输出的一对差分信号，当Vd＞Ve时，判决电路输出高电平，当Vd＜Ve时，判决电路输出低电平。图中Vo+、Vo-为正、负电源。

参见图7，图中示出连续模式数据发射电路单元42中激光器驱动电路421的实施电路，是一射极耦合光发送驱动电路。包括模拟开关K1、电阻网络R4A、R4B(实施时可有两个以上的电阻)、由三极管Q2、Q3等连接构成的差分电路和恒流源I2。模拟开关K1的输入端连接参考电压Vref，控制端INO连接外部计算机，输出端分别连接电阻网络R4A、R4B一端。电阻网络R4A、R4B的另一端连接恒流源I2的电压控制端。三极管Q2、Q3的基极输入差分电数据信号DIN、/DIN，Q3的集电极通过电阻R3连接激光器LD，Q2的集电极通过电阻R2连接电源，三极管Q2、Q3的发射极连接恒流源I2一端，构成差分电路的虚地端，恒流源另一端接地。

三极管Q2、Q3为一对差分管，由输入的差分电数据信号DIN、/DIN分别控制Q2、Q3的交替导通、截止来控制激光器发射光数据信号。当图中A点电位大于Q3的导通电位加上B点电位时，Q2处于导通状态，电流通过R2-Q2-I2回路；当A点电位小于Q3的导通电位加上B点电位时，Q2处于截止状态，电流通过LD-R3-Q3-I2回路。Q2、Q3的导通与截止随输入差分电数据信号DIN、/DIN电平的变化而变化，但在导通时流过电流的大小是相同的，在Q3导通时，电流通过激光器LD，使其发出和输入电信号波形相似的光信号，而流过恒流源I2的电流则是激光器的驱动电流。

模拟开关K1受外部信号INO控制而改变其输出端与恒流源I2串接的电阻值，从而控制I2的电流值，达到在线动态控制激光器发光功率的目的，以适应光网络单元ONU侧接收光功率的要求。由于恒流源I2起到了差分对管Q2、Q3射极耦合电路反馈电阻的作用，因而可形成强烈的负反馈，有利于稳定激光器LD的输出波形。

由于连续模式数据发射电路单元42中激光器驱动电路421采用了NPN三极管，有较大的带宽，发射速率可达到622Mb/s.

参见图8，图中示出连续模式数据发射电路单元42中激光器自动光功率控制电路422的实施电路，通过对激光器背向光进行监测达到控制激光器发光功率的目的。包括由电阻R5、电容C1并联连接构成的均值检波电路、恒流源I3、运算放大器IC3、恒流源I4和由电阻R10、电容C2串联连接构成的RC滤波器。

为提高均值检波电路的检波效率，应将电容C1的值适当取大，其RC时间常数决定光功率控制的快慢。设置恒流源I3是为防止发光功率过大而使运算放大器IC3进入饱和状态的。恒流源I3一端连接运算放大器IC3的反相输入端，恒流源I3的电压控制端通过电阻R9连接参考电源Vref。MD为检测的激光管的输出电流，该电流减去流过恒流源I3的电流即为背光检测的光电流，通过调节电阻R9可改变背光检测的光电流大小。背光检测的光电流经电流/电压变换和经运算放大器IC3反相放大后，去控制恒流源I4，流过恒流源I4的电流即为控制激光器发光功率的偏置电流。运算放大器IC3的放大比例由电阻R6与R7的比值决定。由电阻R10、电容C2串联连接构成的RC滤波器用于消除激光器发射数据波形中出现的过冲现象和振铃现象，恒流源I4与RC滤波器串接(连接点)后直接连接至激光器的偏置电流(LD)处，以平滑输出波形。该专门设计的消过冲电路，可在偏置发生变化时不影响发射的光信号波形，更有利于接收。

电路的工作过程可进一步说明如下：当激光器的发光功率变大时，通过背光输出MD、经R5、C1均值检波、运算放大器IC3反相放大后去控制恒流源I4，使流过I4的电流减小，从而使激光器的偏置下降，达到降低激光器发光功率的目的；反之则使流过I4的电流变大，从而使激光器的偏置上升，达到增加激光器发光功率的目的。

本发明突发接收单纤双向一体化光模块，在发射光信号的中心波长为1550nm，接收光信号中心波长为1310nm时，激光器的发射光功率在+2dBm至-4dBm间，光功率在线动态控制在0-4dBm的范围内。光在0℃到70℃的温度范围内可自动控制在±1.5dBm的变化范围内，在155.52Mb/s、5bit数据信号的阈值重建时间内，接收电路的接收饱和度为-7dBm，接收灵敏度为-32dBm，接收动态范围可到25dBm，该光模块的电路设计完全符合ITU-TG.983建议中Class B的要求，产品可达到商用要求。

Claims (8)

1.一种突发接收单纤双向一体化光模块，包括单纤双向光器件单元、光发射电路单元和光接收电路单元；单纤双向光器件单元至少包括有激光器、波分复用器和光探测器，光发射电路单元与激光器连接且至少包括有激光器驱动电路，光接收电路单元与光探测器连接，其特征在于：所述的光接收电路单元是突发模式数据接收电路单元，由实现电流/电压变换的跨阻放大器、用于滤除噪声信号的滤波电路、微分网络和根据微分数据的边缘进行数据判决的判决电路顺序连接组成；所述的光发射电路单元是连续模式数据发射电路单元，还包括有激光器自动光功率控制电路，与所述单纤双向光器件单元的激光器连接；所述的单纤双向光器件单元、连续模式数据发射电路单元和突发模式数据接收电路单元一体化设置在同一光模块中。

2.根据权利要求1所述的一种突发接收单纤双向一体化光模块，其特征在于：所述的滤波电路是由电阻(R12、R13)、电容(C3)连接构成的RC无源滤波电路，电容(C3)两端分别连接电阻(R12)和电阻(R13)。

3.根据权利要求1所述的一种突发接收单纤双向一体化光模块，其特征在于：所述的单纤双向光器件单元是集所述激光器、光探测器和波分复用器于一体的单纤双向平面光波器件。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种突发接收单纤双向一体化光模块，其特征在于：所述连续模式数据发射电路单元中的激光器驱动电路，是一射极耦合光发送驱动电路，包括模拟开关、电阻网络、由三极管(Q2、Q3)、电阻(R2、R3)连接构成的差分电路和恒流源；模拟开关的输入端连接参考电压，控制端连接外部计算机，输出端分别连接电阻网络一端；电阻网络另一端连接恒流源的电压控制端；三极管(Q2、Q3)的基极输入差分电数据信号，三极管(Q3)的集电极通过电阻(R3)连接激光器的偏置电流端，三极管(Q2)的集电极通过电阻(R2)连接电源，三极管(Q2、Q3)的发射极连接恒流源(I2)一端，恒流源(I2)另一端接地。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种突发接收单纤双向一体化光模块，其特征在于：所述连续模式数据发射电路单元中的激光器自动光功率控制电路，包括由电阻(R5)、电容(C1)并联连接构成的RC均值检波电路、第三恒流源(I3)、运算放大器(IC3)、第四恒流源(I4)和由电阻(R10)、电容(C2)串联连接构成的RC滤波器；RC均值检波电路一端、第三恒流源(I3)一端及运算放大器(IC3)的反相输入端连接激光器背向光监测输出端(MD)，RC均值检波电路另一端、第三恒流源(I3)另一端及运算放大器(IC3)的正相输入端接地，第三恒流源(I3)的电压控制端接参考电源(Vref)，运算放大器(IC3)的输出端连接第四恒流源(I4)的电压控制端，第四恒流源(I4)一端连接RC滤波器和连接激光器的偏置电流端(LD)，第四恒流源(I4)另一端及RC滤波器另一端接地。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种突发接收单纤双向一体化光模块，其特征在于：所述突发模式数据接收电路单元的跨阻放大器由运算放大器(IC4)与电阻(R11)连接构成，电阻(R11)跨接在运算放大器(IC4)输入端与正输出端之间，运算放大器(IC4)与所述的光探测器连接，将光探测器输出的微弱电流转换为相应的电压信号。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种突发接收单纤双向一体化光模块，其特征在于：所述的微分网络是由电阻(R14、R15)、电容(C4、C5)连接构成的RC无源微分网络，用于消除直流分量，形成判决电路所需的边缘，电阻(R14)、电阻(R15)一端分别连接电容(C4)、电容(C5)一端，电阻(R14)、电阻(R15)另一端接参考电源(Vref)。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种突发接收单纤双向一体化光模块，其特征在于：所述的判决电路是由高增益、宽带宽的限幅放大器(IC5)及电阻(R16、R17)连接成的正反馈电路，并构成触发电路，根据微分网络形成的边缘来判决数据“0”及“1”，电阻(R16)、电阻(R17)分别跨接在限幅放大器(IC5)的正输入端与正输出端间、负输入端与负输出端间。

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