专利名称：光网络监测器pcb的制作方法
光网络监测器PCB概述公开了一种可升级(scalable)光学印刷电路板，该光学印刷电路 板使得能够在无源光网络(PON)中进行光监测，且保持其无源光学 特性。光学pcb的概念合并了平面波导分光器、探测器、CMOS晶体 管芯片、可充电电池以及垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列。可 以区分开用于其中分束器已经配置(d印loy)在分束器节点中的分束 PON (split PON)的解决方案以及用于还需要进行配置的新"绿场 (green field) ，， PON的解决方案。对于前者来i兌，独立的VCSEL发 射器装置可以在分束器输出端口和分配线缆(distribution cable )的光 纤之间接合。对于后者而言，集成模块可以接合到来自中心局(CO) 的馈送线缆和伸向光网络单元(ONU)的分配线缆。借助于可由每个 VCSEL单独识别并且在中心局多路复用到下游通信(downstream traffic)的触发信号，由VCSEL在分束器节点产生测试脉冲。这个信 号的背反射可以由光延时反射仪(OTDR)在中心局测量。借助于光纤 光开关，不同PON的测量可以共享该OTDR装置。通过对OTDR数 据的适当的软件分析和再加工，操作员可以制作他们的PON随时间的 才员耗进展(loss evolution )图。
背景技术：
在无源光网络(PON)中，为了将来自中心局的OLT (光学线路 发射器？)的信号分配给用户住处的多个ONU，将光纤设置为中心分 束或双支路排列。为了在用户缺少服务时识别网络中需要恢复的故障， 使用光时域反射仪(OTDR)。对于分布式分束PON，这个方法是不 合适的，因为从中心局进行的OTDR测量不能够区分来自分束器支路 的背反射信号的叠加。因此，不可能找到分束支路(split branch)之 后的故障。结果，现场技术人员(必须到装备有OTDR的现场的技术 人员)有必要在分束支路之后进行测量以识别可能的故障。这个方法的负面缺点在于(1)该方法非常昂贵，不能用于经常提 前主动地测量网络；并且(2)对于现场技术人员测量来说，为了能够将OTDR装置连接到电缆基础设施，在外部设施(plant)中需要连接 器。在现场技术人员没有考虑到清洁预防措施的情况下，可能会随时 间导致连接器故障。此外，由于网络元件中的多次重入，会大大减小 必须执行监测处的网络元件的寿命。例如在W. R. Holland ( Lucent) 的US专利6396575、 M. Shigeghara和H. Kanomori ( Sumitomo)的 US专利6771358以及L. G. Cohen ( Lucent)的US再颁发专利36471 中描述了已知系统。发明详述提出了一种用于PON监测的可升级解决方案。对于已经配置的 PON，可以通过将双端口装置(见
图1)或多端口装置(见图2)接合 到分束器支路和分配线缆的光纤的端口来实施监测方案(情况A)。对于仍需要配置的绿场PON，解决方案包括光PCB,其中平面分 束器安装在该板上。该板上的光学器件之间的连接是经由光纤和光纤 耦合装置来完成的。这些光纤耦合装置可以包括对准槽和折射微透镜。 集成模块具有可以接合或连接(connectorise )到馈送光纤(feeder fiber ) 的输入端口和可以接合到到达ONU的分配线缆的光纤的多输出端口 (情况B)。情况A所需概念的示意性布局图在图1中示出。端口 (1)是接合 或连接到平面分束器的输出端口的装置的输入端口。这可以是250微 米涂层纤维、900微米涂层纤维、3毫米线缆、或具有不同连接器的连 接的尾纤(pigtail)。这些同样适用于输出端口 (2)。插/分耦合器装 置(3 )对来自输入端口的用于激励VCSEL的触发(泵浦)信号进行 多路分用(demultiplex)。对于这种光学器件，可以使用滤波WDM(波 长多路分用器(wavelength demultiplexer ) )或者可以使用如专利案 US6243513B1中描述的衍射(二元衍射或菲涅耳衍射)透镜系统，解 耦来自输入光纤的泵浦。如果必要的话，这些微光学部件可以经由倒 装芯片接合技术安装在PCB或芯片上。来自泵浦信号的光照射到探测 器上。根据所使用的泵浦信号的波长，这可以是硅基探测器或砷化镓 探测器。CMOS晶体管芯片(5)收集光信号并且每当VCSEL需要被 来自中心局的触发信号激活时将功率推入可充电的电荷收集器(7)中。 当接收到合适的数字序列时，(经由CMOS电路可以嵌入系统的信息)专用VCSEL开始发射短的强脉冲。VCSEL输出由微透镜或其他耦合 光学器件收集到插/分耦合器装置的插端口。结果，VSCEL信号耦合在 发射器装置的输出光纤中。这产生了开始于所选支路中并且只向一个 专用ONU传播的OTDR脉冲。CO处的(OTDR系统的)光学传感器 因此将只接收所选支路的OTDR轨迹(trace)。显然，对于这种情况，触发VCSEL的泵浦信号被耦合器衰减。当 开通率(take rate)较低而且并不是所有的分束器端口都已经连接到 ONU时，可以采用这种解决方案。可以认为这是一种按需扩展 (grow-as-you-go )的方法，当然要比其他选择更昂贵。然而，当分束器没有输出端口可用(在"停车场(parklot)"中) 时，滤波WDM可以多路分用来自分束器端口的泵浦信号(见图2a)。 图1所示的装置的配置也有所不同。其基本上具有N + 1个输入端口和 N个输出端口 。该N + 1个输入端口需要接合到分束器的N个输出支路 并且该额外的输入端口需要接合到解耦来自下游通信的泵浦光的 WDM装置的泵浦多路分用器(pump demultiplexer )支路。图2a示出了当额外的WDM装置接合到馈送光纤和分束器输出端 口时的配置。WDM的多路分用器端口接合到VCSEL阵列装置。平面 分束器的输出端口也接合到VCSEL阵列部件。图2b示出了图2a中所示的装置的内部配置。具有多个耦合器的 光学波导板耦合来自发射器阵列(优选为VCSEL阵列)的光。然而，对于绿场情况来说，解决方案如图3a和3b中所示。对这 种情况，有更多可能的选择。图3a示出了一种板上集成分束器解决方 案。图3b示出了一种板上集成分束器解决方案，其中VCSEL输出的 多路复用由平面波导完成。当在板上集成平面分束器时，可以选择平面波导装置，其中信号 的分束和VCSEL阵列输出的多路复用在同一波导中进行(见图3b)。 在这种情况下，分束器具有N + 1个输入端口以及N个输出端口。对于 N+l个输入， 一个端口用于将功率分配到N个输出信道。这个输入接 合到CO的馈送线缆。另外N个输入被多路复用到输出端口并且将携 带来自发射器阵列的OTDR脉沖。N个输出端口需要接合到分配线缆。电路板设计的描述电子界面包括四个主要部分。首先有探测器(或光电池)，其可以包括一系列或多个系列连接的光电二极管。材料系统(InP、 GaAs 或Si)依赖于从CO发出的触发信号的工作波长。光电二极管组的功 能是双重的。首先，经由泵浦波长提供功率以启动电路或者充分地对 电池充电。然后，在第二阶段，调制泵浦的功率以提供一识别标签， 该识别标签将选择需要启动哪个发射器为OTDR轨迹产生脉冲。其他 元件包括ASIC CMOS芯片、可充电电池以及光发射器组(优选由 VCSEL阵列组成)。控制电子装置的CMOS芯片的功能块在图4b中示出。其包括将 来自二极管的能量转化为合适的电压以再充电模块的电池的DC/DC稳 压器。这可以通过切换(脉宽调制)存储在电感器内部的能量来完成。 芯片的下一个元件是光接收器。这不是常规的互阻抗接收器，因为它 应该消耗最小的功率并且需要邻接稳压器工作。可能的方案是使用电 压稳压器自身的状态来感测(sense to)泵浦信号的调制。实际上，当 少量光射到光电二极管时，相比于充足的光照到探测器时，稳压器的 切换要慢得多。很清楚以这种方式数据传输速率只能较低(小于PMW 速率)但是高传输速率并不是本申请所必需的。另一种可能性是使用 额外的专用光电二极管，仅对其感测用于接收数据信号。来自光接收器的信号然后被传输到本地移位寄存器。根据异步串 行UART状况(regime)(见图4)来推断定时。这需要另外的本地振 荡器(包括在电子板(electronic board)上的晶体)。另一种定时的可 能性是通过接收在每次触发开始时发送的交替的1和0来同步本地时 钟。当移位寄存器装满时，将其内容与预定的位组合格式(bit pattern ) 进行比较。这个位组合格式用于验证通信是否真的针对模块的。在接 收固定位组合格式(pattern)后，有限状态机(FSM)改变状态并且移位 寄存器就开始接收唯一标识光发射器之一的新组合格式。FSM控制器 然后检查所指示的发射器号码是否为该模块负责的发射器之一。如果 是，它将对驱动器加电，并且在要求的信道上产生OTDR脉冲。模块 知道它应该响应于哪个信道，因为在制造时对它进行了预编程。可以 经由DIP开关或经由可编程EEPROM来提供该数据。n控制器比较输 入的二进制数据与存储在ji控制器中的内部存储器阵列，以便ji控制 器激活VCSEL阵列中的正确VCSEL。在图4B中示出了以下的原理。为了给三个构件(探测器、n控制 器和VCSEL阵列)供电，可以使用锂离子电池或可再充电电池。可以 使用的电池是这样的单锂离子电池，其产生正好足以驱动板上所用的 所述三个构件的电能。电池的再充电可以基于两个原则进行第一个 原则是基于如下事实n控制器可以用作锂离子电池充电器。对于这个 方法，使用独立的充电集成电路(IC)的原理，并且这构建于在fi控 制器内是活动的内部充电程序中，而且我们^f吏用Mosfet部件和读出线 来读出电池上的电压。这已经用点滴式充电系统对电池进行正确充电 实现。第二个选择是我们使用外部IC、锂离子电池充电器。这个IC 使用外部功率PMOS器件以形成两芯片、低成本、低压差(dropout) 线性电池充电器。充电电流可以由外部电阻器设定。这两个原则进一步在图4c中示出。当n控制器的UART上没有信 号时完成锂离子电池的再充电，或者我们可以在UART上接收特定代 码，该代码触发n控制器对锂离子电池进行再充电。图5a示出了在平面分束器在分束器节点已经活动(active)的情 况A中如何实现监测。图5b示出了如何在情况B中实现监测，在情况 B中还没有配置平面分束器并且板上平面分束器解决方案可以集成在 外部厂用网(plant network)元件中。借助于可以触发在单独的设备 中或在板上集成方案中的一个特定VCSEL发射器的泵浦信号，VCSEL 发出脉冲。这个信号被背反射并且可以在中心局被多路分用并由 OTDR测量。由于可以触发向N个ONU中的一个发送信号的一个特定 VCSEL,克服了对于从中心局进行的常规OTDR测量来说OTDR信号 在分束器支路之后叠加的问题。在图5 (a)中，示出了在中心局(1)处语音和数据通信与视频通 信多路复用并且与通向分束器节点的馈送线缆连接，在分束器节点， 分束是一次完成(集中的)或者可以在两个支路(未示出)上完成。 OTDR装置(2)放置在中心局并且连接到来自放置在现场的VCSEL 的多路分用的测试信号。对于如上所述的情况A,可以远程触发的发 射器装置(5)被接合到网络中。两个选择是可行的，或者N个独立的 装置可以接合到分束器输出端口和分配线缆的光纤(按需发展的选 择)。或者正好在分束器多路分用泵浦触发信号之前接合WDM装置 (2)。分束器的输出端口和WDM的多路分用器端口可以接合到容纳电子部件和VCSEL阵列(5 )的光学PCB板装置的N + 1个输入端口 。 在触发VCSEL时，可由中心局的OTDR测量背反射。背反射信号可 以提供从分束器节点到抽头终端(tap terminal)的传送的损耗和故障 信息以及到用户住处(7)的最后下降(lastdrop)。在图5b中，示出 了绿场情况，其允许外部设施中的连接器损耗解决方案。监测过程与 图5a中的相同。
权利要求
1、一种尾纤(fiber pigtailed)网络监测模块，并入了光学印刷电路板，在该板上在安装在该板上的电子部件和安装在该板上的有源和/或无源光学器件之间远程激励信号传输连接，以产生可远程读取的监测信号。
2、 根据权利要求l所述的模块，其中电子部件和光学部件之间的 连接是通过抛光的光纤连接器或通过折射和/或衍射微光学耦合元件来 建立的。
3、 根据权利要求1或2所述的模块，其中所述印刷电路板集成了 可以给该板上的CMOS电路供电的电池(优选为可再充电电池)，这 允许提供电流以触发板上的电光部件(优选为VCSEL或基于MEMS 的装置)，使得通过照射到所述板上的探测器上的光信号来远程触发 所述电光部件是可能的。
4、 根据权利要求3所述的模块，其中CMOS电路可以识别所述光 信号中的组合格式或代码，以便有选择地触发从多个电光部件中选择 的一个特定的所述电光部件。
5、 根据权利要求3或4所述的模块，其中所述电光部件发射信号， 该信号在所述模块的输出光纤中被多路复用，并且该信号可以被用于 监测目的或者用于触发离分束器支路更远放置的另一个电光器件，这 能够避免技术人员在现场介入。
全文摘要
尾纤(fiber pigtailed)网络监测模块结合了光学印刷电路板，在该光学印刷电路板上在安装在该板上的电子部件和安装在该板上的有源和/或无源光学器件之间远程激励信号传输连接以生成可远程读取的监测信号。
文档编号H04B10/071GK101223715SQ200680026043
公开日2008年7月16日 申请日期2006年6月28日 优先权日2005年7月16日
发明者B·富尔凯茨, C·德贝斯, G·布兰德斯, H·蒂恩蓬特, J·T·阿里亚斯, J·瓦特 申请人:泰科电子雷伊化学有限公司