專利名稱：具有閾值電壓補償的光接收器的制作方法
具有閾值電壓補償的光接收器在此使用的部分標題僅用于組織的目的并且不應該解釋為限制本申請中描述的主題。
背景技術：
因為光纖具有非常低的光衰減、寬的帶寬、以及是安全的，大多數光通信系統(tǒng)采用光纖以便傳播光數據信號。對帶寬的需求正在驅使光傳輸系統(tǒng)向全部規(guī)模的家庭以及單位的擴張。單波長光纖系統(tǒng)可支持大量的數據率。然而，例如HDTV、點播電視節(jié)目、因特網電話、以及遠程呈現的服務可能需要非常高的帶寬。大多數當前的光通信系統(tǒng)采用通過1位和0位表示的二進制信號的數字傳輸。 最具技術發(fā)展水平的光通信系統(tǒng)采用多波長光信號以便達到期望的帶寬。采用波分復用 (Wavelength division multiplexing,WDM)來在單光纖上同時地傳輸許多高容量光信號。 每個在WDM光通信系統(tǒng)中傳播的光信號在光放大器的增益光譜內占用其自身的波長，所述光放大器用于彌補用于傳輸光信號的其它光網絡元件以及光纜的插入損失。對于通過WDM光通信系統(tǒng)的高位速率數據傳輸日益增加的需求對光纖光學電信產業(yè)呈現了顯著的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)中之一是當將一個或多個光信道的光路徑切換至不同的光路徑時，光通信系統(tǒng)經歷大的功率波動。這個是在系統(tǒng)中采用的光放大器的基本的局限。 這些放大器采用光功率監(jiān)控器以便將信號反饋至放大器控制電路，其依次，調整輸出功率以便為傳輸的每個WDM信號保持恒定的增益。光放大器用于重新調整功率的時間為顯著的時間，典型地類似于一毫秒。在此期間，預期光鏈路性能的顯著的下降。


通過參照以下描述協(xié)同附圖可更好地了解本發(fā)明的方面?？赏ㄟ^相同的參考數字指定附圖中相同或相似的元件?？刹恢貜完P于這些相似元件的具體描述。附圖不必為成比例。技術人員將了解到下述附圖僅用于圖示目的。附圖不旨在以任何形式限制本公開的范圍。圖1圖示了對于三個不同的接收器判定閾值條件作為以cBm為單位的接收的光功率的函數的測量的位錯誤率數據。圖2圖示了作為以cBm為單位的接收的輸入功率的函數的以伏為單位的最佳接收器判定閾值的數據。圖3圖示了根據本發(fā)明的光接收器。圖4圖示了當調整DC偏移電壓以便生成接收器的最佳BER時，根據本發(fā)明的作為以dBm為單位的接收器輸入功率的函數的接收器輸出交叉。圖5圖示了用于具有根據本發(fā)明的自動閾值補償系統(tǒng)的光接收器的閉環(huán)閾值偏移控制電路。圖6A圖示了用于沒有本發(fā)明的自動閾值電壓補償的光接收器的作為接收器DC偏移電壓的函數的位錯誤率的數據圖。
圖6B圖示了用于具有本發(fā)明的自動閾值電壓補償的光接收器的作為接收器DC偏移電壓的函數的位錯誤率的數據圖。
具體實施例方式對說明書中“一個實施例”或“實施例”的參照意思是在至少一個本發(fā)明的實施例中包括了連同實施例描述的特定的特征、結構、或特點。在說明書中各個地方短語“在一個實施例中”的出現不必全部參照相同的實施例。應該理解的是只要本發(fā)明保持可運作，可以任何順序以及/或者同時地執(zhí)行本發(fā)明方法的單獨步驟。此外，應該理解的是只要本發(fā)明保持可運作，本發(fā)明裝置和方法可包括任何數量的或全部所描述的實施例?，F在將參照附圖上所示的示范性實施例更加具體地描述本公開。雖然與各種實施例或實例協(xié)同描述本公開，但是不旨在將本公開局限于該實施例。正相反，正如本領域技術人員將要認識到的，本發(fā)明包含各種可替換選擇、修改或等同物。那些取得了在此的公開的本領域普通技術人員將認識到在此描述的本公開范圍以內的其他實現方式、修改、以及實施例、還有其它運用領域。例如，應該理解本發(fā)明的方法或裝置不限于特定的數據格式或特定的數據率。實際上，可以任何數據格式類型以及任何數據率使用本發(fā)明的方法以及裝置。在目前發(fā)展水平的光通信系統(tǒng)中使用的光放大器采用反饋電路以便監(jiān)控到放大器的輸入或者到放大器的輸出。放大器電路采用一系列的算法來調整光放大器的操作條件以便在輸出端保持每信道恒定的功率。一旦一個信道停止，放大器感應到該變化并且調整其操作參數以便保持每信道的輸出功率。這個處理所花費的時間根據特定的光放大器相當的不同。然而，幾乎全部放大器輸出(對于至少短暫的時間)都將要經歷光瞬變，其在一些情況下，相對于每信道穩(wěn)態(tài)功率可高達10dB。幾乎全部目前發(fā)展水平的光通信系統(tǒng)都采用光放大器以便彌補光鏈路插入損失。 當將在光鏈路中傳播的多信道光信號中的一些或全部信道從一個光信號路徑切換到另一個光信號路徑時，任一光信號路徑中的功率將經歷大的功率波動。在這些切換活動期間，未切換的光鏈路應該以盡可能小的中斷運行。在一些目前發(fā)展水平的光鏈路中，通過添加保持鏈路中功率恒定的附加快速可變光衰減器來減輕該現象。附加可變光衰減器對于安裝以及維護兩者而言是體積龐大并且非常昂貴的。然而，大多數情況中，附加可變光衰減器不能以足夠快的時間去除功率瞬變。也可采用接收器中的自動增益控制(AGC)放大器來減輕功率瞬變的效果。自動增益控制放大器采用接收器中的光功率監(jiān)控器來生成與調整RF放大器的電增益的控制電路耦接的反饋信號。然而，采用平均光功率作為反饋信號不提供精確并可預測的信號來控制 AGC放大器。最終，光鏈路性能將依賴于接收器對這些功率波動的容限。大多數光鏈路采用外部反饋機制來克服這些波動。然而，該外部反饋機制相對地緩慢并且不能處理大的動態(tài)功率變化。此外，例如EDFA的大多數光纖放大器為了保持所需的每信道功率，需要顯著的時間來調整它們的增益。在此期間，可預期系統(tǒng)BER中顯著的下降。采用在接收到數據后區(qū)別輸入數據的0位和1位的位錯誤率計數器來測量光鏈路性能。大多數接收器由光電(OE)信號轉換器、繼之以將輸入光信號轉換至數字化的電1位與0位的流的信號數字化器組成。如果在確定輸入信號是1位還是0位中出現錯誤，光通信鏈路遇到位錯誤率錯誤。在光通信鏈路中遇到的錯誤的數量強烈地依賴于數字化輸入光信號的處理。在大多數光鏈路中的BER強烈地依賴于接收器判定閾值。接收器閾值基本上定義電平，認為高于該電平的接收的數據為二進制“1”并且認為低于該電平的接收的數據為二進制“0”。該閾值的位置強烈地依賴于在接收器的光功率。已經執(zhí)行了實驗以便確定BER 對接收的光功率的依賴以及作為接收的光功率的函數的最佳判定閾值。圖1圖示了對于三個不同的接收器判定閾值條件的作為以cBm為單位的接收的光功率的函數的測量的位錯誤率數據100。在該測試中使用的光信號為具有光噪聲負載的不歸零(NRZ)格式信號。圖1呈現了第一曲線102，該第一曲線102示出當將判定閾值固定在靜止設置點時(其是最常見光接收器的操作方式)位錯誤率的數據。呈現在第一曲線102 中的數據指示隨著接收的光功率被增加，位錯誤率的逐漸增加。圖1還呈現了第二曲線104，該第二曲線104示出當對于每個接收的光功率最優(yōu)化了判定閾值時位錯誤率的數據。數據指示了當對于每個接收的光功率最優(yōu)化判定閾值時在總系統(tǒng)性能中相應于大約3db的位錯誤率性能的改進。此外，圖1呈現了示出當將判定閾值調諧為-17daii時位錯誤率的數據的第三曲線 106。數據指示了在處性能最佳。然而，數據也指示了在其它功率等級，位錯誤率增加了幾個數量級。例如，如果然后突然將光功率從_17dBm改變至_22dBm，位錯誤率上升了幾乎六個數量級至將導致同步丟失事件的等級。在接收的光功率中的這種改變通常發(fā)生在光切換期間。因此，曲線102、104、以及106中的數據指示，當在接收的光功率中有波動時， 為了最優(yōu)化性能需要持續(xù)地改變判定閾值。已知不同的接收器在類似的條件下表現不同。 在已知系統(tǒng)中，判定閾值需要最優(yōu)化以便達到最好的BER。數字化光信號的處理具有影響處理的精確性的幾個因素。這些因素的其中一個是這些數字化器用于確定輸入信號是1位還是0位的判定電平。另一個重要的因素為到接收器的輸入信號的形態(tài)以及穩(wěn)定性。到接收器的光輸入功率的變化將改變電數字化器處理的信號形態(tài)。嘗試使得電信號恒定而不管到光接收器的輸入功率已經顯示為艱難的任務。具有非?？斓捻憫獣r間(大于10微秒)的閉環(huán)反饋系統(tǒng)在突然的以及不可預測的功率改變下，對于保持應用于數字化器的信號的形態(tài)是必需的。大多數光接收器具有控制管腳，其被設計以接收被選擇以便改變在輸出端生成的信號形態(tài)的控制電壓。采用控制電壓來達到閾值最優(yōu)化已經顯示了提供改善的BER性能。 然而，使用該控制電壓需要精確的反饋。因為大多數在光通信鏈路中使用的接收器功率監(jiān)控器僅報告平均DC功率，所以對于大多數系統(tǒng)使用光功率反饋系統(tǒng)是不實際的。為了達到精確的并且有意義的閉環(huán)控制機制，需要監(jiān)控關于輸入信號的形態(tài)的信息。圖2圖示了作為以cBm為單位的接收的輸入功率的函數的以伏為單位的最佳接收器判定閾值的數據200。圖2呈現了第一曲線202，該第一曲線202示出對于光通信系統(tǒng)作為以(ffim為單位的接收的輸入功率的函數的以伏為單位的最佳判定閾值的數據，該光通信系統(tǒng)包括具有50km長度的光纖鏈路。在第一曲線202中的數據指示了最佳判定閾值可強烈地依賴于接收的輸入功率。圖2也呈現了第二曲線204，該第二曲線204示出對于光通信系統(tǒng)作為以cffim為單位的接收的輸入功率的函數的以伏為單位的最佳判定閾值的數據，該光通信系統(tǒng)具有與光發(fā)送器背對背放置的光接收器，在光發(fā)送器與光接收器之間沒有光纖鏈路。在第二曲線204中的數據也指示了最佳判定閾值可強烈地依賴于接收的輸入功率。將第一曲線202中的數據與第二曲線204中的數據相比較指示了對于不同的系統(tǒng)條件最佳判定閾值顯著不同。特別地，第一曲線202中的數據指示了最佳判定閾值強烈地依賴于光纖鏈路中的差量。由光信號的失真引起對差量的強烈依賴，因為光信號通過光鏈路傳播。該接收器閾值的變化需要可被用于為作為光功率的函數的每個系統(tǒng)條件調整閾值的簡單并且精確的反饋機制。圖2中的數據表示了最佳判定閾值為接收的光功率以及系統(tǒng)條件二者的復值函數。不能采用使用光功率的靜態(tài)開環(huán)補償系統(tǒng)來保持用于不同系統(tǒng)條件的最佳判定閾值。圖3圖示了典型的光接收器300布局。光接收器300包括光電檢測器302，其具有與從光發(fā)送器傳輸數據的光纖鏈路的輸出耦接的光輸入。電壓源在期望的操作點對光電檢測器302施加偏壓。例如，光電檢測器302可為在本領域皆熟知的PIN 二極管光電檢測器或雪崩光電檢測器(Avalanche-Photo-Detector，APD)。光電檢測器302響應從光纖鏈路接收的光信號生成電流信號。將光電檢測器302的輸出電力地連接至跨阻抗放大器304的輸入?？缱杩狗糯笃?304將由光電檢測器302生成的電流信號轉換為電壓數據信號。在許多實施例中，跨阻抗放大器304的轉換函數在接收器302的整個操作光功率范圍上相對地線性。將跨阻抗放大器304的輸出電力地與差分RF放大器306耦接。差分RF放大器306 生成表示原始數據以及反轉數據(data_bar)的差分輸出。在大多數通常的差分放大器306 中，可通過采用到RF放大器306的支臂之一的DC偏移308來調整輸出數據與data_bar交叉。在大多數通常應用中，至少使用一個附加的差分放大器310以便生成更高的輸出等級。在一些實施例中，將差分放大器306的數據輸出以及data_bar輸出與處理第二放大差分信號以及第二放大差分信號的反轉的電數據濾波器312以及電data_bar濾波器 314的相應一個相連接。在可替換實施例中，將最后的差分放大器的數據輸出以及data_ bar輸出與電數據濾波器312以及電data_bar濾波器314的相應一個電連接。例如，可采用Bessel-Thomson濾波器來改善接收器的電回送損耗與/或差分組延時。將數據濾波器 312的輸出電連接至接收器300的數據輸出316。將data_bar濾波器314的輸出電連接至接收器300的data_bar輸出318。在操作中，光電檢測器302響應從光纖鏈路接收的光信號生成電流信號?？缱杩狗糯笃?04將由光電檢測器302生成的電流信號轉換為電壓數據信號。然后使用差分放大器306放大來自跨阻抗放大器304的輸出。然后將來自該差分放大器306的輸出饋送至數字化器電路。采用DC偏移控制308來改變差分放大器輸出交叉以便最優(yōu)化數字化電路的操作，其導致最優(yōu)化光系統(tǒng)的BER。如圖2所示，作為到光接收器300的輸入光功率的函數，最優(yōu)化的TIA DC偏移顯著地改變。此外，圖1顯示了利用作為光功率的函數的TIA DC偏移的最優(yōu)化顯著地改善光鏈路的性能。本發(fā)明一方面在于以下認識將跨接RF放大器306的輸出端的差分電壓保持在恒定的電平將導致基本恒定的鏈路BER，而與光輸入功率的變化無關。因此，采用本發(fā)明的方法和裝置，可將BER保持在最佳的性能點。換言之，通過將RF放大器306的輸出交叉保持恒定，光鏈路BER的性能保持在最佳點。因此，在一個實施例中，根據本發(fā)明的光接收器包括自動閾值補償系統(tǒng)，其可通過將跨接光接收器的輸出端的差分電壓保持在基本恒定的值來保持最佳判定閾值。圖4圖示了當調整DC偏移電壓以便生成接收器的最佳BER時，根據本發(fā)明的作為以dBm為單位的接收器輸入功率的函數的接收器輸出交叉400。第一曲線402圖示了根據本發(fā)明的光接收器的接收器輸出交叉400，該光接收器與光發(fā)送器背對背放置，在光發(fā)送器與光接收器之間沒有光纖鏈路。第二曲線404圖示了在光通信系統(tǒng)中根據本發(fā)明的光接收器的接收器輸出交叉，所述光通信系統(tǒng)包括具有50km長度的光纖鏈路。曲線402以及404 的數據顯示了根據本發(fā)明的光接收器中，對于具有將光接收器與光發(fā)送器背對背放置的光通信系統(tǒng)，以及包括具有50km長度的光纖鏈路的光通信系統(tǒng)二者，輸出的交叉是恒定的。 因此，通過使用根據本發(fā)明的光接收器，可將接收器輸出交叉保持在基本恒定值，其可保持用于預定的或用于最小的BER的最優(yōu)化的閾值。將接收器輸出交叉保持恒定等價于將跨接數據與data_bar輸出的差分電壓保持在恒定值。圖5圖示了根據本發(fā)明用于具有自動閾值補償系統(tǒng)的光接收器502的閉環(huán)閾值控制電路500。在一個實施例中，包括數據輸出504以及data_bar輸出506的接收器502為連同圖3描述的接收器300或等同物。數據輸出504以及data_bar輸出506與電子數字化器(BERT或Demux等)508的輸入耦接。另外，將數據輸出504與數據傳輸線510耦接并且data_bar輸出506與data_bar傳輸線512耦接。將數據傳輸線510與差分放大器514的第一輸入耦接。將data_bar傳輸線512 與差分放大器514的第二輸入耦接。將差分放大器514的輸出電連接至積分器516的第一輸入520。將可調整控制電壓源518電連接至積分器516的第二輸入。也將可選參考電壓 517電連接至積分器516的第一輸入。在操作中，差分放大器514在輸出端生成差分信號，其是數據傳輸線510上電壓和 data_bar傳輸線512上電壓的放大差分。差分放大器514生成應用于積分器516的輸入 520的電壓從而到積分器516的兩個電輸入具有相等的電壓?？赏ㄟ^可調整控制電壓518 改變積分器516的輸出鎖定的電壓。典型地將這個可調整控制電壓調整一次來提供光鏈路的最佳BER性能?？蛇x擇電阻器Rl至R9以及電容器Cl至C2以便分別地最優(yōu)化閉環(huán)電路的理想增益以及積分時間。圖6A圖示了用于沒有本發(fā)明的自動閾值電壓補償的光接收器的、作為接收器DC 偏移電壓的函數的位錯誤率的數據圖600。傳輸的數據是10. 709(ibpS的NRZ數據信號。呈現了與傳送器直接地背對背連接的接收器的位錯誤率數據(B-B或背對背數據)。該背對背傳輸系統(tǒng)的光信噪比為16dB/0. lnm。呈現了接收的光功率等級等于-lOdBm、-14dBm、-18dBm、以及-22dBm的數據。作為接收器DC偏移電壓的函數的位錯誤率的數據圖600指示了最佳BER強烈地依賴于接收器輸入光功率。圖6B圖示了用于具有本發(fā)明的自動閾值電壓補償的光接收器的、作為接收器DC 偏移電壓的函數的位錯誤率的數據圖650。選擇與用于獲取連同圖6A描述的沒有本發(fā)明的自動閾值電壓補償的光接收器的數據圖600的數據以及傳輸條件近似的數據以及傳輸條件。傳輸的數據為10.709(ibpS的NRZ數據信號。呈現了與傳送器直接地背對背連接的接收器的位錯誤率數據(B-B或背對背數據)。該背對背數據的光信噪比為16dB/0. lnm。
呈現了接收的光功率等級等于-lOdBm、-14dBm、-18dBm、以及_22dBm的位錯誤率數據。作為接收器DC偏移電壓的函數的位錯誤率的數據圖650指示了提供最低的位錯誤率的接收器閾值電壓本質上獨立于在接收器的光功率等級。雖然連同各種實施例以及示例描述本公開，但不意欲將本公開局限于該實施例。 相反，本公開包含如本領域技術人員將認識到的各種可替換選擇、修改和等同物，其可在不背離本發(fā)明精神及范圍的情況下進行。
權利要求
1.一種光接收器，包括a.光檢測器，其具有被放置用于檢測光數據信號的輸入端，所述光檢測器在輸出端生成與所述光數據信號的光強度成比例的電壓；b.差分放大器，其具有與所述光檢測器的所述輸出端電連接的數據輸入端，以及判定閾值電壓信號輸入端，所述差分放大器在數據輸出端生成數據信號并且在data_bar輸出端生成反轉數據信號；以及c.判定閾值電壓信號生成器，其具有與所述差分放大器的所述判定閾值電壓信號輸入端耦接的輸出端，所述判定閾值電壓信號生成器生成具有以下振幅的判定閾值電壓信號， 所述振幅使得所述差分放大器在通過所述差分放大器生成的所述數據信號與所述反轉數據信號之間保持基本恒定的差分電壓，從而，在所述光數據信號的所述強度中的波動期間減少位錯誤率。
2.如權利要求1所述的光接收器，其中，所述光檢測器包括光電檢測器，其響應所述光數據信號生成光電流；以及跨阻抗放大器，其從所述光電流生成與所述光數據信號的所述光強度成比例的所述電壓。
3.如權利要求2所述的光接收器，其中，所述光電檢測器包括PIN光電二極管。
4.如權利要求2所述的光接收器，其中，所述光電檢測器包括雪崩光電二極管(APD)。
5.如權利要求2所述的光接收器，其中，所述跨阻抗放大器包括基本線性的跨阻抗放大器，其生成與所述光數據信號的所述光強度線性地成比例的電壓。
6.如權利要求1所述的光接收器，還包括第二差分放大器，其具有與所述差分放大器的所述數據輸出端電連接的第一輸入端以及與所述差分放大器的所述data_bar輸出端電連接的第二輸入端，所述第二差分放大器在數據輸出端生成具有預定增益的放大的數據信號并且在data_bar輸出端生成具有預定增益的放大的反轉數據信號。
7.如權利要求1所述的光接收器，還包括第一電濾波器，其與所述差分放大器的所述數據輸出端電連接，以及第二電濾波器，與所述差分放大器的所述data_bar輸出端電連接。
8.如權利要求7所述的光接收器，其中，所述第一以及所述第二電濾波器的至少一個包括Bessel-Thomson濾波器。
9.如權利要求1所述的光接收器，其中，所述判定閾值電壓信號生成器包括積分器， 其將所述數據信號與所述反轉數據信號之間的所述差分電壓積分，以便生成所述判定閾值電壓信號。
10.一種接收光數據信號的方法，所述方法包括a.生成與所述光數據信號的強度成比例的電壓檢測信號；b.生成判定閾值電壓信號；以及c.生成數據信號以及反轉數據信號，所述數據信號以及所述反轉數據信號與所述電壓檢測信號與所述判定閾值電壓信號之間的差成比例，其中，選擇所述判定閾值電壓信號以便保持在所述數據信號與所述反轉數據信號之間的基本恒定的差分電壓，從而，在所述光數據信號的所述強度中的波動期間減少位錯誤率。
11.如權利要求10所述的方法，其中，所述電壓檢測信號與所述光數據信號的所述強度線性地成比例。
12.如權利要求10所述的方法，其中，生成與所述光數據信號的所述強度成比例的電壓的步驟包括以光電檢測器檢測光數據信號，以及利用跨阻抗放大器將通過所述光電檢測器生成的光電流轉換至電壓。
13.如權利要求10所述的方法，其中，生成與所述光數據信號的所述強度成比例的電壓的步驟包括生成與所述光數據信號的所述強度線性地有關的電壓。
14.如權利要求10所述的方法，還包括對所述數據信號與所述反轉數據信號之間的所述差分電壓積分，以便生成所述判定閾值電壓信號。
15.如權利要求10所述的方法，還包括對所述數據信號與所述反轉數據信號的至少一個濾波，以便改善電回送損耗以及差分組延時的至少一項。
16.一種光接收器，包括a.用于生成與接收的光數據信號的強度成比例的電壓檢測信號的部件；b.用于生成數據信號以及反轉數據信號的部件，所述數據信號以及所述反轉數據信號與在所述電壓檢測信號與判定閾值電壓信號之間的差成比例，以及c.用于調整所述判定閾值電壓信號、以便在所述數據信號與所述反轉數據信號之間保持基本恒定的差分電壓的部件，所述判定閾值電壓作為所述接收的光數據信號的光功率的函數。
17.如權利要求16所述的光接收器，其中，所述電壓檢測信號與所述光數據信號的所述強度線性地成比例。
18.如權利要求16所述的光接收器，還包括用于生成所述判定閾值電壓信號的部件。
19.如權利要求18所述的光接收器，其中，用于生成所述判定閾值電壓信號的部件將所述數據信號與所述反轉數據信號之間的所述差分電壓積分。
20.如權利要求16所述的光接收器，還包括用于將所述數據信號以及所述反轉數據信號的至少一個濾波的部件。
全文摘要
一種光接收器包括光檢測器，其具有被放置用于檢測光數據信號的輸入端。光檢測器在輸出端生成與光數據信號的光強度成比例的電壓。差分放大器包括與光檢測器的輸出端電連接的數據輸入端，以及判定閾值電壓信號輸入端。差分放大器在數據輸出端生成數據信號并且在data_bar輸出端生成反轉數據信號。判定閾值電壓信號生成器包括與差分放大器的判定閾值電壓信號輸入端耦接的輸出端。判定閾值電壓信號生成器生成具有以下振幅的判定閾值電壓信號，該振幅使得差分放大器在生成的數據信號與反轉數據信號之間保持基本恒定的差分電壓。
文檔編號H04B10/06GK102204125SQ200980143078
公開日2011年9月28日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權日2008年9月4日
發(fā)明者海德·N·厄萊菲杰, 馬克·科利爾 申請人:菲尼薩公司