专利名称：单通信链路上的光收发器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及光通信系统，具体地但并不专有地，本发明涉及电光收发器。
背景技术：
现代通信工具和应用要求越来越高的带宽以支持增长的数据吞吐量。支持数据吞吐量需求的一种常用解决方案是光通信网络。光通信网络能够在一根光纤上支持吉比特每秒量级的数据比特率。
但是，大多数现代通信工具和应用要求双向通信。从而，光通信网络必须能够支持双向通信。图1是图示了公知的双向光通信系统100的方框图。光通信系统100是一种双光纤解决方案。光通信系统100通过提供两条单向光纤105和110处理双向问题。光收发器115通过光纤105发送数据，给光收发器120接收。光收发器120通过光纤110发送数据，给光收发器115接收。从而，使用两条光纤建立了一个用于双向通信的闭合通信环路。但是，双光纤解决方案要求两个通信节点间铺设/途经两条物理光纤。另外，在光收发器115和120的每一个中，还需要有多余的光学和电子装置，用来耦合到两条独立的光纤中。从而，双光纤解决方案以在初期基本设施投资和维护两方面更高的成本实现了双向通信。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种方法，包括响应于电传送信号，产生光传送信号；耦合所述光传送信号到单通信链路中，以在其上传输；从所述单通信链路接收光接收信号，所述光接收信号和所述光传送信号有相同的通信波长；和响应于所接收的光接收信号，产生电接收信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种半双工收发器，包括光半导体器件，用来产生沿通信链路传输的具有第一波长的光传送信号，以及用来接收来自于所述通信链路的具有第二波长的光接收信号，并且，所述光半导体器件响应于电传送信号，产生所述光传送信号，以及响应于所述光接收信号，产生电接收信号；电耦合到所述光半导体器件的物理媒体驱动器，所述物理媒体驱动器用来在接收模式期间放大所述电接收信号，以及在传送模式期间利用所述电传送信号驱动所述光半导体器件；和电耦合到所述物理媒体驱动器的数据链接器件，用来在接收模式和传送模式之间切换所述物理媒体驱动器。
根据本发明的再一个方面，提供了一种装置，包括光半导体器件，所述光半导体器件包括电光转换元件，用来将光接收信号转换为电接收信号，以及将电传送信号转换为光传送信号；光耦合到所述电光转换元件的双向光端口，用来同时输出所述光传送信号以及输入所述光接收信号；电耦合到所述电光转换元件的电传送端口，用来接收所述电传送信号；和电耦合到所述电光转换元件的电接收端口，用来输出所述电接收信号和电传送信号的结合信号。
根据本发明的又一个方面，提供了一种通信系统，包括第一收发器，用来将光接收信号转换为电接收信号，以及将电传送信号转换为光传送信号，所述光接收信号和所述光传送信号具有相同的波长；光耦合到所述第一收发器的通信链路，用来传输所述光接收信号和所述光传送信号，所述第一收发器用来将所述光传送信号发射到所述通信链路中；和光耦合到所述通信链路的第二收发器，所述第二收发器用来产生所述光接收信号，以及将所述光接收信号发射到所述通信链路中，并且，所述第二收发器用来接收所述光传送信号，以及将所述光传送信号转换为第二电接收信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种装置，包括光半导体器件，所述光半导体器件包括积分波导，用来引导其中的光接收信号和光传送信号；形成在所述积分波导内部的二极管，用来响应于电传送信号，产生所述光传送信号，以及响应于所述光接收信号，产生电接收信号；光耦合到所述积分波导的双向光端口，用来同时输出所述光传送信号以及输入所述光接收信号；和电耦合到所述二极管的双向电端口，用来传导电传送信号和电接收信号。
参照下面的附图描述了本发明的非限制性和非穷尽性的实施例，其中，除非特别指出，在各种示图中，类似的标号指示类似的部分。
图1是图示了公知的双光纤光通信系统的方框图。
图2是图示了根据本发明的实施例，用以在单通信链路上实现双向通信的通信系统的方框图。
图3是图示了根据本发明的实施例，用以在单通信链路上实现双向通信的半双工收发器的方框图。
图4A是图示了根据本发明的实施例，半双工收发器执行的发射/耦合光传送信号到通信链路中的处理的流程图。
图4B是图示了根据本发明的实施例，半双工收发器执行的从通信链路中接收光接收信号的处理的流程图。
图5是图示了根据本发明的实施例，用以在单通信链路上实现双向通信的全双工收发器的方框图。
图6A是图示了根据本发明的实施例，全双工收发器执行的发射/耦合光传送信号到通信链路中的处理的流程图。
图6B是图示了根据本发明的实施例，全双工收发器执行的从通信链路中接收光接收信号的处理的流程图。
图7A是图示了根据本发明的实施例的电光转换元件的示图，所述元件接收光接收信号，并且作为响应而产生电接收信号，以及接收电传送信号，并且作为响应而产生光传送信号。
图7B是图示了根据本发明的实施例的电光转换元件的示图，所述元件接收光接收信号，并且作为响应而产生电接收信号，以及接收电传送信号，并且作为响应而产生光传送信号。
图8是图示了根据本发明的实施例，用以在单通信链路上实现双向通信的全双工收发器的方框图。
具体实施例方式
在这里描述了一条单通信链路(例如，光纤)上的光通信的系统和方法的实施例。在下面的描述中阐述了大量的具体细节，以便于充分理解本发明的实施例。但是，本领域的技术人员应该认识到，没有这些具体细节中的一条或更多条，或者以其他的方法、组件、材料，等等，也可以实施本发明。在其他的例子里，没有对公知的结构、材料、或操作进行详细的描述，以避免喧宾夺主。
整个本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用是指，描述为和所述实施例相关联的特定的特征、结构或属性被包括在本发明的至少一个实施例中。从而，出现在本说明书中各处的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指的是同一实施例。另外，所述特定的特征、结构或属性可能以任何合适的方式被结合在一个或更多的实施例中。
图2是图示了根据本发明的实施例，用以在单通信链路205上实现双向通信的通信系统200的方框图。通信系统200的图示实施例包括附接电路210、收发器215、通信链路205、远端收发器220和附接电路225。
通信系统200的元件连接如下。附接电路210被电耦合到收发器215，用以发送和接收往/来的数据。附接电路210可以包括网络、计算机、专用集成电路(ASIC)等等。收发器215被光耦合到通信链路205。来自于附接电路210被收发器215接收的数据，被调制到电传送信号上，然后转换为波长为通信波长λC1的光传送信号230，被发射/耦合到通信链路205中，传至远端收发器220，最终传至附接电路225。收发器215还被耦合到通信链路205，以接收发送自远端收发器220的波长为通信波长λC2的光接收信号235。光接收信号235被耦合进收发器215，并被转换成电接收信号。被调制到电接收信号上的数据被收发器215提取，然后提供给附接电路210。
为了叙述清楚和讨论简便，从收发器215的角度描述沿着收发器215和远端收发器220之间的通信链路205传播的数据。从而，光传送信号就是从收发器215传播到远端收发器220的信号(例如，光传送信号230)。光接收信号就是从远端收发器220传播到收发器215的信号(例如，光接收信号235)。然而，需要注意的是，远端收发器220可以和收发器215相同，从远端收发器220的角度，本讨论可同样适用。
在一个实施例中，通信链路205是单模光纤。然而，也可以使用其他波导器件，通信链路205甚至可以是自由空间光链路。从而，在一个实施例中，通信链路205是单光纤，该单光纤支持光传送信号和光接收信号在其中沿相反的方向传输。
收发器215(和远端收发器220)既可以是半双工的，也可以是全双工的。另外，由收发器215产生的光传送信号230的通信波长λC1和光接收信号235的通信波长λC2实质上可能不同。可替代地，本发明也包括通信波长λC1和通信波长λC2实质上相等的实施例。从而，光传送信号230和光接收信号235可以在同一通信链路205上沿相反的方向传播(可以是并发方式，也可以是交替方式)，并且可以使用同一载波波长而工作。
本发明的实施例适用于覆盖跨度为从100m到10km长度，并且支持带宽从10到40Gb/s的通信链路205。然而，本发明的实施例并不限于该范围或者带宽；而是也可在和更短或更长的跨度以及更窄或更宽的带宽相关的情况下实现。
图3图示了根据本发明的实施例，用以在通信链路205上实现双向通信的半双工收发器300。半双工收发器300图示了如图2所示收发器215的一个实施例。半双工收发器300的图示实施例包括光半导体器件(OSD)305、物理媒体驱动器(PMD)310、物理媒体访问(PMA)器件315以及媒体访问控制器(MAC)320。
半双工收发器300的元件互连如下。OSD 305用来接收光接收信号235，并且作为响应，产生电接收信号325。OSD 305还用来接收电传送信号330，并且作为响应，产生光传送信号230。OSD 305包括内建有二极管345的积分波导(integral waveguide)340。在一个实施例中，积分波导340是平面波导，尽管也可用其他波导，例如脊波导等等。积分波导340被光耦合到通信链路205，以使光传送信号230可被发射到通信链路205中，并且光接收信号235可被耦合进积分波导340，以与二极管345相互作用(下面将描述)。在一个实施例中，积分波导340被边耦合到通信链路205(例如，平的表面邻接在一起)。在一个实施例中，积分波导340和二极管345形成了垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在一个实施例中，二极管345是P-I-N二极管。
OSD 305可以可选择地包括(多个)光栅355，用来在二极管345周围形成谐振腔，使得二极管345在通信波长λC1或λC2处产生受激发射。在一个实施例中，(多个)光栅355是分布式反馈(DFB)光栅，其被形成为邻接于或位于积分波导340的表面上。在一个实施例中，(多个)光栅355是分布式布拉格反射器(DBR)，形成在积分波导340的内部，位于二极管345的两侧。在λC1＝λC2的实施例中，(多个)光栅355可以是静态光栅。在λC1≠λC2的实施例中，(多个)光栅355可以是动态光栅，其布拉格条件根据加在(多个)光栅355两端的电压电势而变化。在(多个)光栅355是DBR以及λC1≠λC2的实施例中，所述DBR可以在通信波长λC1具有静态布拉格条件以增强通信波长λC1处的谐振，但允许光接收信号235以通信波长λC2传输。
OSD 305可被单片制作在单个半导体基片上。例如，OSD 305可制作在砷化镓(GaAs)基片或者磷化铟(InP)基片上。在本发明的范围和精神内，也可使用其他已知的或以后开发的半导体材料。
应该注意的是，用来描述和图2以及图3相联系而讨论的实施例的材料和尺寸只用作解释的目的，根据本发明的教导，也可使用其他材料和尺寸。在某些例子中，为了解释清楚，本发明不同实施例的各元件之间相对的大小、形状以及距离作了夸大，不一定是按比例示出的。另外，为了解释清楚，讨论和附图中没有包含某些元件。例如，收发器300的实施例还可包括本技术领域所公知的耦合光学器件，例如聚焦透镜、校准透镜和/或模式转换透镜，以光耦合通信链路205到积分波导340。另外，积分波导340的实施例还可包括扩束部件，以促进积分波导340和通信链路205(例如，光纤)之间的光耦合。
根据半双工收发器300正运行于传送模式(例如，在传送时段中)还是接收模式(例如，在接收时段中)，PMD 310可切换地连接OSD 305到接收放大器和信号驱动器的其中一个。PMD 310包括开关360、接收放大器365以及信号驱动器370。开关360通过电接口电耦合到二极管345。在一个实施例中，电接口是单一的接合线(bonding wire)。开关360可由MAC 320控制，如图示的那样。一般地，开关360可由晶体管开关实现。在一个实施例中，接收放大器365是跨阻放大器(TIA)，其被设定为将电接收信号325从输入电流转换为输出电压。在一个实施例中，信号驱动器370是电流驱动器。
PMA器件315用来定时和/或锁相电接收信号325和电传送信号330。PMA器件315可以包括时钟数据恢复(CDR)电路371，并且，当MAC320的运行时钟频率比通信链路205的线速率低的时候，PMA器件315还可选择的包括时钟乘法器单元(CMU)373。在一个实施例中，半双工收发器300在传送时段和在接收时段，都工作在同样的比特率上。在这一实施例中，CDR电路371只需用作相位检测器，以锁定被嵌入到电接收信号325中的已知频率的时钟信号。在可替代的实施例中，半双工收发器300能够以可变的比特率传送，从而以可变的比特率接收数据。在这一可替代的实施例中，CDR电路371包括能够锁定在一个频率范围内的快速锁相环路(PLL)。在高比特率(例如，10Gb/s)时，CDR电路371能够快速获取嵌入在电接收信号325中的时钟数据是重要的，否则就浪费了所述高比特率，导致有效吞吐量的下降。
MAC 320用来缓冲传送数据和接收数据，以及监控和防止缓冲器溢出，在传送模式和接收模式之间作出判定，协商比特率，并且为操作附接电路323的更高层的协议提供反馈。MAC 320包括接收缓冲器375、传送缓冲器380以及可调比特率电路(ABRC)385。接收缓冲器375临时存储提取自电接收信号325的数据，直到附接电路323准备好接收数据。类似地，传送缓冲器380临时存储将被编码/调制进电传送信号330的数据。
ABRC 385确定和调整在通信链路205上传送数据的比特率。ABRC385传送数据的比特率可以由在附接电路323上执行的软件接口设定，也可以在安装时，根据通信链路205的长度和质量预设定，或者根据当前的链路状况实时作出调整。在后一实施例中，ABRC 385调整比特率，以在保持和远端收发器(例如，远端收发器220)的链路完整性的同时，获得最大的数据吞吐量。从而，依靠影响通信链路205质量的当前条件，ABRC 385可以同时调整比特率以获得最佳的数据吞吐量。另外，ABRC385可以在比特率和通信链路205的长度(例如，光纤跨度)之间进行折衷，以使达到平衡。在长跨度或高衰减(由于光纤误操作，连接器不干净，等等)的情况下，为了保持链路完整性，半双工收发器300的比特率可被降低。在通信链路205的跨度较短的情况下，比特率可被提高到最大可能的程度。在一个实施例中，ABRC 385一直在增大比特率，直到在数据中检测出错误，然后才略微降低。ABRC 385可以在整个通信会话中持续的执行这一过程，以保证总能获得最大的数据吞吐量。
在一个实施例中，通过MAC 320和PMA器件315之间的协调操作可以获得可变的/可适应的比特率。ABRC 385控制电传送信号330和光传送信号230的驱动频率。ABRC 385给CMU 373提供时钟信号，接着CMU373将此时钟信号倍乘到同相时钟频率(例如，10GHz)。在一个实施例中，ABRC 385包括能够为CMU 373产生多个不同时钟频率的电压控制振荡器(VCO)。例如，ABRC 385可包括多个变容二极管体或多个VCO。在可替代的实施例中，ABRC 385包括单个的VCO，其产生固定的频率，作为调制电传送信号330的时钟。在这一可替代的实施例中，有效比特率通过双重的/重复的比特传输是可变的。例如，每个比特传送两次，比特率会减半，而远端收发器收到正确数据的可能性却得到提高。
如上所述，MAC 320的实施例能够在收发器300的传送模式和接收模式之间作出判定。MAC 320通过指示开关360在接收放大器365和信号驱动器370之间切换，来控制收发器300运行在接收模式还是传送模式。然而，MAC 320还可以为传送模式和接收模式中的每一个提供不对称的带宽。通常，下行带宽比上行带宽高很多(例如，xDSL调制解调器)。从而，MAC 320可以调整传送时段的长度和/或接收时段的长度，以提供更高的接收带宽。在一个实施例中，MAC 320可以基于当前的带宽需求实时的调整传送时段的长度和接收时段的长度。
PMD 310、PMA器件315和MAC 320可以使用已知技术用硅制作。另外，PMA器件315和MAC 320的功能可被集成在单个器件上，称为数据链接器件(DLD)390。从而，在PMA器件315和MAC 320的功能被混合进DLD 390的实施例中，每个器件的子部件都可被混合，不必是如图所示的离散的功能块。自此以后，所指的DLD 390可用来指代作为离散元件或混合元件的PMA器件315和MAC 320。在一个实施例中，DLD 390包括用来实现由国际标准化组织(ISO)公布的开放式系统互联(OSI)标准的不同层次的硬件。此外，为了特殊应用和/或降低制造成本，PMD310、PMA器件315和MAC 320中的一个或更多，可被集成在单一的半导体基片上。
现在转到图4A和图4B，图4A和图4B描述了收发器300的操作过程。图4A是图示了根据本发明的实施例，在传送时段期间半双工收发器300执行的发射/耦合光传送信号230到通信链路205的处理400A的流程图。
在处理框405中，MAC 320(或DLD 390)缓冲接收自附接电路323的传送数据到传送缓冲器380中。在处理框410中，MAC 320切换PMD310到传送模式，指示PMD 310通过正确的切换开关360，电耦合信号驱动器370到OSD 305。
在处理框415中，ABRC 385判定在保持半双工收发器300和远端收发器(例如，远端收发器220)之间链路完整性的同时，通信链路205可支持的最大比特率。如上面所讨论的，ABRC 385可采用多种不同的技术来判定最大比特率，任何一种技术都可被实现。另外，在处理400A执行期间，ABRC 385可以持续的执行处理框415。
在处理框420中，信号驱动器370通过由开关360提供的电连接来驱动电流流过二极管345。信号驱动器370所驱动的电流是电传送信号330。接收自PMA器件315的所述电传送信号被信号驱动器370放大，然后被缓冲器380中缓冲的传送数据调制，并且其频率可选的被CMU 373倍乘。
在处理框425中，电传送信号330被驱动流过二极管345，作为响应，引起二极管345发射光传送信号230。在一个实施例中，二极管345在传送时段期间是正向偏置。二极管345的正向偏置使二极管345成为激光二极管，其可通过施加流经二极管345的电传送信号330，直接被来自于传送缓冲器380的传送数据调制。最后，在处理框430中，光传送信号230从积分波导340被发射/耦合进通信链路205。通信链路205引导光传送信号230到远端收发器(例如，远端收发器220)以用于接收和解调。
图4B是图示了根据本发明的实施例，在接收时段期间由半双工收发器300执行的从通信链路205接收光接收信号235的处理400B的流程图。在处理框435中，MAC 320(或DLD 390)指示PMD 310通过正确的切换开关360电耦合接收放大器365到OSD 305，从而切换PMD 310到接收模式。
在处理框440中，光接收信号235被从通信链路205耦合到积分波导340中。在积分波导340中，光接收信号235被引导以与二极管345发生相互作用。在一个实施例中，二极管345在接收时段期间是反向偏置，从而充当P-I-N光电二极管。当光接收信号235和二极管345相互作用，就会产生光电流，从而产生电接收信号325(处理框445)。
在处理框450中，电接收信号325通过开关360被导入接收放大器365。接收放大器365放大电接收信号325，给PMA器件315解调。在一个实施例中，接收放大器365是TIA。在所述TIA实施例中，接收放大器365除了放大电接收信号325外，还将电接收信号325从电流信号转换为电压信号。
在过程455中，CDR电路370从电接收信号325中恢复时钟信号，允许PMA器件315解调电接收信号325并提取被调制在其中的接收数据。在处理框460中，接收数据被MAC 320临时存储在接收缓冲器375中。最终，附接电路323取得接收数据，使得可以重新利用接收缓冲器375(处理框465)。
如上面所讨论的，半双工收发器300在传送时段和接收时段之间来回交替，每次重复处理400A和400B。MAC 320根据当前的下行和上行带宽需求，判定何时在传送时段(传送模式)和接收时段(接收模式)之间进行交替，以保证接收缓冲器375和传送缓冲器380及时的被重新利用以阻止缓冲器溢出，同时保持和远端收发器220之间的通信延迟短。
图5图示了根据本发明的教导，用以在单通信链路205上实现双向通信的全双工收发器500。全双工收发器500图示了如图2所示收发器215的一个实施例。全双工收发器500的图示实施例包括OSD 505、PMD 510以及DLD 515。相比于上面所讨论的半双工收发器300，全双工收发器500能够同时传送光传送信号230到通信链路205(例如，单光纤)以及从通信链路205(例如，单光纤)接收光接收信号235。
全双工收发器500的元件互连如下。OSD 505用来接收光接收信号235，并且作为响应，产生电接收信号325。OSD 505还用来接收电传送信号330，并且作为响应，产生光传送信号230。OSD 505包括双向光端口520、电光转换元件525、电接收端口530以及电传送端口535。双向光端口520被光耦合到电光转换元件525，当需要物理安装以现场应用时，被光耦合到通信链路205。在一个实施例中，双向光端口520被光耦合到通信链路205的技术，和在半双工收发器300(图3)中，用来耦合积分波导340到通信链路205的技术相似。电光转换元件525还被电耦合到电接收端口530和电传送端口535。
PMD 510用来放大接收自DLD 515的电传送信号330和接收自OSD505的电接收信号325。PMD 510还用来把电接收信号325和电传送信号330隔离开。PMD 510的图示实施例包括信号驱动器370和回波抵消电路540。回波抵消电路540的图示实施例包括接收放大器545以及相位和幅度补偿电路(PACC)550。
信号驱动器370被电耦合到DLD 515的输出端，用来接收并放大从那里输出的电传送信号330。信号驱动器370还被电耦合到OSD 505的电传送端口535，从而以放大后的电传送信号330驱动电光转换元件525。信号驱动器370还被电耦合到PACC 550的输入端。接收放大器545的非反相输入端被电耦合到OSD 505的电接收端口530，接收放大器545的反相输入端被电耦合到PACC 550的输出端。接收放大器545的输出被电耦合到DLD 515的输入端，用来向其提经隔离和放大后的电接收信号325。
由于全双工收发器500同时进行发送和接收(即，上行和下行)操作，因此，OSD 505在电接收端口530同时输出电传送信号330的回波和电接收信号325。因此，回波抵消电路540通过减去电传送信号330，来隔离出电接收信号325。回波抵消电路540的图示实施例通过配置接收放大器545来放大两输入端间的差分信号，同时抑制两输入端间的共模信号，来达到隔离的目的。从而，在一个实施例中，接收放大器545是差分增益放大器。在一个实施例中，接收放大器545是被配置为具有差分增益特性的TIA放大器。
然而，在接收放大器545的非反相输入端接收到的电传送信号330和信号驱动器370输出的电传送信号330不完全相同。更准确的说，由电接收端口530输出的电传送信号330是被电光转换元件525进行过相位延迟和幅度调整的。从而，PACC 550用来补偿由电光转换元件525以及由信号驱动器370的输出端和接收放大器545的非反相输入端之间的电互连所引入的相位延迟和幅度调整。通常，在运行中，被引入到在接收放大器545的非反相输入端接收到的电传送信号330中的相位延迟是恒定的。从而，在一个实施例中，在初始设置期间(例如，在工厂，在现场安装期间，或仅通过设计)，对PACC 550进行一次调谐，以提供适当的相位延迟给电传送信号330。相反的，在操作过程中，一般地，由电光转换元件525(和所述互连)所引入到电传送信号330中的幅度调整不是恒定的。因此，在一个实施例中，PACC 550实时的持续调整经补偿后的传送信号555的幅度。
应该注意的是，回波抵消电路540的图示实施例仅仅是一种可能的实施例。本发明的应用领域内的普通技术人员应该理解，其他已知的回波抵消电路也可被用来把电接收信号325和电传送信号330隔离开。
DLD 515将从附接电路560接收的数据调制成为电传送信号330，并且将嵌入到电接收信号325中的数据解调出来，再传送给附接电路560。DLD 515还可以缓冲发送和接收的数据，并且给发送和接收比特率定时。在一个实施例中，DLD 515包括用来实现由ISO发布的OSI标准不同层次的硬件。在图示实施例中，DLD 515通过两个电互连被电耦合到PMD510，一个用来接收电接收信号325，一个用来传送电传送信号330。
现在转到图6A和图6B，图6A和图6B描述了全双工收发器500的操作过程。图6A是根据本发明的实施例，全双工收发器500执行的发射/耦合光传送信号230到单通信链路205中(即，上行方向)的处理600A的流程图。
在处理框605中，DLD 515临时缓冲从附接电路560接收的传送数据567。一缓冲完，DLD 515就将传送数据567调制为电传送信号330，以提供给PMD 510来放大。在处理框610中，信号驱动器370以电传送信号330驱动电光转换元件525。在处理框615中，响应于电传送信号330，电光转换元件525发射光传送信号230。最终，通过双向光端口520，光传送信号230被发射/耦合到通信链路205。
图6B是根据本发明的实施例，全双工收发器500执行的用来接收来自于单通信链路205的光接收信号235(即，下行方向)的处理600B的流程图。在处理框625中，通过双向光端口520，光接收信号235被耦合到电光转换元件525。在处理框630中，光接收信号235和电光转换元件525相互作用，使得电光转换元件525产生光电流形式的电接收信号325。从而，电光转换元件525在电接收端口530上输出电接收信号325，但同时也在电接收端口530上输出电传送信号330，原因将在下面讨论。在处理框635中，回波抵消电路540把电接收信号325和电传送信号330隔离开，并且输出经放大后的电接收信号325给DLD 515。在过程640中，DLD 515从电接收信号325中提取接收数据，并且为附接电路560缓冲接收数据。在处理框645中，附接电路560取得接收数据。
应该注意的是，处理400A、400B、600A和600B只用作图示和说明。本发明的应用领域内的普通技术人员应该认识到，相比于图示的顺序，某些处理框的次序可被重新组合，而不偏离本发明的精神。
图7A图示了根据本发明的实施例的电光转换元件735。电光转换元件735是电光转换元件525(图5)的一个实施例。电光转换元件735的图示实施例包括积分波导710、激光二极管(LD)740、光电二极管745、(多个)可选光栅720以及电互连725和730。
在图示实施例中，LD 740和光电二极管745形成在积分波导710内部。在一个实施例中，光电二极管745是被配置为光探测器的P-I-N二极管。光传送信号230和光接收信号235通过双向光端口520被耦合，在通信链路205和积分波导710之间往返传播。积分波导710将光传送信号230和光接收信号235引导至光电二极管745和LD 740或从其引导光传送信号230和光接收信号235。电互连725耦合光电二极管745到电接收端口530。电互连730耦合LD 740到电传送端口535。在一个实施例中，(多个)光栅720和上文描述的(多个)光栅355相似。
在操作过程中，光接收信号235被耦合进积分波导710，接着被引导与光电二极管745相互作用。光电二极管745吸收光接收信号235的一部分(例如，一半)光能量，产生光电流形式的电接收信号325。这部分光电流(即，电接收信号325)通过电互连725被耦合到电接收端口530。在操作过程中，当电传送信号330通过电互连730被驱动流经LD 740时，LD 740产生光传送信号230。一旦产生，光传送信号230就沿积分波导710传播，通过光电二极管745，被发射到通信链路205中。因此，同样地，光电二极管745也吸收光传送信号230的一部分(例如，一半)光能量，产生沿电互连725传播的电传送信号330。电光转换元件735能够全双工操作，从而，在任何给定的时刻，当光电二极管745接收光接收信号235的同时，LD 740可以产生光传送信号230。因此，在任何给定的时刻，由光电二极管745产生的光电流是从光传送信号230和光接收信号235吸收光能量的结果。从而，电互连725既传导电接收信号325，又传导电传送信号330。
图7B图示了根据本发明的实施例的电光转换元件750。电光转换元件750是电光转换元件525(图5)的一个实施例。电光转换元件750的图示实施例包括积分波导710、LD 755、电吸收调制器(EAM)760、光电二极管745、(多个)可选光栅720以及电互连725和730。
除了下述特征以外，电光转换元件750和电光转换元件735相似。和在电光转换元件735中直接调制LD 740的情况不同，LD 755由恒定电流源765驱动。恒定电流源765使得LD 755产生连续波束770，连续波束770沿积分波导710向双向光端口520传播。EAM 760形成在积分波导710内，位于光电二极管745和LD 765之间。EAM 760可以包括被配置为电吸收调制器的二极管等。另外，电互连730被耦合到EAM 760，用来调节EAM 760的光吸收特性。EAM 760被沿电互连730传导的电传送信号330所调制。一旦调制后，从EAM 760中出现的连续波(CW)束770作为光传送信号230，经过光电二极管745，被发射到通信链路205中。
在可能和上文所述上行操作同时发生的下行操作期间，电光转换元件750从通信链路205中接收光接收信号235。光接收信号235被积分波导710引导，与光电二极管745发生相互作用，产生光电流形式的电接收信号325。由于来自于光传送信号230和光接收信号235的光功率可在任何给定时刻被光电二极管745吸收，因此，电互连725既携带了电接收信号325，又携带了电传送信号330。
下面举一个可能的例子说明电光转换元件750的功率链路预算LD765输出为0dBm的CW束770，EAM 760输出平均为-3dBm的光传送信号330，被发射到通信链路205中的光传送信号330为-8dBm(光传送信号330中，光电二极管745吸收了约3dB，通信链路205和双向光端口520之间有约2dB的耦合损耗)，远端收发器220收到的光传送信号为-15dBm(光纤每10公里损耗2dB，连接器和老化损耗3dB，耦合进远端收发器220损耗2dB)，到达远端收发器220内的EAM 760的光传送信号230为-18dBm(远端收发器220的光电二极管745吸收3dB)。远端收发器220收到的光传送信号230对应于全双工收发器500收到的光接收信号235。因此，干扰EAM 760的光接收信号235的功率比来自EAM 760的光传送信号230的输出功率低15dB。从而，光接收信号235引起EAM 760的吸收特性的动态变化可以忽略不计。
图8图示了根据本发明的教导，用以在单通信链路205上实现双向通信的全双工收发器800。全双工收发器800图示了如图2所示收发器215的一个实施例。全双工收发器800的图示实施例包括OSD 805、接口810、PMD 510以及DLD 515。
除了下述特征以外，收发器800和收发器500相似。收发器800包括耦合在OSD 805和PMD 510之间的接口810。另外，OSD 805只包括耦合到接口810的单一的双向电端口815。接口810电耦合接收放大器545的非反相输入端和信号驱动器370的输出端到双向电端口815。在一个实施例中，接口810还能够隔离电接收信号325，使其不能到达信号驱动器370的输出端和PACC 550的输入端。在一个实施例中，接口810不在PMD 510的外部，而是PMD 510的一个组件。
OSD 805的图示实施例包括积分波导710、二极管820、(多个)可选光栅720以及电互连825。二极管820形成在积分波导710的内部，以响应于光接收信号235，产生电接收信号325，以及响应于电传送信号330，产生光传送信号230。在一个实施例中，二极管820是P-I-N二极管。积分波导710通过双向光端口520被光耦合到通信链路205上。积分波导710将光传送信号230和光接收信号235引导到二极管820，或从其引导光传送信号230和光接收信号235。电互连825耦合二极管820到双向电端口815。
当通过电互连825驱动电传送信号330流经二极管820时，二极管820产生光传送信号230。此外，电互连825还耦合由二极管820产生的光电流到双向电端口815。从而，二极管820同时用作激光二极管和光检测二极管。电接收信号325作为扰动电流通过接口810被接收放大器545在电互连825上提取。
半双工收发器300、全双工收发器500和全双工收发器800使用单通信链路205(例如，单光纤)在远端器件之间实现双向通信。通信系统200(图2)的安装和维护成本比通信系统100明显要低。另外，本发明的实施例得益于全部包含在OSD 305、505和805内的低成本光学器件。这一单光学模块方法为到通信链路205的光连接以及为到PMD 310和PMD510的电连接提供了简单的装配过程。
应该注意的是，在某些例子中，为了解释清楚，图示在本发明图2、图3、图5、图7A、图7B和图8中的各元件之间相对的大小、形状以及距离作了夸大，也不一定在图中按比例示出。另外，在某些情况下，出于清楚的目的，附图被简化，或本领域中普通技术人员所公知的元件未被包括在内，以便专注于本发明的教导。
以上对于本发明的图示实施例的描述，包括在说明书摘要中的描述，并非要穷举本发明或是把本发明局限于所公开的精确形式。这里所描述的本发明的特定实施例和例子都是为了说明的目的，有关领域内的技术人员应该认识到，在本发明的范围内，各种等同的修改是可能的。
可以依照上面的具体实施方式
对本发明进行这些修改。在下面的权利要求书中所用的术语不应被解释为把本发明限制在说明书和权利要求中公开的特定实施例中。本发明的范围应该完全由所附权利要求书确定，权利要求书应根据已确定的权利要求的解释原则来理解。
权利要求
1.一种方法，包括响应于电传送信号，产生光传送信号；耦合所述光传送信号到单通信链路中，以在其上传输；从所述单通信链路接收光接收信号，所述光接收信号和所述光传送信号有相同的通信波长；和响应于所述所接收的光接收信号，产生电接收信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述耦合所述光传送信号到所述的单通信链路的步骤包括耦合所述光传送信号到单一的光波导中，并且，从所述单通信链路接收所述光接收信号包括从所述单一光波导接收所述光接收信号。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述光传送信号在传送时段期间被产生，所述光接收信号在接收时段期间被接收，所述传送时段和接收时段来回交替。
4.如权利要求3所述的方法，还包括在所述接收时段期间，可切换地耦合所述电接收信号到跨阻放大器。
5.如权利要求4所述的方法，还包括在所述传送时段期间，可切换地耦合信号驱动器到二极管，在所述传送时段期间，所述信号驱动器提供所述电传送信号，所述二极管产生所述光传送信号。
6.如权利要求5所述的方法，还包括在所述传送时段期间，正向偏置所述二极管，以产生所述光传送信号，以及在所述接收时段期间，反向偏置所述二极管，以响应于接收到的光接收信号，产生所述电接收信号。
7.如权利要求3所述的方法，还包括在所述接收时段和所述传送时段之间转换，以保持短的通信延迟。
8.如权利要求3所述的方法，还包括调整所述电传送信号和所述光传送信号的比特率，以在最大比特率时保持通过所述光波导与远端收发器之间的链路完整性。
9.如权利要求2所述的方法，其中，所述光传送信号和所述光接收信号沿所述单一光波导同时向相反方向传播。
10.如权利要求9所述的方法，还包括以回波抵消电路把所述电接收信号和所述电传送信号隔离开。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述产生所述光传送信号的步骤包括直接调制二极管，并且，所述接收所述光接收信号的步骤包括利用所述二极管接收所述光接收信号。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述产生所述光传送信号的步骤包括直接调制激光二极管，并且，所述接收所述光接收信号的步骤包括利用P-I-N二极管接收所述光接收信号。
13.如权利要求9所述的方法，其中，产生所述光传送信号包括以电吸收调制器调制连续波束，并且，接收所述光接收信号包括以P-I-N二极管接收所述光接收信号。
14.一种半双工收发器，包括光半导体器件，用来产生沿通信链路传输的具有第一波长的光传送信号，以及用来接收来自于所述通信链路的具有第二波长的光接收信号，并且，所述光半导体器件响应于电传送信号，产生所述光传送信号，以及响应于所述光接收信号，产生电接收信号；电耦合到所述光半导体器件的物理媒体驱动器，所述物理媒体驱动器用来在接收模式期间放大所述电接收信号，以及在传送模式期间利用所述电传送信号驱动所述光半导体器件；和电耦合到所述物理媒体驱动器的数据链接器件，用来在所述接收模式和所述传送模式之间切换所述物理媒体驱动器。
15.如权利要求14所述的半双工收发器，其中，所述光半导体器件包括光耦合到所述通信链路的积分波导，用来引导其中的所述光接收信号和光传送信号；形成在所述积分波导内的二极管，用来响应于所述电传送信号，产生所述光传送信号，以及响应于所述光接收信号，产生所述电接收信号。
16.如权利要求15所述的半双工收发器，其中，所述二极管包括P-I-N二极管，所述P-I-N二极管在所述传送模式期间正向偏置，在所述接收模式期间反向偏置。
17.如权利要求15所述的半双工收发器，其中，所述光半导体器件还包括分布式反馈光栅和分布式布拉格反射器两者之一，所述分布式反馈光栅沿所述积分波导形成，所述分布式布拉格反射器形成在所述积分波导内部，位于所述二极管的两侧。
18.如权利要求14所述的半双工收发器，其中，所述物理媒体驱动器包括接收放大器，用来在所述接收模式期间，放大所述电接收信号；信号驱动器，用来在所述传送模式期间，以所述电传送信号驱动所述光半导体器件；和开关，用来可切换地将所述光半导体器件在所述接收模式期间耦合到所述接收放大器，以及在所述传送模式期间耦合到所述信号驱动器。
19.如权利要求14所述的半双工收发器，其中，所述数据链接器件包括电耦合到所述物理媒体驱动器的物理媒体访问器件，用来从所述放大后的电接收信号中恢复时钟信号，以及为所述电传送信号提供时钟；和电耦合到所述物理媒体访问器件和物理媒体驱动器的媒体访问控制器，用来在所述接收模式和所述传送模式之间切换所述物理媒体驱动器，以及缓冲将要在所述电传送信号中传送的第一数据，并且缓冲在所述电接收信号中收到的第二数据。
20.如权利要求14所述的半双工收发器，其中，所述第一波长和所述第二波长实质上相等。
21.如权利要求14所述的半双工收发器，其中，所述数据链接器件包括可调比特率电路，用来在所述传送模式期间，调整所述电传送信号和所述光传送信号的比特率。
22.如权利要求21所述的半双工收发器，其中，所述可调比特率电路包括可变电压控制振荡器。
23.一种装置，包括光半导体器件，所述光半导体器件包括电光转换元件，用来将光接收信号转换为电接收信号，以及将电传送信号转换为光传送信号；光耦合到所述电光转换元件的双向光端口，用来同时输出所述光传送信号以及输入所述光接收信号；电耦合到所述电光转换元件的电传送端口，用来接收所述电传送信号；和电耦合到所述电光转换元件的电接收端口，用来输出所述电接收信号和电传送信号的结合信号。
24.如权利要求23所述的装置，还包括物理媒体器件，所述物理媒体器件包括电耦合到所述光半导体器件的电传送端口的传送驱动器，用来以所述电传送信号驱动所述电光转换元件；和耦合到所述光半导体器件的电接收端口的回波抵消电路，用来把所述电接收信号和所述电传送信号隔离开。
25.如权利要求23所述的装置，其中，所述电光转换元件包括光耦合到所述双向光端口的积分波导，用来引导其中的所述光接收信号和所述光传送信号；形成在所述积分波导内部的激光二极管，用来响应于所述电传送信号，产生所述光传送信号；和形成在所述积分波导内部的P-I-N二极管，所述P-I-N二极管位于所述双向光端口和所述激光二极管之间，所述P-I-N二极管被定位以接收所述光接收信号，并且响应于所述光接收信号，产生所述电接收信号。
26.如权利要求23所述的装置，其中，所述电光转换元件包括光耦合到所述双向光端口的积分波导，用来引导其中的所述光接收信号和所述光传送信号；形成在所述积分波导内部的激光二极管，用来产生沿所述积分波导的恒定光波束；形成在所述积分波导内部的电光吸收调制器，所述电光吸收调制器位于所述双向光端口和所述激光二极管之间，所述电光吸收调制器用来响应于所述电传送信号，调制所述恒定光波束；和形成在所述积分波导内部的P-I-N二极管，所述P-I-N二极管位于所述双向光端口和所述电光吸收调制器之间，所述P-I-N二极管被定位以接收所述光接收信号，并且响应于所述光接收信号，产生所述电接收信号。
27.如权利要求23所述的装置，其中，所述电光转换元件被耦合用来将具有通信波长的所述光接收信号转换为所述电接收信号，以及将所述电传送信号转换为具有相同的所述通信波长的所述光传送信号。
28.一种通信系统，包括第一收发器，用来将光接收信号转换为电接收信号，以及将电传送信号转换为光传送信号，所述光接收信号和所述光传送信号具有相同波长；光耦合到所述第一收发器的通信链路，用来传输所述光接收信号和所述光传送信号，所述第一收发器用来将所述光传送信号发射到所述通信链路中；和光耦合到所述通信链路的第二收发器，所述第二收发器用来产生所述光接收信号，以及将所述光接收信号发射到所述通信链路中，并且，所述第二收发器用来接收所述光传送信号，以及将所述光传送信号转换为第二电接收信号。
29.如权利要求28所述的通信系统，其中，所述通信链路包括光纤。
30.如权利要求29所述的通信系统，其中，所述第一和第二收发器被配置为在互斥的时段内，将所述光接收信号和所述光传送信号发射到所述光纤中。
31.如权利要求30所述的通信系统，其中，所述第一和第二收发器每个都包括可调比特率电路，用来调整所述光接收信号和所述光传送信号的比特率，以在最大比特率时保持所述光纤上的链路完整性。
32.如权利要求30所述的通信系统，其中，所述第一和第二收发器每个都包括媒体访问控制器，用来调整传送时段的长度和接收时段的长度，以最优化所述光纤上的数据吞吐量。
33.如权利要求29所述的通信系统，其中，所述第一和第二收发器被配置为将所述光接收信号和所述光传送信号发射到所述光纤中，以使所述光接收信号和光传送信号同时沿所述光纤向相反方向传播。
34.如权利要求32所述的通信系统，其中，所述第一收发器包括回波抵消电路，用来将所述电接收信号和所述电传送信号隔离开。
35.一种装置，包括光半导体器件，所述光半导体器件包括积分波导，用来引导其中的光接收信号和光传送信号；形成在所述积分波导内部的二极管，用来响应于电传送信号，产生所述光传送信号，以及响应于所述光接收信号，产生电接收信号；光耦合到所述积分波导的双向光端口，用来同时输出所述光传送信号以及输入所述光接收信号；和电耦合到所述二极管的双向电端口，用来传导所述电传送信号和所述电接收信号。
36.如权利要求35所述的装置，还包括传送驱动器，被电耦合以利用所述电传送信号来驱动所述二极管；回波抵消电路，被电耦合以将所述电接收信号和所述电传送信号隔离开；和接口，用来电耦合所述光半导体器件的所述双向电端口到所述传送驱动器和所述回波抵消电路。
37.如权利要求36所述的装置，其中，所述回波抵消电路和传送驱动器是物理媒体器件的组件。
38.如权利要求35所述的装置，其中，所述二极管被耦合以将具有通信波长的所述光接收信号转换为所述电接收信号，以及将所述电传送信号转换为具有相同的所述通信波长的所述光传送信号。
全文摘要
本发明公开了一种用于光通信的方法、装置和系统。响应于电传送信号，产生光传送信号。所述光传送信号被耦合进单通信链路用于在其上传输。从所述单通信链路上接收光接收信号，并且作为响应，产生电接收信号。
文档编号H04B10/24GK1607748SQ20041008069
公开日2005年4月20日 申请日期2004年9月27日 优先权日2003年9月30日
发明者托基尔·弗兰克, 埃尔维德·约翰森, 本尼·克里斯坦森, 马丁·洛贝尔 申请人:英特尔公司