專利名稱：光網(wǎng)絡監(jiān)測器pcb的制作方法
光網(wǎng)絡監(jiān)測器PCB概述公開了一種可升級(scalable)光學印刷電路板，該光學印刷電路 板使得能夠在無源光網(wǎng)絡(PON)中進行光監(jiān)測，且保持其無源光學 特性。光學pcb的概念合并了平面波導分光器、探測器、CMOS晶體 管芯片、可充電電池以及垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列?？?以區(qū)分開用于其中分束器已經(jīng)配置(d印loy)在分束器節(jié)點中的分束 PON (split PON)的解決方案以及用于還需要進行配置的新"綠場 (green field) ，， PON的解決方案。對于前者來i兌，獨立的VCSEL發(fā) 射器裝置可以在分束器輸出端口和分配線纜(distribution cable )的光 纖之間接合。對于后者而言，集成模塊可以接合到來自中心局(CO) 的饋送線纜和伸向光網(wǎng)絡單元(ONU)的分配線纜。借助于可由每個 VCSEL單獨識別并且在中心局多路復用到下游通信(downstream traffic)的觸發(fā)信號，由VCSEL在分束器節(jié)點產(chǎn)生測試脈沖。這個信 號的背反射可以由光延時反射儀(OTDR)在中心局測量。借助于光纖 光開關，不同PON的測量可以共享該OTDR裝置。通過對OTDR數(shù) 據(jù)的適當?shù)能浖治龊驮偌庸?，操作員可以制作他們的PON隨時間的 才員耗進展(loss evolution )圖。
背景技術：
在無源光網(wǎng)絡(PON)中，為了將來自中心局的OLT (光學線路 發(fā)射器？)的信號分配給用戶住處的多個ONU，將光纖設置為中心分 束或雙支路排列。為了在用戶缺少服務時識別網(wǎng)絡中需要恢復的故障， 使用光時域反射儀(OTDR)。對于分布式分束PON，這個方法是不 合適的，因為從中心局進行的OTDR測量不能夠區(qū)分來自分束器支路 的背反射信號的疊加。因此，不可能找到分束支路(split branch)之 后的故障。結果，現(xiàn)場技術人員(必須到裝備有OTDR的現(xiàn)場的技術 人員)有必要在分束支路之后進行測量以識別可能的故障。這個方法的負面缺點在于(1)該方法非常昂貴，不能用于經(jīng)常提 前主動地測量網(wǎng)絡；并且(2)對于現(xiàn)場技術人員測量來說，為了能夠將OTDR裝置連接到電纜基礎設施，在外部設施(plant)中需要連接 器。在現(xiàn)場技術人員沒有考慮到清潔預防措施的情況下，可能會隨時 間導致連接器故障。此外，由于網(wǎng)絡元件中的多次重入，會大大減小 必須執(zhí)行監(jiān)測處的網(wǎng)絡元件的壽命。例如在W. R. Holland ( Lucent) 的US專利6396575、 M. Shigeghara和H. Kanomori ( Sumitomo)的 US專利6771358以及L. G. Cohen ( Lucent)的US再頒發(fā)專利36471 中描述了已知系統(tǒng)。發(fā)明詳述提出了一種用于PON監(jiān)測的可升級解決方案。對于已經(jīng)配置的 PON，可以通過將雙端口裝置(見

圖1)或多端口裝置(見圖2)接合 到分束器支路和分配線纜的光纖的端口來實施監(jiān)測方案(情況A)。對于仍需要配置的綠場PON，解決方案包括光PCB,其中平面分 束器安裝在該板上。該板上的光學器件之間的連接是經(jīng)由光纖和光纖 耦合裝置來完成的。這些光纖耦合裝置可以包括對準槽和折射微透鏡。 集成模塊具有可以接合或連接(connectorise )到饋送光纖(feeder fiber ) 的輸入端口和可以接合到到達ONU的分配線纜的光纖的多輸出端口 (情況B)。情況A所需概念的示意性布局圖在圖1中示出。端口 (1)是接合 或連接到平面分束器的輸出端口的裝置的輸入端口。這可以是250微 米涂層纖維、900微米涂層纖維、3毫米線纜、或具有不同連接器的連 接的尾纖(pigtail)。這些同樣適用于輸出端口 (2)。插/分耦合器裝 置(3 )對來自輸入端口的用于激勵VCSEL的觸發(fā)(泵浦)信號進行 多路分用(demultiplex)。對于這種光學器件，可以使用濾波WDM(波 長多路分用器(wavelength demultiplexer ) )或者可以使用如專利案 US6243513B1中描述的衍射(二元衍射或菲涅耳衍射)透鏡系統(tǒng)，解 耦來自輸入光纖的泵浦。如果必要的話，這些微光學部件可以經(jīng)由倒 裝芯片接合技術安裝在PCB或芯片上。來自泵浦信號的光照射到探測 器上。根據(jù)所使用的泵浦信號的波長，這可以是硅基探測器或砷化鎵 探測器。CMOS晶體管芯片(5)收集光信號并且每當VCSEL需要被 來自中心局的觸發(fā)信號激活時將功率推入可充電的電荷收集器(7)中。 當接收到合適的數(shù)字序列時，(經(jīng)由CMOS電路可以嵌入系統(tǒng)的信息)專用VCSEL開始發(fā)射短的強脈沖。VCSEL輸出由微透鏡或其他耦合 光學器件收集到插/分耦合器裝置的插端口。結果，VSCEL信號耦合在 發(fā)射器裝置的輸出光纖中。這產(chǎn)生了開始于所選支路中并且只向一個 專用ONU傳播的OTDR脈沖。CO處的(OTDR系統(tǒng)的)光學傳感器 因此將只接收所選支路的OTDR軌跡(trace)。顯然，對于這種情況，觸發(fā)VCSEL的泵浦信號被耦合器衰減。當 開通率(take rate)較低而且并不是所有的分束器端口都已經(jīng)連接到 ONU時，可以采用這種解決方案?？梢哉J為這是一種按需擴展 (grow-as-you-go )的方法，當然要比其他選擇更昂貴。然而，當分束器沒有輸出端口可用(在"停車場(parklot)"中) 時，濾波WDM可以多路分用來自分束器端口的泵浦信號(見圖2a)。 圖1所示的裝置的配置也有所不同。其基本上具有N + 1個輸入端口和 N個輸出端口 。該N + 1個輸入端口需要接合到分束器的N個輸出支路 并且該額外的輸入端口需要接合到解耦來自下游通信的泵浦光的 WDM裝置的泵浦多路分用器(pump demultiplexer )支路。圖2a示出了當額外的WDM裝置接合到饋送光纖和分束器輸出端 口時的配置。WDM的多路分用器端口接合到VCSEL陣列裝置。平面 分束器的輸出端口也接合到VCSEL陣列部件。圖2b示出了圖2a中所示的裝置的內(nèi)部配置。具有多個耦合器的 光學波導板耦合來自發(fā)射器陣列(優(yōu)選為VCSEL陣列)的光。然而，對于綠場情況來說，解決方案如圖3a和3b中所示。對這 種情況，有更多可能的選擇。圖3a示出了一種板上集成分束器解決方 案。圖3b示出了一種板上集成分束器解決方案，其中VCSEL輸出的 多路復用由平面波導完成。當在板上集成平面分束器時，可以選擇平面波導裝置，其中信號 的分束和VCSEL陣列輸出的多路復用在同一波導中進行(見圖3b)。 在這種情況下，分束器具有N + 1個輸入端口以及N個輸出端口。對于 N+l個輸入， 一個端口用于將功率分配到N個輸出信道。這個輸入接 合到CO的饋送線纜。另外N個輸入被多路復用到輸出端口并且將攜 帶來自發(fā)射器陣列的OTDR脈沖。N個輸出端口需要接合到分配線纜。電路板設計的描述電子界面包括四個主要部分。首先有探測器(或光電池)，其可以包括一系列或多個系列連接的光電二極管。材料系統(tǒng)(InP、 GaAs 或Si)依賴于從CO發(fā)出的觸發(fā)信號的工作波長。光電二極管組的功 能是雙重的。首先，經(jīng)由泵浦波長提供功率以啟動電路或者充分地對 電池充電。然后，在第二階段，調(diào)制泵浦的功率以提供一識別標簽， 該識別標簽將選擇需要啟動哪個發(fā)射器為OTDR軌跡產(chǎn)生脈沖。其他 元件包括ASIC CMOS芯片、可充電電池以及光發(fā)射器組(優(yōu)選由 VCSEL陣列組成)。控制電子裝置的CMOS芯片的功能塊在圖4b中示出。其包括將 來自二極管的能量轉化為合適的電壓以再充電模塊的電池的DC/DC穩(wěn) 壓器。這可以通過切換(脈寬調(diào)制)存儲在電感器內(nèi)部的能量來完成。 芯片的下一個元件是光接收器。這不是常規(guī)的互阻抗接收器，因為它 應該消耗最小的功率并且需要鄰接穩(wěn)壓器工作?？赡艿姆桨甘鞘褂秒?壓穩(wěn)壓器自身的狀態(tài)來感測(sense to)泵浦信號的調(diào)制。實際上，當 少量光射到光電二極管時，相比于充足的光照到探測器時，穩(wěn)壓器的 切換要慢得多。很清楚以這種方式數(shù)據(jù)傳輸速率只能較低(小于PMW 速率)但是高傳輸速率并不是本申請所必需的。另一種可能性是使用 額外的專用光電二極管，僅對其感測用于接收數(shù)據(jù)信號。來自光接收器的信號然后被傳輸?shù)奖镜匾莆患拇嫫?。根?jù)異步串 行UART狀況(regime)(見圖4)來推斷定時。這需要另外的本地振 蕩器(包括在電子板(electronic board)上的晶體)。另一種定時的可 能性是通過接收在每次觸發(fā)開始時發(fā)送的交替的1和0來同步本地時 鐘。當移位寄存器裝滿時，將其內(nèi)容與預定的位組合格式(bit pattern ) 進行比較。這個位組合格式用于驗證通信是否真的針對模塊的。在接 收固定位組合格式(pattern)后，有限狀態(tài)機(FSM)改變狀態(tài)并且移位 寄存器就開始接收唯一標識光發(fā)射器之一的新組合格式。FSM控制器 然后檢查所指示的發(fā)射器號碼是否為該模塊負責的發(fā)射器之一。如果 是，它將對驅動器加電，并且在要求的信道上產(chǎn)生OTDR脈沖。模塊 知道它應該響應于哪個信道，因為在制造時對它進行了預編程。可以 經(jīng)由DIP開關或經(jīng)由可編程EEPROM來提供該數(shù)據(jù)。n控制器比較輸 入的二進制數(shù)據(jù)與存儲在ji控制器中的內(nèi)部存儲器陣列，以便ji控制 器激活VCSEL陣列中的正確VCSEL。在圖4B中示出了以下的原理。為了給三個構件(探測器、n控制 器和VCSEL陣列)供電，可以使用鋰離子電池或可再充電電池?？梢?使用的電池是這樣的單鋰離子電池，其產(chǎn)生正好足以驅動板上所用的 所述三個構件的電能。電池的再充電可以基于兩個原則進行第一個 原則是基于如下事實n控制器可以用作鋰離子電池充電器。對于這個 方法，使用獨立的充電集成電路(IC)的原理，并且這構建于在fi控 制器內(nèi)是活動的內(nèi)部充電程序中，而且我們^f吏用Mosfet部件和讀出線 來讀出電池上的電壓。這已經(jīng)用點滴式充電系統(tǒng)對電池進行正確充電 實現(xiàn)。第二個選擇是我們使用外部IC、鋰離子電池充電器。這個IC 使用外部功率PMOS器件以形成兩芯片、低成本、低壓差(dropout) 線性電池充電器。充電電流可以由外部電阻器設定。這兩個原則進一步在圖4c中示出。當n控制器的UART上沒有信 號時完成鋰離子電池的再充電，或者我們可以在UART上接收特定代 碼，該代碼觸發(fā)n控制器對鋰離子電池進行再充電。圖5a示出了在平面分束器在分束器節(jié)點已經(jīng)活動(active)的情 況A中如何實現(xiàn)監(jiān)測。圖5b示出了如何在情況B中實現(xiàn)監(jiān)測，在情況 B中還沒有配置平面分束器并且板上平面分束器解決方案可以集成在 外部廠用網(wǎng)(plant network)元件中。借助于可以觸發(fā)在單獨的設備 中或在板上集成方案中的一個特定VCSEL發(fā)射器的泵浦信號，VCSEL 發(fā)出脈沖。這個信號被背反射并且可以在中心局被多路分用并由 OTDR測量。由于可以觸發(fā)向N個ONU中的一個發(fā)送信號的一個特定 VCSEL,克服了對于從中心局進行的常規(guī)OTDR測量來說OTDR信號 在分束器支路之后疊加的問題。在圖5 (a)中，示出了在中心局(1)處語音和數(shù)據(jù)通信與視頻通 信多路復用并且與通向分束器節(jié)點的饋送線纜連接，在分束器節(jié)點， 分束是一次完成(集中的)或者可以在兩個支路(未示出)上完成。 OTDR裝置(2)放置在中心局并且連接到來自放置在現(xiàn)場的VCSEL 的多路分用的測試信號。對于如上所述的情況A,可以遠程觸發(fā)的發(fā) 射器裝置(5)被接合到網(wǎng)絡中。兩個選擇是可行的，或者N個獨立的 裝置可以接合到分束器輸出端口和分配線纜的光纖(按需發(fā)展的選 擇)?；蛘哒迷诜质鞫嗦贩钟帽闷钟|發(fā)信號之前接合WDM裝置 (2)。分束器的輸出端口和WDM的多路分用器端口可以接合到容納電子部件和VCSEL陣列(5 )的光學PCB板裝置的N + 1個輸入端口 。 在觸發(fā)VCSEL時，可由中心局的OTDR測量背反射。背反射信號可 以提供從分束器節(jié)點到抽頭終端(tap terminal)的傳送的損耗和故障 信息以及到用戶住處(7)的最后下降(lastdrop)。在圖5b中，示出 了綠場情況，其允許外部設施中的連接器損耗解決方案。監(jiān)測過程與 圖5a中的相同。
權利要求
1、一種尾纖(fiber pigtailed)網(wǎng)絡監(jiān)測模塊，并入了光學印刷電路板，在該板上在安裝在該板上的電子部件和安裝在該板上的有源和/或無源光學器件之間遠程激勵信號傳輸連接，以產(chǎn)生可遠程讀取的監(jiān)測信號。
2、 根據(jù)權利要求l所述的模塊，其中電子部件和光學部件之間的 連接是通過拋光的光纖連接器或通過折射和/或衍射微光學耦合元件來 建立的。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的模塊，其中所述印刷電路板集成了 可以給該板上的CMOS電路供電的電池(優(yōu)選為可再充電電池)，這 允許提供電流以觸發(fā)板上的電光部件(優(yōu)選為VCSEL或基于MEMS 的裝置)，使得通過照射到所述板上的探測器上的光信號來遠程觸發(fā) 所述電光部件是可能的。
4、 根據(jù)權利要求3所述的模塊，其中CMOS電路可以識別所述光 信號中的組合格式或代碼，以便有選擇地觸發(fā)從多個電光部件中選擇 的一個特定的所述電光部件。
5、 根據(jù)權利要求3或4所述的模塊，其中所述電光部件發(fā)射信號， 該信號在所述模塊的輸出光纖中被多路復用，并且該信號可以被用于 監(jiān)測目的或者用于觸發(fā)離分束器支路更遠放置的另一個電光器件，這 能夠避免技術人員在現(xiàn)場介入。
全文摘要
尾纖(fiber pigtailed)網(wǎng)絡監(jiān)測模塊結合了光學印刷電路板，在該光學印刷電路板上在安裝在該板上的電子部件和安裝在該板上的有源和/或無源光學器件之間遠程激勵信號傳輸連接以生成可遠程讀取的監(jiān)測信號。
文檔編號H04B10/071GK101223715SQ200680026043
公開日2008年7月16日 申請日期2006年6月28日 優(yōu)先權日2005年7月16日
發(fā)明者B·富爾凱茨, C·德貝斯, G·布蘭德斯, H·蒂恩蓬特, J·T·阿里亞斯, J·瓦特 申請人:泰科電子雷伊化學有限公司