用于光學(xué)裝置和組件的控制系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】用于光學(xué)裝置和組件的控制系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年7月15日提交的第61/671，756號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的權(quán)益，并與第12/945,470號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)相關(guān)，這些申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]當(dāng)今基于光纖的網(wǎng)絡(luò)在電子系統(tǒng)和光纖通信鏈路或網(wǎng)絡(luò)之間的接口處使用收發(fā)器或其他光學(xué)子系統(tǒng)。收發(fā)器通常用于在電子數(shù)據(jù)和通過(guò)光纖傳輸?shù)墓鈱W(xué)信號(hào)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。收發(fā)器的應(yīng)用范圍廣泛，包括從光纖到戶，到電信數(shù)據(jù)中心，再到長(zhǎng)距和高效的通信和計(jì)算。通常負(fù)責(zé)從光纖接收和發(fā)送光學(xué)數(shù)據(jù)的光學(xué)收發(fā)器被構(gòu)建為可插拔形式?？刹灏问瞻l(fā)器是用于數(shù)據(jù)通信和電信網(wǎng)絡(luò)的熱插拔、輸入/輸出收發(fā)器。這些可插拔收發(fā)器接合于通信裝置如交換機(jī)、路由器和光纖電纜之間，并在光信號(hào)和電信號(hào)之間執(zhí)行轉(zhuǎn)換，由于收發(fā)器多源協(xié)議而已經(jīng)開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)化的形式因素。標(biāo)準(zhǔn)化形式因素包括XFP、QSFP+、SFP和CFP包，其包括電、光、機(jī)械或功耗/用途以及其他因素，使從不同的供應(yīng)商采購(gòu)的模塊能夠滿足用戶使用這些可插拔件的需要。除了標(biāo)準(zhǔn)化形式因素的成本和大小的益處，標(biāo)準(zhǔn)化可插拔收發(fā)器能實(shí)現(xiàn)模塊化和現(xiàn)場(chǎng)更換功能，如熱插拔。使用標(biāo)準(zhǔn)化形式因素允許可插拔光學(xué)收發(fā)器連接至使用電子系統(tǒng)的任何指定兼容部分的光纖傳輸系統(tǒng)。
[0004]收發(fā)器的性能和成本與特定用途有關(guān)。如今，大部分收發(fā)器以可插拔形式因素來(lái)制造，即能夠在不關(guān)閉和開啟系統(tǒng)電源的情況下在線卡或系統(tǒng)中安裝和移除，并允許收發(fā)器插入插件卡槽以及從插件卡槽移除。這些可插拔件也可直接安裝至系統(tǒng)內(nèi)部或線卡上以增加密度，或可插拔件的內(nèi)部組件直接集成至線卡、子卡或用于在交換或路由設(shè)備內(nèi)部通信的其他模塊的電路上。收發(fā)器通過(guò)使從主機(jī)至傳輸介質(zhì)的數(shù)據(jù)一致的多個(gè)不同的數(shù)據(jù)處理芯片接合至主機(jī)(或客戶端)，反之亦然。在今天的收發(fā)器和可插拔收發(fā)器中，微處理器或微控制器用作中心元件來(lái)運(yùn)行收發(fā)器模塊、控制數(shù)據(jù)和其他信號(hào)并監(jiān)測(cè)收發(fā)器的健康狀況和運(yùn)行情況。根據(jù)成本、大小和功耗的選擇，對(duì)于較小形式因素而言信號(hào)處理芯片置于主機(jī)上，而對(duì)于較大形式因素而言則可置于收發(fā)器內(nèi)。
[0005]已知現(xiàn)有技術(shù)的信號(hào)處理和收發(fā)器控制依靠各種組件執(zhí)行電光接合和功能，例如使較低比特率并行數(shù)據(jù)與較高比特率并行或串行數(shù)據(jù)一致及反之亦然的串行化/并行化(SerDes)，以及具有如組幀和將待發(fā)送的數(shù)據(jù)插入至傳輸幀的功能的PHY(物理層)，例如以太網(wǎng)(Ethernet)或同步光纖網(wǎng)(SONET)。
[0006]PHY是這樣的芯片或芯片組，即通過(guò)采用多種數(shù)據(jù)和信號(hào)處理技術(shù)用于適配從電子主機(jī)至傳輸介質(zhì)及從傳輸介質(zhì)至電子主機(jī)的數(shù)據(jù)通信，采用的多種數(shù)據(jù)和信號(hào)處理技術(shù)包括但不限于編碼/解碼、加擾/解擾、用于異步數(shù)據(jù)協(xié)議的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)、用于時(shí)鐘頻率補(bǔ)償?shù)慕邮掌魉俾势ヅ?、以及在電路板上的?shù)據(jù)和時(shí)鐘軌跡與收發(fā)器內(nèi)的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘速率之間的變速器功能。PHY也編碼和解碼數(shù)據(jù)以確保在數(shù)據(jù)流中50/50%的標(biāo)記和空間，并在進(jìn)程中消除長(zhǎng)序列的標(biāo)記和空間，例如使用將每個(gè)8比特序列替換為10比特序列的8B/10B編碼。PHY還執(zhí)行映射功能，將一個(gè)比特率的數(shù)據(jù)流映射至另一個(gè)比特率。
[0007]此外，前向糾錯(cuò)(FEC)芯片可根據(jù)實(shí)施情況用在一些已知現(xiàn)有技術(shù)的裝置中?？紤]到檢測(cè)并修正引發(fā)的錯(cuò)誤，F(xiàn)EC芯片將另外的組幀和編碼層加至數(shù)據(jù)以增加對(duì)于傳輸損傷的回復(fù)能力。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉各種設(shè)計(jì)并了解具有這些功能的芯片能夠根據(jù)采用的標(biāo)準(zhǔn)置于收發(fā)器內(nèi)或主板上。本領(lǐng)域技術(shù)人員也理解具有這些功能的芯片只會(huì)處理1數(shù)據(jù)，而沒(méi)有控制收發(fā)器運(yùn)行情況的其他能力，例如激光輸出功率、可調(diào)諧激光波長(zhǎng)或溫度。
[0008]在目前已知的收發(fā)器中，微控制器或微處理器用于控制收發(fā)器的運(yùn)行情況并監(jiān)測(cè)收發(fā)器的健康狀況。微控制器是順序執(zhí)行機(jī)，如果使用多處理器內(nèi)核，可采用某種程度的并行性，但執(zhí)行大多是順序且由軟件驅(qū)動(dòng)的。軟件運(yùn)行在這些芯片上以執(zhí)行所要求的功能，控制的速度和效率以及可靠性和適應(yīng)性取決于微控制器/微處理器的表現(xiàn)和實(shí)施的編碼。更新或重新配置收發(fā)器或調(diào)試其功能及表現(xiàn)如通過(guò)量和延遲的能力常常受限于處理這些功能的軟件的使用。微控制器/微處理器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) —同使用。微控制器或微處理器(以下簡(jiǎn)稱為處理單元)是中央處理單元(CPU)，包括若干不同的外圍設(shè)備模塊以使其成為能夠促進(jìn)收發(fā)器監(jiān)測(cè)和控制的獨(dú)立功能單元。這些功能單元可包括易失性和非易失性存儲(chǔ)器、時(shí)鐘、振蕩器、串行端口、I2C/MD10/SPI通信端口及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。DAC和ADC功能能夠集成到特定用途的集成電路中，該集成電路與處理單元接合并被稱為專用集成電路(ASIC)。
[0009]本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉各種設(shè)計(jì)和電子電路，這些設(shè)計(jì)和電子電路能夠用于組合不同功能，包括SerDes(用于從較低到較高數(shù)據(jù)率的多路數(shù)據(jù)及反向的從較高到較低的數(shù)據(jù)率)和PHY組合而不使用FEC，或SerDes與PHY和FEC都一起使用的其他組合。在這種情況下，PHY能夠使用內(nèi)部功能的任意組合來(lái)處理數(shù)據(jù)流，例如執(zhí)行8B/10B編碼和之后的64B/65B編碼用于在SONET上進(jìn)行傳輸。不同的比特率和信號(hào)處理功能組合對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是已知的。在US 7，457，389中描述了已知數(shù)據(jù)同步裝置的示例，而在US2010/022907中描述了用在物理接口模塊中的已知互聯(lián)技術(shù)的示例。
[0010]然而，在該領(lǐng)域中已知技術(shù)還有很多缺點(diǎn)。例如，今天的SerDes、PHY和FEC通常是帶有標(biāo)準(zhǔn)以外有限的重配置選項(xiàng)的獨(dú)立模塊。因此，大量要求的功能通過(guò)許多不同的集成電路實(shí)現(xiàn)，失去了集成時(shí)間和時(shí)鐘控制的靈活性，造成了更復(fù)雜的電路。而且，因?yàn)樵谟布袑?shí)施復(fù)雜功能，未來(lái)的傳輸系統(tǒng)將不得不使用相同的通用功能以能夠使用相同的物理SerDes/PHY/FEC部件。這為如何定義或?qū)⑷绾味x未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)增加了限制。與之相比，網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多地打造為不面向標(biāo)準(zhǔn)的，而是面向非標(biāo)的、特定于網(wǎng)絡(luò)的需求。自定義通信量和功能工程正變得越來(lái)越普遍。這樣的非標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通常依賴于設(shè)計(jì)用于執(zhí)行不適用于目前標(biāo)準(zhǔn)化硬件的功能的專業(yè)硬件，或不得不與標(biāo)準(zhǔn)硬件中的規(guī)格一致。在今天的MAC和PHY解決方案中，通過(guò)在數(shù)據(jù)通路中改變寄存器的值和啟動(dòng)或關(guān)閉特定硬件實(shí)施的功能例如8B/10B編碼和解碼來(lái)控制處理。因此，實(shí)施功能的數(shù)量在數(shù)量和靈活性上都受到限制。這意味著，例如，特定部件只能覆蓋數(shù)量有限的細(xì)分市場(chǎng)(如SONET和SDH)，而其他細(xì)分市場(chǎng)(如1GigE)需要不同的部件。結(jié)果是需要大量不同部件來(lái)覆蓋市場(chǎng)，從而增加了開發(fā)、生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)成本。
[0011]其他限制與使用順序處理機(jī)如微處理器或微控制器作為收發(fā)器的主要元件有關(guān)。使用順序機(jī)控制上述的許多功能，連同輔助ASIC、存儲(chǔ)元件和固件處理裝置如用作輔助輸入/輸出裝置的FPGA，嚴(yán)重限制了這些系統(tǒng)和方法的表現(xiàn)，以及可制造性、成本、通過(guò)安裝更新的操作軟件來(lái)調(diào)試和改進(jìn)運(yùn)行的能力。
[0012]另一個(gè)限制是，以微處理器和微控制器為中心的設(shè)計(jì)的順序性質(zhì)需要對(duì)于各種數(shù)據(jù)的功能和通信，以及控制功能和用單片代碼建立的電路，該代碼必須作為整體更新而不是更高效的硬件實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)，而像本發(fā)明這樣，允許能夠不影響現(xiàn)有進(jìn)程而增加和添加的多個(gè)單獨(dú)進(jìn)程在硬件中運(yùn)行收發(fā)器的多種功能，使用并行或串行進(jìn)程、獨(dú)立或非獨(dú)立進(jìn)程，在硬件門級(jí)限定并在固件中編程的電路中，僅在實(shí)時(shí)操作不基于軟件的地方將系統(tǒng)外部軟件用于編程階段。
[0013]另一個(gè)本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)的限制是，收發(fā)器的控制和數(shù)據(jù)部分連接至光電轉(zhuǎn)換階段及控制多個(gè)功能并與數(shù)據(jù)交互所需要的各種組件的方式。如今，在電子數(shù)據(jù)和光纖網(wǎng)絡(luò)或傳輸系統(tǒng)間通信的光學(xué)、光電、特別是光子集成電路(PIC)發(fā)展得越來(lái)越復(fù)雜，具有更多需要控制和監(jiān)測(cè)的功能，包括光功率、調(diào)制、傳輸和接收參數(shù)，在一些應(yīng)用中還有波長(zhǎng)、溫度和其他方面。今天的光學(xué)芯片和PIC的設(shè)計(jì)和實(shí)施能夠有很大差異以匹配用于所需用途的這種接口的成本和可靠性。因此，接合這些芯片和上述電子器件以及設(shè)計(jì)為接合ASIC、DAC和AIC的電路的電子器件設(shè)計(jì)及運(yùn)行在微處理器或微控制器上的代碼和功能能夠有很大差異。在硬件和控制中的這種廣泛的變化性導(dǎo)致在設(shè)計(jì)不同的光學(xué)、光子集成電路(PIC)和應(yīng)用中的低效及用于ASIC的成本增加，以及由于應(yīng)用決定的運(yùn)行性能不同于光學(xué)器件/PIC及在處理器和接合的電子電路中的控制功能而改變硬件和軟件設(shè)計(jì)。
[0014]相應(yīng)地，需要改進(jìn)的方法和設(shè)備來(lái)克服在光學(xué)裝置和組件領(lǐng)域中的上述限制，包括光纖收發(fā)器、光學(xué)可插拔件、板載收發(fā)器和在電子系統(tǒng)與光纖通信系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的其他光學(xué)通信設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]根據(jù)本發(fā)明，提供了在光學(xué)裝置和光子集成電路如收發(fā)器模塊中處理、監(jiān)測(cè)和管理通信量及操作功能的系統(tǒng)、方法和設(shè)備。本發(fā)明包括多種功能，包括數(shù)據(jù)調(diào)制、波長(zhǎng)設(shè)置、波長(zhǎng)鎖定、參數(shù)登記和報(bào)告、光學(xué)數(shù)據(jù)檢測(cè)、以及光學(xué)裝置如收發(fā)器模塊或相應(yīng)的主控