專利名稱：光學放大接收器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信接收器，并特別涉及轉換光通信信號的通信接收器。
單通道(或波長)光纖遠程鏈路的帶寬主要受限于發(fā)送器和接收器所需要的高速電子裝置。光通信信號的波分復用是一種在不增加電子裝置速度之下，用于增加光纖遠程通信鏈路帶寬的技術。在通信接收器中，接收光通信信號的光通道必須被分開，或多路分解，并被發(fā)送到它們各自的接收器，這些接收器在它們的數(shù)據(jù)接收速率是不同的。一個例子是2.488Gb/s接收器。
多路分解過程是不理想的，并受到光損失，這就降低了整個接收器的靈敏度。靈敏度的降低還導致整個通信鏈路較短路的傳輸長度。當組件基于各自被優(yōu)化時，任何較小的尺寸與較低功率操作的好處，并不能以這種類型的接收器結構實現(xiàn)。實現(xiàn)波分復用接收器高靈敏度當前的一種方法是，使用帶有雪崩光電二極管(APD)的波長多路分解器。這些電子放大光接收器已經(jīng)設計為機架安裝結構的分開的單元。一般，機架安裝結構內的每一個卡單元代表一個單獨的組件，形成了很大的但不理想的單元，特別是在低功率應用中，如在先進的航空器設計或其它要求低功率小站位的設計規(guī)范中。
因為這些類型的光接收器是機架安裝單元，并使用雪崩二光電極管，接收器靈敏度功率損失受到幾乎等于光多路分解器的光插入損失。一般來說，使用光前置放大的遠程通信接收器，不是對高靈敏度和低功率兩者都被優(yōu)化的，并且不包含在單個的組件中。而且，某些光通信接收器中，可能需要激光驅動器。為了傳送向激光二極管供電所需的電流，就要使用一個電路并向激光驅動器供電，但它也消耗其自身的功率。在控制電路中消耗的這一功率基本上是浪費的功率，因為它不被轉換為光子。
某些當前的設計的注入式激光二極管驅動器使用線性通道(pass)晶體管向注入式激光二極管傳送被調節(jié)的電流。這種方法的結果是在于跨越整個器件上固定的電壓以及通過器件的固定電流，其結果是功率大量消耗。例如，在某些先有技術的設計中，由注入式激光二極管驅動器所耗全部功率接近90％發(fā)生在通道晶體管。這樣需要一種理想的解決方案，向注入式激光二極管提供清潔的電流源。
本發(fā)明包括一種光放大接收器，它包括一種光前置放大器，用于通過光纖通信線路接收光通信信號，一種與所述光前置放大器操作連接的帶通濾波器，用于接收光通信信號，選擇信號通道，并濾除由光前置放大器產(chǎn)生的噪聲，一種PIN檢測器，用于從所述帶通濾波器接收光通信信號并把光通信信號轉換為電通信信號，以及一放大器電路，用于放大電通信信號。
本發(fā)明的目的是要提供一種優(yōu)化的并全集成的，高靈敏度，高功效的光放大接收器，該放大器被優(yōu)化為一個系統(tǒng)并結合到單個的組件中。
本發(fā)明的另一目的是要提供一種光放大接收器，該接收器允許在當前可用的技術上增加傳輸距離，降低寶貴的失敗機架空間體積，并提供更有效的熱管理。
通常，降低功耗的集成的光放大接收器，有益于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的大通道數(shù)及高數(shù)據(jù)率系統(tǒng)。接收器電子裝置的噪聲性能能夠與較低的功率操作相協(xié)調。接收器包括高度的集成并允許結合共用的基片熱管理。通過把光放大接收器組件設計為系統(tǒng)優(yōu)化，并把它們結合到一單個的部件，能夠增加在現(xiàn)有可用技術上的傳輸距離，降低寶貴的設備機架空間體積，并提供更有效的熱管理。使用鉺摻雜光纖放大器技術還允許PIN檢測器用來替代雪崩光電二極管作為光電轉換器，這樣增加了接收器整體的可靠性，降低了功耗。
使用光放大器和PIN檢測器能夠達到的高的接收器靈敏度和組件的可靠性，與定制的低功率抽吸激光驅動器及接收器技術集成允許簡化結構和提高效率。
光放大接收器優(yōu)勢地包含了一種光前置放大器，用于接收通過光通信線路的光通信信號，該線路在本發(fā)明的一種方式中是用于接收波分復用信號的單光通信線路，一個帶通濾波器操作連接到光前置放大器并接收該光通信信號，選擇單波分復用信號，并濾除由光前置放大器產(chǎn)生的噪聲。在本發(fā)明的一種方式中的光前置放大器，是一種低噪聲，增益勻平，鉺摻雜的光前置放大器。
激光驅動器與激光接口，用來抽吸光放大器，并包括一注入式激光二極管和連接到注入式激光二極管的一電流源控制回路，該回路建立了通過注入式激光二極管的固定電流。一電壓轉換開關電路連接到注入式激光二極管及電流源控制回路。適配這一電壓轉換開關電路是為了接收固定供電電壓，并感應轉換供電電壓降低到正向電壓，以便對注入式激光二極管加偏壓，并產(chǎn)生到具有最小功率損耗的前置放大器的光輸出。
在本發(fā)明的另一方式中，一個多路分解器濾波器操作連接到低噪聲，增益勻平，鉺摻雜光前置放大器，用于把波分割多路復用的光通信信號多路分解為多路分解的光通信信號。多個接收器通道接收多路分解的光信號。一個光電轉換電路位于每一接收器通道內，并把光信號轉換為電通信信號。
或是殼體或是電路卡之一包含光放大器，激光驅動器，多路分解器以及光電轉換電路，作為一集成的部件。帶通濾波器操作連接到光其放大器，用于接收光通信信號并濾除由光前置放大器產(chǎn)生的噪聲。這一帶通濾波器可包括一可調諧帶通濾波器。
光電轉換電路可包括一PIN檢測器及連接到PIN檢測器的放大器電路，用于放大電通信信號。在本發(fā)明的另一方式中，放大器電路可包括一集成電路，除法電路和時鐘恢復電路。在本發(fā)明的另一方式中，放大電路可包括用于模擬傳輸信號的解調器。
現(xiàn)在將通過例子參照附圖描述本發(fā)明，其中

圖1是一高級圖示，表示本發(fā)明的低噪聲、波分復用接收器一例，連接到星形耦合器及在線，鉺摻雜，光纖放大器轉發(fā)器。
圖2是本發(fā)明光放大接收器一例的框圖。
圖3是一框圖，表示本發(fā)明的激光驅動器/功率轉換器一例，用作為光放大接收器的一部分。
圖4是一框圖，表示可用于本發(fā)明的功率分離器/光帶通可調諧濾波器，多路分解器一例。
圖5是可用于本發(fā)明的功率分離器的一示意圖。
圖6的曲線圖以dBm表示作為本發(fā)明一例的位錯率對輸入光功率。
本發(fā)明提供了一種高水平設計的，優(yōu)化的，全集成的，高靈敏度波分分解光放大接收器，其設計最好與具有通信信號的多波長單輸入光纖使用。而且，該接收器通過使用具有降低了功率的激光驅動器，允許超過許多當前技術狀態(tài)連續(xù)波激光驅動器而顯著地節(jié)省了功率。
這種功率的節(jié)省是通過使用標準電流源控制回路結構實現(xiàn)的，該電流源回路設置為通過注入結構二極管所需的電流。電流源已使用當前技術狀態(tài)組件優(yōu)化，以便盡量降低耗費的即不會傳送到注入式激光二極管的功率量。激光驅動器還具有高效可變電壓轉換開關的電流源，其輸出電壓是可變的，使得通過電流源支線中每一組件有最小電壓降。這些功率的節(jié)省能夠轉給系統(tǒng)中其它電路，并能夠允許電池供電裝置延長使用，增加了資金與能源的節(jié)省。
在本發(fā)明的一種方式中，轉換電流源用于驅動光前置放大器中的注入式激光二極管，使其替代低效的線性驅動器。
某些注入式激光二極管驅動器使用線性通道晶體管向注入式激光二極管傳送調節(jié)的電流。其結果是加在器件上的固定電壓和通過器件的固定電流，這造成大量的浪費功率，并在某些情形下將近90％發(fā)生在通道晶體管。
本發(fā)明允許從轉換通道晶體管向注入式激光二極管傳送清潔的電流，這種轉換通道晶體管交替地工作在“全導通”，然后是“全關斷”模式。當處于“全導通”模式時，在晶體管兩端沒有電壓。當處于“全關斷”模式時，沒有電流流過晶體管。其結果是，轉換通道晶體管消耗的功率量降低。通過基于注入式激光二極管與鉺增益元件的特性分配轉換開關操作參數(shù)，轉換開關噪聲保持在與光放大器的高性能相一致的狀態(tài)。預期的效率改進是通道晶體管功率降低到接近總驅動器功率的15％，而包括注入式激光二極管總的凈效率高達大約為30％的程度。這允許在光纜中敷設附加的光纖。
本發(fā)明還提供了波分復用及低功率光放大接收器，這是全集成且以高靈敏度優(yōu)化的器件。如上所述，它結合了低功率設計并具有定制的高效抽吸激光驅動器，以及抽吸激光器免熱電冷卻器操作。這允許在接收器中使用硅基片技術。在只作為非限制性例子本發(fā)明的一種方式中，它以基于100GHz(0.8nM)的2.488Gb/s通道的八個不同的通道的形式，被優(yōu)化并集成為達到高靈敏度。
該接收器使用了如所述有多波長的單輸入光纖。它具有低噪聲，增益勻平鉺摻雜的光纖放大器，作為前置放大器，其后跟隨的是一種通道間輸出功率變化極小的低損耗多路分解器。隨后是一接收器陣列并在每一接收器中包括一PIN檢測器和高速電子裝置。
如前所述，單通道或波長光纖遠程通信鏈路的帶寬受到在發(fā)送器和接收器所需的高速電子裝置的限制。雖然已知有各種通道數(shù)據(jù)率，但就大約2.5Gb/s的數(shù)據(jù)率對發(fā)明進行說明。當然，該設計可用于多種增加的數(shù)據(jù)率。某些用于單通道光纖遠程通信鏈路的當前技術狀態(tài)的光接收器，工作在2.488Gb/s，并被限制為工作在入射光纖功率為-34dBm時位錯率為1×10-11。波分復用(WDM)增加了光纖遠程通信鏈路的帶寬而無需增加電子裝置的速度。這一技術對多個通道和波長進行多路復用，作為一非限制性例子，每一在2.488Gb/s被調制到單光纖。這一聚集的光纖位速率現(xiàn)在成為N×2.488Gb/s，其中N＝2，3，4，...。在接收器處，光通道被分開并被多路分解，并發(fā)送到它們的各自的2.488Gb/s接收器。
多路分解過程不是理想的并發(fā)生光損失，于是降低了整個接收器的靈敏度。這轉換為較短的傳輸程度。通過結合基于本發(fā)明的鉺摻雜光纖技術的光前置放大器，克服了多路分解器的損失并能夠增加信號水平遠高于接收器噪聲基數(shù)，并增加了接收器的靈敏度。鉺摻雜光纖放大器技術允許使用PIN檢測器，替代作為光電轉換器的雪崩光電二極管。
圖1示出一波分復用光纖網(wǎng)絡10，其中各信號λ1，λ2，λ3，λ4通過作為光纖線路的多個光纖通道12進入主干光纖14，并進入在線鉺摻雜光纖放大器轉發(fā)器16到星形耦合器18。不同的信號分支20(ON-1，...ON-N)從星形耦合器18延伸，其中一個分支(或通道)表示為具有光接收器28，及低噪聲鉺摻雜光纖放大器22和光帶通濾波器24，其后是諸如工作在2.5Gb/s的光電接收器26。
圖2在30處示出本發(fā)明的一光纖放大接收器，包含在殼體中，或在本發(fā)明的另一方式，在印刷電路卡部件31上。在一種方式中，組件安裝在單個的印刷電路卡部件上，該卡能夠安裝在一殼體中，并形成一集成的接收器部件。雖然說明將對于非限制性的數(shù)據(jù)率2.5Gb/s的描述進行。
如圖2所示，信號Ps進入作為光前置放大器的鉺摻雜光纖前置放大器32。對于所示的前置放大器32相關的操作參數(shù)，可調諧帶通濾波器電路34以及光電轉換電路36，以適當?shù)膱D框示出。帶通濾波器接收來自光前置放大器的信號，選擇信號通道，并濾除由光前置放大器產(chǎn)生的噪聲。
本發(fā)明的可調諧帶通濾波器電路34包括一功率分離器40以及光帶通可調諧濾波器42，如圖4與5中所示，其中功率分離器40表示為級聯(lián)3-dB耦合器44。雖然這只是示出一種類型的功率分離器/光帶通可調諧濾波器和多路分解器。
在本發(fā)明的一種方式中，光電轉換電路36包括PIN檢測器(二極管)50，其后是低噪聲電放大器52。電子限制放大器54與判定電路56配合工作，并允許數(shù)據(jù)恢復并整形電通信信號，同時時鐘恢復電路58允許時鐘信號恢復并重定時電通信信號。
圖3示出本發(fā)明的低功率激光驅動器電路60，該電路用于驅動光前置放大器及接收器部件。五伏特的供電電壓輸入是許多電子電路的標準。激光驅動器電路60包括注入式激光二極管62，量子效率注入式激光二極管(HQEILD)。電流源控制回路64連接到注入式激光二極管62，并建立起通過注入式激光二極管的固定電流。這一電流源控制回路64具有一電壓轉換開關電路芯片66，連接到電流源控制回路內的注入式激光二極管，并適用接收固定的五伏特的供電電壓，并把固定電壓向下感應轉換為正向電壓，以便向激光注入式二極管加偏壓，并產(chǎn)生具有最小功率損耗的一光輸出。
這一電壓轉換開關電路芯片66是作為單獨的電路芯片整體形成的，并用作為如圖3所示的高效電壓轉換器。
電流源控制回路64包括作為低噪聲電流源的高效電流源70，及電流控制電流72。這些電路都包含在一殼體內，并在一種方式中，包含在包含接收器組件的印刷電路卡部件74上，包括前置放大器，可調諧帶通濾波器電路和光電轉換電路。
該示意電路圖示出各種功率和電壓以及電流參數(shù)。在這一非限制性例子中，在260微瓦特和在五伏特DC，有一35分貝的增益，以一個通道作為設計目標。對于八通道可以有266微瓦特DC，并達到220瓦特DC。布拉格光柵73操作連接到注入式激光二極管62，并按業(yè)內專業(yè)人員熟知的原理操作。布拉格光柵73配置用于接收光輸出并穩(wěn)定光波長。
圖5示出一曲線圖，表示對于位錯率(BER)對輸入光功率(dBm)以10為底的對數(shù)。方形的點代表沒有光放大器的PIN只接收器，而三角形點代表本發(fā)明的光放大PIN接收器。圖上示出使用光前置放大接收器系統(tǒng)靈敏度18分貝的改進。
一種集成的光放大接收器包括光泵浦光前置放大器，一般用于接收通過光通信線路的波分復用光通信信號。PIN光檢測器接收作為來自光前置放大器的已濾波多路分解信號的光通信信號，并把這光通信信號轉換為電通信信號。一個放大器電路放大電通信信號，供數(shù)字重定時或解調。
權利要求
1.一種光放大接收器，包括一個光前置放大器，用于通過光纖通信線路接收光通信信號，一個帶通濾波器，操作連接到所述光前置放大器，用于接收光通信信號，選擇信號通道，并濾除由光前置放大器產(chǎn)生的噪聲，一個PIN檢測器，用于接收來自所述帶通濾波器的光通信信號并轉換該光通信信號為電通信信號，以及一個放大器電路，用于放大電通信信號。
2.如權利要求1中所述的一種光放大接收器，其中所述帶通濾波器包括可調諧帶通濾波器，所述PIN二極管工作在3.3伏特，并包括一激光器，用于泵浦光前置放大器，以及與用于泵浦光前置放大器的該激光器接口的一激光驅動器。
3.如權利要求2中所述的一種光放大接收器，其中所述激光驅動器包括一注入式激光二極管，用于建立固定電流的一電流源控制回路，與所述注入式二極管及電流源控制回路連接的電壓轉換開關電路，所述光前置放大器連接到單波長光通信線路，并且通過所述光通信線路接收的所述光通信信號包括波分復用光通信信號。
4.如權利要求3中所述的一種光放大接收器，包括一個多路分解器操作連接到所述前置放大器及帶通濾波器，用于多路分解波分復用光通信信號，所述放大器電路包括一電子限制放大器，用于整形電通信信號，且其中所述放大器電路包括一判定電路與一個時鐘電路，用于重定時電通信信號。
5.一種集成的光放大接收器，包括一個光前置放大器，用于通過光通信線路接收光通信信號，一個帶通濾波器，操作連接到所述光前置放大器，用于接收光通信信號并濾除由光前置放大器產(chǎn)生的噪聲，一個PIN檢測器，用于接收來自所述光前置放大器的光通信信號并轉換該光通信信號為電通信信號，一個放大器電路，用于放大電通信信號，以及一個殼體或印刷卡部件之一包含所述光前置放大器，PIN檢測器及放大器電路作為集成接收器部件。
6.如權利要求5中所述的一種光放大接收器，其中所述帶通濾波器包括一可調諧帶通濾波器，所述PIN二極管工作在3.3伏特，包括一激光器，用于泵浦光前置放大器，以及與用于泵浦光前置放大器的該激光器接口的一激光驅動器。
7.如權利要求5中所述的一種光放大接收器，其中所述激光驅動器還包括一注入式激光二極管，用于建立固定電流的一電流源控制回路，以及與所述注入式二極管及電流源控制回路連接的電壓轉換開關電路，所述光前置放大器連接到單波長光通信線路，其中通過所述光通信線路接收的所述光通信信號包括波分復用光通信信號，包括與所述前置放大器操作連接的多路分解器，用于多路分解波分復用的光通信信號，所述放大器電路包括一電子限制放大器，用于整形電通信信號，且所述放大器電路包括一判定電路和一時鐘恢復電路，用于重定時電通信信號。
8.一種光放大接收器，包括一個低噪聲、增益勻平、鉺摻雜光前置放大器，用于通過光通信線路接收光通信信號，一個帶通濾波器與所述光前置放大器連接用于接收光通信信號，選擇信號通道，并濾除由光前置放大器產(chǎn)生的噪聲，一激光驅動器操作連接到所述光前置放大器及帶通濾波器，用于驅動所述前置放大器，并包括一注入式激光二極管，一電流源控制回路連接到所述注入式激光二極管，建立通過注入式激光二極管的固定電流，以及一電壓轉換開關電路，連接到所述注入式二極管及電流源控制回路，所述電壓轉換開關電路適于接收固定供電電壓，并把供電電壓向下感應地轉換為正向電壓以便向激光二極管加偏壓，并向具有最小功率損失的前置放大器產(chǎn)生一光輸出，以及一光電轉換電路，操作連接到所述前置放大器，用于把光通信信號轉換為電通信信號，并包括一殼體或印刷電路卡部件之一，包含所述光前置放大器，帶通濾波器，激光驅動器及光電轉換電路，作為集成的接收器部件。
9.如權利要求8中所述的一種光放大接收器，其中所述帶通濾波器包括一可調諧帶通濾波器，所述光電轉換電路包括一PIN檢測器，還包括一放大器電路連接到所述PIN檢測器，用于放大所述電通信信號。
10.一種光放大接收器，包括一個低噪聲，增益勻平，鉺摻雜光前置放大器，用于通過光通信線路接收波分割多路復用光信號，一個帶通濾波器與所述光前置放大器連接用于接收光信號，選擇通道，并濾除由光前置放大器產(chǎn)生的噪聲，一激光驅動器操作連接到所述光前置放大器及帶通濾波器，并包括一注入激光二極管，一電流源控制回路，連接到所述注入式激光二極管，建立通過注入式激光二極管的固定電流，以及一電壓轉換開關電路，連接到所述注入式二極管及電流源控制回路，所述電壓轉換開關電路適于接收固定供電電壓，并把供電電壓向下感應地轉換為正向電壓以便向激光二極管加偏壓，并向具有最小功率損失的前置放大器產(chǎn)生一光輸出，一多路分解器電路操作連接到所述低噪聲、增益勻平鉺摻雜光前置放大器，用于把波分割多路復用的光信號多路分解為多路分解的光信號，多個接收器通道，用于接收多路分解光信號，以及位于每一接收器通道內的一個光電轉換電路，用于把光信號轉換為電通信信號。
全文摘要
一種集成的光放大接收器包括一種光抽運光前置放大器，一般用于通過光通信線路接收波長分割的多路復用光通信信號。一種PIN輻透檢測器接收作為來自光前置放大器被濾波的多路分解信號的光通信信號，并轉換該光通信信號為電通信信號。一種放大器電路放大電通信信號，用于數(shù)字化重定時或解調。
文檔編號H04B10/158GK1479981SQ01819695
公開日2004年3月3日 申請日期2001年11月27日 優(yōu)先權日2000年11月28日
發(fā)明者約翰·德薩爾沃, 麥克爾·朗格, 斯科特·布里科, 蘭代爾·K·莫斯, 簡·C·懷特, K 莫斯, 布里科, 朗格, せ程, 約翰 德薩爾沃 申請人:哈里公司