专利名称：突发发送单纤双向一体化光模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双向光模块电路，更确切地说是涉及一种突发发射、连续接收的一体化单纤双向一体化光模块。是一种用于无源光网络(PON-PassiveOptical Netware)系统和异步传输模式(ATM)无源光网络系统(ATM PON)中远端光网络单元(ONU-Optical Netware Unit)中的突发发送单纤双向一体化光模块。
在光信号传输网络中，数据在光纤中传输通常采用两种方式连续模式传输方式和突发模式传输方式。
连续模式又称常规模式，在连续模式下传输的光信号由一个激励源产生，每个信号帧之间是连贯的，该常规模式光信号波形通常如
图1中所示，在无源光网络系统中，一般将连续模式的光传输用于时分复用(TDM-Time Division Multiple)方式下的下行信号传输，光线路终端即局端(OLT-Optic Line Terminal)通过广播方式向远端的各光网络单元(ONU)发送数据信号，由远端的各光网络单元(ONU)从连续数据中选择出与已相关的一个或几个帧数据。
在突发模式下传输的光信号，可由一个或几个激励源产生，该突发模式光信号波形可参见图2，每个光网络单元(ONU)只有在分配给自己的时隙(如图中所示的一个信号帧)内发送数据帧，其它时间则处于发射等待状态(如图中所示的帧间隙)，在无源光网络系统中，一般将突发模式的光传输用于时分多址(TDMA-TimeDivision Multiple Address)方式下的上行信号传输，每个光网络单元(ONU)在某一个或几个相关时隙内突发发送自己的数据帧，各个光网络单元(ONU)的数据帧在光纤中组合起来向光线路终端即局端(OLT)传送。
上述说明可归纳为在无源光网络系统中，各个光网络单元(ONU)采用时分多址方式进行下行信号的常规接收和进行上行信号的突发模式光传输，即在规定的时刻向光线路终端即局端(OLT)发射，各光网络单元(ONU)的数据帧在光纤中组合。该工作方式中主要存在三个问题第一，由于上行数据中，于同一光纤上传输的各数据帧是来自不同的光网络单元(ONU)，为了避免相临的光网络单元(ONU)发生数据帧碰撞重叠，必须在光网络单元(ONU)的数据帧之间设保护过渡时间Tg(Guard Time)，如图2中所示，同时为了提高系统的传输效率，降低额外的资源消耗，降低成本，该保护过渡时间Tg还应尽可能的短，而要使保护过渡时间Tg缩小又必须使工作于突发模式的光发射模块的光开启、光关断的速度提高；第二，在某光网络单元(ONU)正在发射而其它光网络单元(ONU)的数据信号处于关断期间，处于等待发射的光网络单元(ONU)的关断余光会叠加在正在发射的光网络单元(ONU)的数据信号上，造成信噪比降低，产生误码，因此在光网络单元(ONU)的关断期间，所发余光应尽可能的低；第三，由于无源光网络系统所应用的地域不同，各光网络单元(ONU)到达光线路终端即局端(OLT)的路径与损耗也不同，因此，在同一系统中，要求光线路终端即局端(OLT)能适应不同距离处各光网络单元(ONU)发光的功率(目前，在下行信号传输的光接收恢复方面已经有了比较成熟的技术)。
综上所述，光网络单元(ONU)在整个光网络传输系统工作时需要同时完成突发光发送与常规的连续光接收两项任务。
现有光网络传输系统的光网络单元(ONU)，大致采用以下几种方式完成光发送与光接收功能分别采用常规(连续)发送光模块和常规(连续)接收光模块；采用常规(连续)发送与常规(连续)接收一体化的光模块；分别采用突发发送光模块和常规(连续)接收光模块。
上述技术方案存在的缺点是1．常规(连续)发送模式的光发射模块(激光器)，通常不能完成快速开启与关断信号的功能，从关断控制信号允许光模块发光开始，到模块发光且发出的数据有效为止，中间的时延一般在百纳秒量级以上，只能使用在中低速系统中，无法在传输大于50Mb/s的系统中应用，若同时在帧结构中采取加长保护时间Tg的技术措施，又增加了线路资源消耗，降低传送效率和增加系统成本；2．常规(连续)发送模式的光发射模块(激光器)，一般都设有适用于常规方式信号发射的自动功率控制电路，所采用的自动功率控制技术会使激光器在信号关断期间也能发送较强的余光，这些余光被叠加在其它光网络单元(ONU)的数据帧上，使有效光恶化，增加噪声，导致传输距离及系统容量减小；3．现有技术中，为增加常规(连续)发送模式的光发射模块(激光器)的传送距离，只能增加激光器的发射功率(使用激光器允许的最大发射功率)，但当该光发射模块(激光器)在近距离使用时，又必须在光路中加光衰减器，以便将光功率衰减到光接收模块(光探测器)能承受的范围内，增加部件即降低了系统的可靠性和增加了成本；4．使用分体的光发射模块、光接收模块，系统就需为每个光模块设立电路与光路，使系统的复杂程度及生产维护成本增加，可靠性却降低。
据申请人所知，目前，符合ITU-TG.983建议的ONU侧或OLT侧的光模块还均未实现商用。
本发明的目的是设计一种突发发送单纤双向一体化光模块，是一种用于远端(ONU)的可同时实现突发发射与常规接收的一体化光模块电路，且可综合解决前述四方面的技术问题能够快速开启与关断、关断余光极小、光发射功率可控和设立一套电路与光路。
本发明的目的是这样实现的一种突发发送单纤双向一体化光模块，包括一至少含有激光器和光探测器的光器件单元，将输入的电数据信号转化为光数据信号并控制光器件单元中激光器的光驱动电路单元，和将由光纤输入并由光器件单元中光探测器感测的光数据信号恢复成电数据信号的光接收电路单元，其特征在于所述的光驱动电路单元包括光功率控制电路、逻辑控制电路、偏置驱动电路和光调制驱动电路；所述的光功率控制电路设有光功率控制信号输入端，所述的逻辑控制电路分别设有数据输入端和关断控制输入端，所述的偏置驱动电路设有关断控制输入端，逻辑控制电路的关断控制输入端与所述的偏置驱动电路的关断控制输入端连接，光功率控制电路及逻辑控制电路输出分别连接所述的光调制驱动电路，所述的光调制驱动电路及偏置驱动电路的输出共同连接所述光器件单元中的激光器，分别为激光器提供调制电流与偏置电流；所述的光器件单元、光驱动电路单元、光接收电路单元一体化设置在同一模块中。
所述的光器件单元中还包括有背光管，所述的光驱动电路单元中还包括有背光控制电路，所述的背光管连接所述的背光控制电路，背光控制电路的输出连接所述的偏置驱动电路。
所述的背光控制电路由反向跨阻放大电路、峰值检波电路和放大器顺序连接构成，所述的背光管连接反向跨阻放大电路的输入端，放大器输出与所述的偏置驱动电路连接。
所述的光功率控制电路由M个基准电压源、M选一模拟开关和隔离缓冲电路顺序连接构成；所述的光功率控制信号输入端是M选一模拟开关的控制端，隔离缓冲电路的输出端连接所述的光调制驱动电路。
所述的逻辑控制电路是完成数据信号开启、关断功能的PECL数字逻辑电路，包括对差分数据信号DATA、/DATA作与逻辑操作的双输入差分与门逻辑电路，对差分关断控制信号OFF、/OFF作与逻辑操作的双输入差分与门逻辑电路，和对两与门逻辑电路输出作操作后输出被关断控制信号调制的PECL电平数据信号的逻辑电路，该逻辑电路具有差分输出信号正相端与反相端DAT、/DAT，并连接至所述的光调制驱动电路。
所述的光调制驱动电路由电阻R1、电阻R2、三极管Q1、三极管Q2和第一压控电流源连接组成；三极管Q1与三极管Q2的基极分别连接所述的逻辑控制电路正相、反相输出端，三极管Q1与三极管Q2的集电极分别连接电阻R1与电阻R2，电阻R1连接电源Vcc，电阻R2连接所述光器件单元中的激光器，三极管Q1与三极管Q2的发射极与第一压控电流源连接，第一压控电流源的控制端连接所述光功率控制电路的输出端。
所述的偏置驱动电路由电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C1、三极管Q4、三极管Q5和第二压控电流源连接组成；三极管Q4与三极管Q5的基极分别连接逻辑控制电路正相、反相关断控制输入端，接收差分关断信号OFF、/OFF，三极管Q4的集电极通过电阻R8连接电源Vcc，三极管Q5的集电极通过电阻R9及电容C1连接电源Vcc，三极管Q5的集电极还通过电阻R10连接所述光器件单元中的激光器，三极管Q4与三极管Q5的发射极与第二压控电流源连接，第二压控电流源的控制端连接背光控制电路的输出端。
所述的光接收单元由前置放大电路和后方整形电路连接构成；所述的前置放大电路由跨阻放大电路连接阻容滤波网络构成，跨阻放大电路的输入端与所述光器件单元中的光探测器连接；所述的后方整形电路由限幅放大电路和PECL缓冲电路连接构成，PECL缓冲电路输出PECL电平数据信号。
本发明的突发发送单纤双向一体化光模块，是一种能同时按突发模式发射、常规(连续)模式接收的光模块，整个光模块将突发模式的光发射与常规模式的光接收有机地结合成一体，而组成一个突发发送单纤双向一体化光模块，有利于简化系统的电路设计与光路设计；由于模块使用了经改进设计的开启、关断控制电路，使调制电流和偏置电流能同时控制开启或关断，且开启或关断的时间均小于lns，关断后激光器的发光功率小于-70dBm，从而使一个光网络单元(ONU)在信号关断期间，由其光发射单元电路所产生的余光对其它光网络单元(ONU)的数据帧几乎没有影响，其快速的开启与关断时间可使光网络单元(ONU)的数据帧所占用的额外资源消耗减小到最低程度，使本发明的光模块可以应用于高速的无源光网络系统(PON)中，增加传输效率和降低系统成本；还由于在模块中使用了功率控制电路，可动态地控制光发射功率，实施例表明，其控制范围可以达到四档，每档-2dBm，使本发明的光模块可以在不同的传输距离内都能与光线路终端(OLT)的光接收单元电路间实现最佳配合。光传输系统若使用本发明的这种光模块，采用一套光路与电路，可简化系统设计、降低系统成本，提高系统的工作稳定性及可靠性。
下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术。
图1是常规模式光信号波形示意2是突发模式光信号波形示意3是本发明突发发送单纤双向一体化光模块原理性结构框4是图3中光功率控制电路321的电路原理5是图3中逻辑控制电路322的电路原理6是图3中背光控制电路323的电路原理7是图3中光光调制驱动电路324的电路原理8是图3中偏置驱动电路325的电路原理9是图3中前置放大电路331的电路原理10是图3中后方整形电路332的电路原理1、图2说明前已述及，不再赘述。
参见图3，本发明的突发发送单纤双向一体化光模块由光器件单元31、光驱动电路单元32和光接收电路单元33组成。光器件单元31至少包括一激光器311、一光探测器312、一背光管313和一波分复用电路(WDM，图中未示出)。光器件单元31与单光纤34连接。激光器311将来自光调制驱动电路324的驱动电流转化为波长为1310nm的光信号，从光纤34输出；背光管313检测激光器311的光信号强度，并输出与光功率值相对应的电流值，背光管313及背光控制电路323用于背光检测，通常背光检测不关断；光探测器312检测来自光纤34的波长为1550nm的光信号，并输出与此光信号对应的光电流数据信号。波分复用电路(WDM)用于分离光纤34中1310nm的光信号与1550nm的光信号。
光驱动电路单元32用于将输入的光功率控制信号转化为光数据信号并控制光器件单元31中的激光器311进行光发射。光驱动电路单元32由光功率控制电路321、逻辑控制电路322、背光控制电路323、光调制驱动电路324和偏置驱动电路325连接组成。偏置驱动电路325与光调制驱动电路324共同为激光器311提供驱动电流，偏置驱动电路325的输出端与光器件单元31中的激光器311相连接，为激光器311提供偏置电流，使激光器311工作在其自身的预置电流以上，以稳定激光器的工作状态，光调制驱动电路324的输出端也与光器件单元31中的激光器311相连接，为激光器311提供调制电流，使激光器311能根据输入逻辑控制电路322的数据信号而发光。逻辑控制电路322对数据输入信号与关断控制信号进行逻辑控制，而逻辑控制电路322及偏置驱动电路325的关断控制输入端相连接，在外界关断控制信号的作用下，同时并迅速开启或关断偏置电流及调制电流，从而迅速开启或关断光数据信号。光功率控制电路321受外界光功率控制信号(来自计算机)的控制，而使光功率控制电路321的输出范围可调，以动态控制激光器311的发射功率，使光模块能与不同距离处光线路终端(OLT)光接收部分相配合。
光接收电路单元33包括顺序连接的前置放大电路331和后放整形电路332，前置放大电路331的输入端与光器件单元31中的光探测器312连接，后放整形电路332输出恢复的电数据信号。
所述的光器件单元、光驱动电路单元、光接收电路单元一体化地设置在同一光模块中，从而简化了系统的电路与光路设计。
参见图4并结合参见图3，图中示出图3中光功率控制电路321的一种实施电路。由4(M=4)个基准电压源VN1-VN4、四选一模拟开关41和隔离缓冲电路42(运算放大器U101A)顺序连接构成。四个基准电压源VN1-VN4与四选一模拟开关41连接，由外部输入两位光功率控制信号控制四选一模拟开关41，用于选择四个基准电压中的一个，被选择的基准电压送到隔离缓冲电路42进行隔离驱动，隔离缓冲电路42的输出CIM送光调制驱动电路324的压控电流源，控制调制驱动电流。
参见图5并结合参见图3，图中示出图3中逻辑控制电路322的一种实施电路，使用一组PECL数字逻辑完成数据信号的开启、关断功能。由PECL的双输入差分与门逻辑将外部电路送入的差分数据信号DATA、/DATA和差分关断控制信号OFF、/OFF进行与操作，输出PECL电平是被关断控制信号OFF、/OFF调制后的数据信号DAT、/DAT，该信号送光调制驱动电路324，控制光器件单元31中的激光器311发射光信号。逻辑控制电路322利用PECL数字逻辑的高速特性，使电路的开启、关断时间小于lns。
参见图6并结合参见图3，图中示出图3中背光控制电路323的一种实施电路，背光控制电路323的作用是稳定光器件单元31中激光器311的工作特性，即完成激光器的自动偏置控制。背光控制电路323由反向跨阻放大电路(-N)51、由三极管Q30、电阻R30及电容C30连接构成的峰值检波电路52和二级放大器(+M)53顺序连接构成。反向跨阻放大电路51接收背光管PIN(图3中的313)输出的背光电流，将电流信号转化为电压信号输出，再通过峰值检波电路52检出波形峰值送到二级放大器53放大，二级放大器53输出的电压信号CIB连接到偏置驱动电路325中的压控电流源控制激光器偏置电流的大小。
参见图7并结合参见图3，图中示出图3中光调制驱动电路324的一种实施电路，由于电路采用了控制激光器驱动电流的方式控制光调制电流，因此即使激光器正在发光，光调制驱动电路324也能动态控制激光器的光发射功率。光调制驱动电路324由第一电阻R1、第二电阻R2、第一三极管Q1、第二三极管Q2和第一压控电流源71连接组成。第一三极管Q1与第二三极管Q2的基极分别连接逻辑控制电路322正相、反相输出端，接收差分数据信号DAT、/DAT，第一三极管Q1与第二三极管Q2的集电极分别连接第一电阻R1与第二电阻R2，第一电阻R1连接电源Vcc，第二电阻R2连接光器件单元31中的激光器311(LD)。第一三极管Q1与第二三极管Q2的发射极与第一压控电流源71连接，第一压控电流源71的控制端接收光功率控制电路321的输出信号CIM，使第一压控电流源71受控于光功率控制电路321，完成控制激光器311(LD)发出光数据的功能。
电路中，第一三极管Q1与第二三极管Q2是一对参数一致的高速三极管，具有良好的对称性，控制一组来自逻辑控制电路322的振幅相同、相位相反的差分信号DAT、/DAT，具有极快的开关速度。
参见图8并结合参见图3，图中示出图3中偏置驱动电路325的一种实施电路。由第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第一电容C1、第四三极管Q4、第五三极管Q5和第二压控电流源81连接组成；第四三极管Q4与第五三极管Q5的基极分别连接逻辑控制电路正相、反相关断控制输入端，接收差分关断控制信号OFF、/OFF，第四三极管Q4的集电极与第五三极管Q5的集电极分别连接第八电阻R8、第九电阻R9及第一电容C1后连接电源Vcc，第五三极管Q5的集电极还通过第十电阻R10连接光器件单元中的激光器311(LD)，第四三极管Q4与第五三极管Q5的发射极与第二压控电流源81连接，第二压控电流源81的控制端接收背光控制电路323的输出信号CIB，使第二压控电流源81受控于背光控制电路323，完成控制激光器311(LD)偏置电流输入的功能。
与光调制驱动电路324相同，作为开关控制的第四三极管Q4与第五三极管Q5是一对参数一致的高速三极管，具有良好的对称性，控制一组振幅相同、相位相反的差分关断控制信号OFF、/OFF，具有极快的开关速度。差分关断控制信号OFF、/OFF与差分数据信号DAT、/DAT来源于同一信号源，在数据信号关断的同时，偏置电流也能同时被关断，因此在无数据期间，光器件单元31中激光器311中几乎无电流通过，所发的余光也极小。
参见图9并结合参见图3，图中示出图3中光接收单元33中前置放大电路331的实施电路，由跨阻放大电路91连接阻容滤波网络92构成，阻容滤波网络92由电阻R21、R22和电容C21、C22连接构成。跨阻放大电路91的输入端与光器件单元31中的光探测器312连接，光探测器312输出信号经放大后送阻容滤波网络92进行滤波，输出差分信号PIN、/PIN。
参见图10并结合参见图3，图中示出图3中光接收单元33中后方整形电路332的实施电路，用于将前置放大滤波后的差分信号PIN、/PIN转换成PECL信号输出。由限幅放大电路101和PECL缓冲电路102连接构成，输出PECL电平信号RD、/RD。目前，可完成常规模式信号后放整形功能的集成电路已有许多，图10电路可由一片集成芯片实现。
综上所述，本发明将突发模式的光驱动发射单元与连续模式的光接收单元有机地结合成一体，不仅减小了模块的体积，且在系统应用中，还可简化系统的电路设计与光路设计，同时由于使用了改进的光发射电路控制技术，可将发射电路的开启、关断时间减小到lns，关断期间发光功率小于-70dBm，所使用的动态控制技术，可使激光发射功率动态可调，以适用于不同距离的光网络单元(ONU)使用。本发明光模块的电路设计完全符合ITU-TG.983建议中ClassB的要求，产品可达到商用要求。
权利要求
1．一种突发发送单纤双向一体化光模块，包括一至少含有激光器和光探测器的光器件单元，将输入的电数据信号转化为光数据信号并控制光器件单元中激光器的光驱动电路单元，和将由光纤输入并由光器件单元中光探测器感测的光数据信号恢复成电数据信号的光接收电路单元，其特征在于所述的光驱动电路单元包括光功率控制电路、逻辑控制电路、偏置驱动电路和光调制驱动电路；所述的光功率控制电路设有光功率控制信号输入端，所述的逻辑控制电路分别设有数据输入端和关断控制输入端，所述的偏置驱动电路设有关断控制输入端，逻辑控制电路的关断控制输入端与所述的偏置驱动电路的关断控制输入端连接，光功率控制电路及逻辑控制电路输出分别连接所述的光调制驱动电路，所述的光调制驱动电路及偏置驱动电路的输出共同连接所述光器件单元中的激光器，分别为激光器提供调制电流与偏置电流；所述的光器件单元、光驱动电路单元、光接收电路单元一体化设置在同一模块中。
2．根据权利要求1所述的突发发送单纤双向一体化光模块，其特征在于所述的光器件单元中还包括有背光管，所述的光驱动电路单元中还包括有背光控制电路，所述的背光管连接所述的背光控制电路，背光控制电路的输出连接所述的偏置驱动电路。
3．根据权利要求2所述的突发发送单纤双向一体化光模块，其特征在于所述的背光控制电路由反向跨阻放大电路、峰值检波电路和放大器顺序连接构成，所述的背光管连接反向跨阻放大电路的输入端，放大器输出与所述的偏置驱动电路连接。
4．根据权利要求1或2所述的突发发送单纤双向一体化光模块，其特征在于所述的光功率控制电路由M个基准电压源、M选一模拟开关和隔离缓冲电路顺序连接构成；所述的光功率控制信号输入端是M选一模拟开关的控制端，隔离缓冲电路的输出端连接所述的光调制驱动电路。
5．根据权利要求1或2所述的突发发送单纤双向一体化光模块，其特征在于所述的逻辑控制电路是完成数据信号开启、关断功能的PECL数字逻辑电路，包括对差分数据信号DATA、/DATA作与逻辑操作的双输入差分与门逻辑电路，对差分关断控制信号OFF、/OFF作与逻辑操作的双输入差分与门逻辑电路，和对两与门逻辑电路输出作操作后输出被关断控制信号调制的PECL电平数据信号的逻辑电路，该逻辑电路具有差分输出信号正相端与反相端DAT、/DAT，并连接至所述的光调制驱动电路。
6．根据权利要求1或2所述的突发发送单纤双向一体化光模块，其特征在于所述的光调制驱动电路由电阻R1、电阻R2、三极管Q1、三极管Q2和第一压控电流源连接组成；三极管Q1与三极管Q2的基极分别连接所述的逻辑控制电路正相、反相输出端，三极管Q1与三极管Q2的集电极分别连接电阻R1与电阻R2，电阻R1连接电源Vcc，电阻R2连接所述光器件单元中的激光器，三极管Q1与三极管Q2的发射极与第一压控电流源连接，第一压控电流源的控制端连接所述光功率控制电路的输出端。
7．根据权利要求6所述的突发发送单纤双向一体化光模块，其特征在于所述的三极管Q1与三极管Q2是一对参数一致的高速三极管。
8．根据权利要求1或2所述的突发发送单纤双向一体化光模块，其特征在于所述的偏置驱动电路由电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C1、三极管Q4、三极管Q5和第二压控电流源连接组成；三极管Q4与三极管Q5的基极分别连接逻辑控制电路正相、反相关断控制输入端，接收差分关断信号OFF、/OFF，三极管Q4的集电极通过电阻R8连接电源Vcc，三极管Q5的集电极通过电阻R9及电容C1连接电源Vcc，三极管Q5的集电极还通过电阻R10连接所述光器件单元中的激光器，三极管Q4与三极管Q5的发射极与第二压控电流源连接，第二压控电流源的控制端连接背光控制电路的输出端。
9．根据权利要求8所述的突发发送单纤双向一体化光模块，其特征在于所述的三极管Q5与三极管Q6是一对参数一致的高速三极管。
10．根据权利要求1或2所述的突发发送单纤双向一体化光模块，其特征在于所述的光接收单元由前置放大电路和后方整形电路连接构成；所述的前置放大电路由跨阻放大电路连接阻容滤波网络构成，跨阻放大电路的输入端与所述光器件单元中的光探测器连接；所述的后方整形电路由限幅放大电路和PECL缓冲电路连接构成，PECL缓冲电路输出PECL电平数据信号。
全文摘要
本发明涉及一种突发发送单纤双向一体化光模块,用作远端光网络单元的光突发发射和连续接收,包括一体化设置在同一模块中的光器件单元,光驱动电路单元和光接收电路单元。光驱动电路单元包括光功率控制电路、逻辑控制电路、偏置驱动电路、背光控制电路和光调制驱动电路;光接收电路单元包括前置放大电路和后方整形电路。激光器的光驱动电流由调制电流与偏置电流组成,并同时受控于关断控制信号实现快速开启或关断,输出光功率可调。
文档编号H04B10/02GK1307410SQ00100679
公开日2001年8月8日 申请日期2000年1月27日 优先权日2000年1月27日
发明者胡端钢, 王斌, 赖镔 申请人:华为技术有限公司