具有光学放大器的紧密光学收发器模块的制作方法

本发明涉及一种光学传输领域，尤其是涉及用以实现光学收发器模块的技术。

背景技术：

小体积并且价格低廉的光学可插拔收发器模块，如：依照C形状因子可插拔(CFP)、CFP2、CFP4及QSFP28规格所封装者，已成为公用网络组件(NEs)中短距离端口的基本组件，如路由器、交换机和交叉连接元件。然而，对于城域光网络需要超过80公里的中长距离联机，这些小体积且价格低廉模块的优势变得意义不大。这是因为联机中的收发器模块之前必需先有外部低噪声系数(Low Noise Figure，LNF)的光前置放大器以达到充分的光学信噪比(OSNR)。在一些实施例中，外部光前置放大器/光放大器可以附加地或替代地使用，以在光学端口输出时能产生足够的功率。光前置放大器/放大器有时也应用于短及中距离的多通道端口之中，这样做是为了补偿光学信号分离器/多路复用器的衰减。

典型的光前置放大器/放大器是掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)，但其相对昂贵且笨重。此外，在网络组件的线卡(Line card)的一个或多个光学端口中使用掺铒光纤放大器，会让整体结构更复杂且需要对端口和线卡做整体管理。倘若线卡同时包含架构简单的短距离端口以及使 用掺铒光纤放大器的端口时，会让管理更加复杂。具有掺铒光纤放大器的端口也意味着复杂的结构以及增加整个网络组件管理的复杂性，特别是当网络组件的线卡同时包含有简单的短距离端口以及长距离及/或多通道端口时。

本领域中已知的另一问题，通常与使用外部输出光放大器于多通道光联机相关，即每个数据信道的功率位准很容易受到单个通道功率的变化影响。通常会采用控制机构以使输出功率适应于通道的数量。然而，这种机制通常无法即使无法察觉到各通道的精确位准。因此，可能在某些时段其中的总功率及/或每个通道的功率会变得过高或过低，这可能导致连接性能的劣化，甚至对光电组件造成损害。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种有效地将光放大器嵌入的光学收发模块，进而使通用光学網路元件的结构简单、管理简单并降低成本。

依据本发明的一实施例，一种光学收发器模块包含接收器光学子组件、发射器光学子组件、控制器以及至少一光前置放大器。接收器光学子组件用以将包含一或多个接收数据信道的接收光信号转换成输出电信号。发射器光学子组件用以将包含一或多个发送数据信道的输入电信号于发射器光学子组件的输出转换成发送光信号。控制器用以控制及/或监视所述光学收发器。光前置放大器耦接于接收器光学子组件的输入并且操作以提供具有合适功率位凖之接收光信号至接收器光学子组件，以及光输出放大器耦接于发射器光学子组件输出用于放大发送光信号。当控制器被包含于光学收发器模块，并且 用以调整光前置放大器增益以提供具有合适功率位凖的接收光信号至接收器光学子组件时，控制器耦接于光前置放大器，当控制器被包含于光学收发器模块，并且进一步用以调整光输出放大器增益以输出具有所需功率位凖的放大发送光信号时，控制器进一步耦接至光输出放大器。

依据本发明的实施例，所述控制器用以基于接收数据信道的数量，决定所述光前置放大器输出的功率位凖。

依据本发明的实施例，所述控制器用以基于所述发送数据信道的数量，调整所述光输出放大器的所述光学增益，以输出具有所需功率位凖的所述放大发送光信号。

依据本发明的实施例，所述控制器用以基于在所述发射器光学子组件输出的每一信道的所述发送光信号，调整所述光输出放大器的所述光学增益，以输出具有所需功率位凖的所述放大发送光信号，使得所述所需功率位凖不会对整体及/或个别通道光功率发生偏差。

依据本发明的实施例，所述控制器用以连续调整所述光输出放大器的光学增益。

依据本发明的实施例，所述光前置放大器以及所述光输出放大器其中之一为掺铒光纤放大器或半导体光放大器。

依据本发明的实施例，所述接收数据信道的数量以及所述发送数据信道的数量是选自包含4、8、10以及16个数据信道的群组，每一所述数据信道的数据速率是选自包含大约10、20、25、40以及50Gbps的数据速率的群组，以及所述数据信道间的光谱间距是选自包含25、50、200以及400GHz的群组。

依据本发明的实施例，所述放大器以及所述接收器光学子组件组装于共同模块之内。

依据本发明的实施例，所述光输出放大器以及所述发射器光学子组件被组装于共同模块之内。

依据本发明的实施例，一或多个的所述接收数据信道以及一或多个的所述发送数据信道属于特定波长范围并且占用一部份的所述特定波长范围。

依据本发明的实施例，一部份所述特定波长范围包含30％的所述波长范围。

依据本发明的实施例，所述光学收发器模块另包含降低复杂度的掺铒光纤放大器，用于有限的波长范围。

依据本发明的实施例，所述特定波长范围包含1550纳米(nm)或是1310纳米(nm)。

依据本发明的实施例，一或多个所述接收数据信道以及一或多个所述发送数据信道是依据密集型光波复用(DWDM)或是粗波分复用(CWDM)所间隔。

依据本发明的实施例，所述光学收发器模块依据包含CFP、CFP2、CFP4及QSFP28封装规格的群组其中之一所封装。

依据本发明的实施例，所述光学收发器模块另包含时钟与数据恢复电路，用于将所述输出电信号适应一或多个跟随所述光学收发器模块的外部级电路。

依据本发明的实施例，所述光学收发器模块另包含前向错误校正电路，耦接于所述时钟与数据恢复电路，用于降低所述接收数据信道的错误率。

依据本发明的实施例，所述光学收发器模块另包含另包含色散补偿电路耦接于所述时钟与数据恢复电路，并操作以补偿接收数据信道内所感应的色散失真，所述色散补偿电路包含电子色散补偿电路或是被动色散补偿电路。

依据本发明的实施例，所述控制器控制及/或监视所述接收器光学子组 件、所述发射器光学子组件、所述光前置放大器、所述光输出放大器以及所述时钟与数据恢复电路。

依据本发明的实施例，所述的光学收发器模块另包含光学色散补偿电路，操作性地耦接于所述光前置放大器。

依据本发明的实施例，所述光学收发器模块另包含控制端口，用于监视以及控制传输于所述控制器与外部处理器之间的信息。

依据本发明的实施例，当所述控制器被包含于所述光学收发器模块，所述控制器进一步用以监视及调整所述发射器光学子组输出的每一通道的所述发送光信号，以补偿所述光输出放大器的光谱。

依据本发明的实施例，一种网络组件(NE)如路由器、交换机或是光学交叉连接组件，包含上述光学收发器模块。

附图说明

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下，其中所附图式包含：

图1绘示依据本发明一实施例的光学收发器模块的方块图。

图2绘示依据本发明一实施例的系统方块图。

图3绘示依据本发明一实施例用于实现光学收发器模块的方法的流程图。

现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。

具体实施方式

在本发明的实施例中，包含用于城域光基础设施内的光学传输模块，该光学传输模块可应用于终端长距离(如超过80公里)的联机。该光学传输模块可通过CFP、CFP2或CFP4等规格紧密封装。本实施例是在光传输模块中嵌入一个或多个掺铒光纤放大器(EDFA)来达成的。因为掺铒光纤放大器通常是一个笨重的组件，因此在有限体积的紧密模块内，掺铒光纤放大器可能会限制光学传输模块用于传输的数据信道的数量，并因此连带限制带宽。

为简化说明，本实施例的紧密光学传输模块是设计成可在光学C频带中(大约1550nm)传输数据，其从四十个通道选用十个传输率为10Gbps且带宽间隔为100GHz的通道。其他实施例亦可选用其他传输率，例如20、25、40和50Gbps，或选用其他带宽间隔例如25、50、200和400GHz，或选用其他信道数量和其他光学频带。因此，嵌入于光学传输模块的掺铒光纤放大器选择采用传输波长范围达到8nm者。因为这样的掺铒光纤放大器仅包含一个泵雷射且不需依靠专用电路以提高增益和改善群延迟平坦度，其成本相对较低，仅会消耗模块中的小功率和占用较小的模块空间。

请参照图1，图1为依据本发明实施绘示的光学收发器模块100的方块图。光学收发器模块100包含输入光端口104，用于接收光联机时的光输入信号。光功率监测器(Optical Power Monitor，OPM)108用于监视该光输入 信号，再将该光输入信号传递至光前置放大器112。在本实施例中，光前置放大器112包含一个LNF EDFA。在其他实施例中，光前置放大器112可包含其他类型光学放大器，如半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)。监视及控制(M&C)处理电路做为控制器116，其用来接收来自光功率监测器108的光输入信号的样本，并且经由光功率监测器114接收在掺铒光纤放大器112所输出的光信号的样本，或是直接通过监视掺铒光纤放大器112以接收在掺铒光纤放大器112输出的光信号的样本，并据此控制掺铒光纤放大器112的增益。控制器116在感测到光功率监测器108没有输入信号存在于输入端口104时，关闭光掺铒光纤放大器112。此外，控制器116基于光功率监测器114的读数和接收数据信道的数量，调整掺铒光纤放大器112的光学增益，以对应于适合于下一级的位准。绘示于图1控制器116可以是被嵌入到模块100中的控制电路。

掺铒光纤放大器112经由光功率监测器114将放大的接收光信号传送到接收器光学子组件(Receiver Optical Sub-Assembly，ROSA)120。接收器光学子组件120在其输入将该接收光学信号分解成多个数据信道，并且使用光电二极管(未绘示于图1)将每一信道转换成一个电信号。在其它实施例中，半导体光放大器亦可作为光前置放大器112，半导体光放大器组装于接收器光学子组件120之内。在一实施例中，接收器光学子组件120包含分离组件。在其他实施例中，接收器光学子组件120包含集成电路。接收器光学子组件120输出的电信号包含10个接收数据信道，并且每一个数据信道是以10Gbps输出。接着，时钟与数据恢复(Clock and Data Recovery，CDR)电路124重新 整理该接收数据信道，并且重新嵌入的时钟信号与数据。在一实施例中，时钟与数据恢复电路124与耦合到它的电子色散补偿(Electronic Dispersion Compensation，EDC)电路126共同工作。在本实施例中色散补偿是必需的，当模块100用于长距离联机时，其用以补偿这些接收数据信道内所感应出的色散失真。时钟与数据恢复电路124然后经由电输出端口128输出此10个被重新整理的数据信道。

在一个实施例中，电子色散补偿电路126实现了一个判断回馈均衡器(Decision Feedback Equalizer，DFE)算法，从而节省功率消耗。在其他实施例中，任何其他合适的色散补偿算法亦可以使用，例如最大似然序列估算器(Maximum Likelihood Sequence Estimator，MLSE)以及连续时间滤波器(Continuous Time Filters，CTF)。在其它实施例中，电子色散补偿电路126是由被动组件而不是主动组件所实现。在一些实施例中，未示于图1的光学色散补偿电路可包含在模块100之中并连接于光前置放大器112，因此前置放大器也补偿光学色散补偿电路的衰减。在一些实施例中，这些接收数据信道可采用以下数据调制方法，如脉冲宽度调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)、分离复频调制(Discrete Multi-Tone，DMT)、正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)和正交频分多路复用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM)。在这种情况下，接收器光学子组件120另包含图1中未示出的相应解调器。这种解调器于合适时，可以包含模拟对数字转换器(Analog to Digital Converter，ADC)，以及同调解调。

在一实施例中，模块100还包含一发送部分，其信号路径从电输入端口132开始，其接收包含10个10Gbps的发送数据信道之一的输入电信号。时钟与数据恢复电路136重新整理这些资料。发射器光学子组件(Transmitter Optical Sub-Assembly，TOSA)140接着将这些数据转换成包含10个数据信道的发送光信号。这是在发射器光学子组件140内，由后面跟着一个光多路复用器的10个外调制雷射(External Modulation Lasers，EMLs)所完成，但是两者在图1中未示出。于一实施例中，发射器光学子组件140包括独立的分离组件组成。在其他实施例中，发射器光学子组件140是一集成电路。在一些实施例中，为用于短距离应用，在发射器光学子组件输出的发送光信号于光学端口144上显示为输出光信号用于通过光联机的传输。在一些实施例中，发射器光学子组件140包含调制电路，用于发送数据信道，但在图1中未示出。资料调制可包含脉冲宽度调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)、分离复频调制(Discrete Multi-Tone，DMT)、正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)和正交频分多路复用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM)。

在一些实施例中，光输出放大器142跟随发射器光学子组件140以于输出端口144提供足够高功率的输出光信号。当进行长距离光联机通讯时，这样可确保在模块100的输入端口104具有足够的光学信噪比。在一实施例中，光输出放大器142包含掺铒光纤放大器，进而允许省略模块中另外增设的掺铒光纤放大器112。除非联机距离太长，否则没有必须要在通信两端的模块100中都直接设置掺铒光纤放大器。控制器116用来调整掺铒光纤放大 器142的光学增益，以避免导致整体及/或个别通道光功率发生偏差。这可以通过读取光功率监测器143或是通过直接监看掺铒光纤放大器142所完成。在一些实施例中，亦可采用其他类型光输出放大器，如半导体光放大器。在一些实施例中，光输出放大器142和发射器光学子组件140被组装在一个共同模块之内。

在一些实施例中，接收器光学子组件120和发射器光学子组件140被封装在共同模块之内。在一些实施例中，时钟与数据恢复电路124及136被封装在一个共同模块之内。在一些其他的实施例中，电子色散补偿电路126也包含一前向错误校正(Forward Error Correction，FEC)功能。在一些实施例中，控制器116监视并调整在发射器光学子组件140输出的信道信号位凖以补偿掺铒光纤放大器142的光谱，尤其是靠近使用光谱范围的边界处。在一些实施例中，控制器116根据主动发送数据信道的数目，也选择性地跟据它们的实际信号位凖，连续地在循环调整掺铒光纤放大器142的光学增益，以避免在任何通道有过量的光功率位凖。由于掺铒光纤放大器142嵌入在模块100内，即使掺铒光纤放大器142输出的功率过高或低于任一及/或整体光学功率，都可以通过快速地增益控制而避免。因此，可以大幅度地消除连接性能以及光学组件的不利影响。当掺铒光纤放大器被安装于模块100外部时，是很难达到如此快的响应。

在一实施例中，控制器116进行监视和控制模块100中至少部分的功能块。模块100可以做成单一实体用于较高阶的监视及控制功能，并可通过 一个控制端口148来存取。这种较高阶的监视及控制功能可以是一个线卡及/或一个网络组件软件的部份来实现。这可能有助于简化较高阶的监视及控制。在一个实施例中，控制器116通常包含可程序处理器，其执行用软件编写的程序码以执行本发明所述的功能。该软件通常通过控制端口148被下载到处理器。在一些实施例中，控制器116也包含附接或是嵌入式的硬件模块，用于加速其操作。每个模块可以包含分离组件及一个或多个现场可编程门数组(Field-Programmable Gate Arrays，FPGAs)或特殊应用集成电路(Application-Specific Assembled Circuits，ASICs)中。

在其他实施例中，可以选择性地采用其它合适的信道数据速率、信道数、波长范围以及通道间隔，包括密集型光波复用(dense WDM，DWDM)或粗波分复用(coarse WDM，CWDM)。在一些实施例中，各种波长范围在1550nm左右或是1310nm左右亦可被使用。

以上的描述集中在模块100的特定组件，其对于理解本发明技术的某些特征是必要的。为了简化，对于图1的模块100未绘示且为本领域的普通技术人员是显而易知的传统组件且不影响本发明揭示的传统组件已被省略。图1中所示的配置是示例配置仅是为了解释本发明的概念而被选择。在替代其它实施例中，任何其他合适的配置也可以被使用。

参照图2，图2为本发明一实施例的系统200的方块图。系统200包含数据中心1及2分别以204及208表示，并由光联机210所连接，该光联机210通常是光纤。在一实施例中，数据中心204及208通常是分布式数据中心的两部份，其延伸超过100公里。其他实施例可包含一个分布式数据中心，并且可以延伸超过100公里以上。在一些实施例中，光联机210横过光 基础设施212，其通常是一个简单的光纤连接系统。在其他实施例中，光基础设施212包含波长多复用网络，其在10Gbps与100Gbps之间切换光学信道。

数据中心内204有三个路由器216、220、224。数据中心208包含边缘路由器228。路由器216包含有线卡232具有四个100Gbps的光学端口。在一实施例中，每个光学端口包含有CFP2封装模块。在其他实施例中，其他的封装也可以被采用。三个模块234是标准的100Gbps的短距离光学模块，通过短联机被连接至数据中心1内的路由器220与224，如图2所示。如上所述的模块100是在线卡232之内，经由联机210直接连接到数据中心208的路由器228中的模块100。以这种方式，路由器216除了是数据中心204内的本地路由器之外，模块100还将路由器216转变以构成一边缘路由器，而不需要依靠外部的波分复用系统，其用于提供长距离联机所需的功能，例如光放大以及色散补偿。

在一个实施例中，线卡232也包含处理器236，其除了在线卡232中的其他任务之外，还可以做为外部处理器用于监视并且控制模块234及100。尤其是，处理器236通过控制端口148存取模块100，就可以监视及控制作为“黑盒子”的模块100，即不需要知道黑盒子内部的组件与操作。前向错误校正电路240用来改正数据错误的模块100输出端口128的数据错误。前向错误校正电路240提供处理器236位错误率的信息。位错误率信息用于封闭式控制回路，其包含在线卡232中的前向错误校正电路240与处理器236，以及模块100中的控制器116、电子色散补偿电路126和时钟与数据恢复电路124。此封闭式控制回路的主要操作，可使得控制器116影响电子色散补偿电 路126和时钟与数据恢复电路124的参数，用于最小化前向错误校正电路240输出的误差率。在一些实施例中，电子色散补偿电路126也包含前向错误校正电路，上述的封闭式控制回路是在模块234内实现，而不需依靠前向错误校正电路240以及处理器236。

参照图3，图3为依据本发明一实施例用于实现光学收发器模块运作的方法流程图。在步骤304，掺铒光纤放大器112做为前置放大器被嵌入在模块100中，于随后的放大步骤308，掺铒光纤放大器112放大在输入端口104被接收的光输入信号，用于在长距离光联机中获得充足的光学信噪比。接着，于一转换步骤312，接收器光学子组件120将在掺铒光纤放大器之输出的放大光输入信号转换成包含十个数据信道的电信号。

在恢复步骤316，时钟与数据恢复电路124藉由回复嵌入的频率与资料，

重新整理这些接收数据信道。此步骤是与补偿步骤320一起进行。在补偿步骤320中，电子色散补偿电路126为这些接收数据信道补偿色散感应失真。于校正步骤322，前向错误校正电路240改正这些接收数据信道的错误。从步骤322到步骤320的返回路径对应于上述的封闭式控制回路，其中控制器116基于由前向错误校正电路240改正的错误率，影响电子色散补偿电路126和时钟与数据恢复电路124的参数，用于最小化在接收数据中的错误率。最后，于输出步骤324中，时钟与数据恢复电路124通过输出端口128输出重新整理的电数据信道。

在图3中所示的流程图为一示例流程图，其仅是为了解释本发明运作的概念。在替代的实施例中，任何其他合适的流程图也可以被用于说明本揭 露方法。在图2中，为了清楚起见，非必需用来理解本揭露技术的方法步骤被省略。

在图1、2与3的箭头方向代表示以上所述的信息以及信号的传输方向，虽然在相反的方向上传输也可能发生。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但该较佳实施例并非用以限制本发明，该领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。