光纤通信系统及在其内进行动态功率优化的方法与流程

1.本发明是关于一种在光纤通信系统内进行动态功率优化的方法及相关光纤通信系统，尤其是一种在光纤通信系统内依据接收端的实际输入光接收功率和预期输入功率的关系来进行动态功率优化的方法及相关光纤通信系统。


背景技术：

2.随着网络的普及，网络容量需求的急剧成长促进了光纤通信(fiber-optic communication)技术的发展。光纤通信是指一种利用光学信号与光纤来传递信息的一种有线通信方式，其具有长距离通信、高传输容量和高保密性等许多优点，已经成为当今最主要的有线通信方式。
3.光纤通信系统种类繁多，其内的零元件大致分为三大类：光纤及用光纤做成的光缆、光主动元件，以及光被动元件。在整个光纤通信系统的架构中，光学收发器(transceiver)为整合光传送器(transmitter)及光接收器(receiver)的光主动元件，发送端光学收发器可通过电光转换来将原电性信号换成光学信号加以传递。在抵达目的后再由接收端光学收发器进行光电转换，将光学信号转换回原先的电性信号以供其它电子设备应用。
4.光学收发器通常使用激光二极管(laser diode,ld)或发光二极管(light emitting diode,led)等发光元件来提供光学信号，发光元件的运作效能会影响光学收发器的电光转换效率。在高温的工业环境应用中，发光元件的光电转换效率会变差。在现有技术的应用中，光学收发器会以其规格允许的最大光传送功率来做输出，在能正常通信的前提下若能降低光学收发器的光传送功率，即可让操作电流大幅降低以减少电光转换过程中所产生的废热，进而减缓发光元件老化的速度以延长寿命。


技术实现要素：

5.为弥补现有技术的不足，本发明提供一种光纤通信系统及在其内进行动态功率优化的方法。
6.本发明提供一种在一光纤通信系统内进行动态功率优化的方法。所述光纤通信系统中一第一光学收发器以具有一初始值的一光传送功率来传递信号至所述光纤通信系统中一第二光学收发器。当实际输入所述第二光学收发器的一光接收功率的值大于所述第二光学收发器的一预期输入功率的值时，依据所述光接收功率和所述预期输入功率的值求出一功率差异值，并依据所述功率差异值来调整所述光传送功率，以使所述第一光学收发器以调整后的所述光传送功率来传递信号至所述第二光学收发器。
7.本发明还提供一种光纤通信系统，其包含一第一光学收发器、一第二光学收发器、一第一运算控制单元，以及一第二运算控制单元。所述第一光学收发器包含一第一光发射次模块(transmission optical sub-assembly,tosa)，用来以一光传送功率来传递信号；一第一光接收次模块(receiver optical sub-assembly,rosa)；以及一第一功率监控电
路，用来监控所述第一光学收发器的运作状态。所述第一运算控制单元用来依据一功率差异值来调整所述光传送功率的值。所述第二光学收发器包含一第二光发射次模块；一第二光接收次模块，用来接收所述第一光发射次模块所传递的信号；以及一第二功率监控电路，用来监控实际输入所述第二光学收发器的一光接收功率。所述第二运算控制单元用来判断所述光接收功率的值是否大于所述第二光学收发器的一预期输入功率的值；以及当判定所述光接收功率的值大于所述预期输入功率的值时，提供所述光接收功率和所述预期输入功率以求出所述功率差异值。
8.本发明的有益效果包括：本发明可动态地对传送端的光学收发器进行光传送功率优化，进而在确保正常数据的情况下降低系统功耗。
附图说明
9.图1a为本发明实施例中一种光纤通信系统的功能方块图。图1b为本发明实施例中一种光纤通信系统的功能方块图。图2为本发明实施例光纤通信系统中每一光学收发器的发送端驱动电路实作方式的示意图。图3为本发明实施例光纤通信系统中每一光学收发器的发送端驱动电路运作时相关信号波形的示意图。图4为本发明实施例光纤通信系统中每一功率监控单元所监控信息之间相关关系的示意图。图5为本发明实施例中光纤通信系统运作时的流程图。图6为本发明实施例中光纤通信系统运作时的流程图。附图标记说明如下：10、20：
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光纤30a、30b：
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发送端驱动电路40a、40b：
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接收端放大电路50a、50b：
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功率监控单元60a、60b
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运算控制单元100a、100b：
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光学收发器100、200
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光纤通信系统tosa_a、tosa_b：
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光发射次模块rosa_a、rosa_b：
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光接收次模块tr：
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差动晶体管对rb：
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平衡负载rd：
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阻尼电阻i
mod
：
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调变电流源i
bias
：
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偏压电流源l
out
：
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输出电感l
bias
：
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偏压电感v
in
：
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输入电压
chr：
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激光二极管的特性曲线txp_a：
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光传送功率rxp_b：
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光接收功率exp_b：
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预期输入功率pl：
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路径损失p
is
：
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输入灵敏度pb：
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能量预算500～580、600～680：
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步骤
具体实施方式
10.图1a为本发明实施例中一种光纤通信系统100的功能方块图。图1b为本发明实施例中一种光纤通信系统200的功能方块图。光纤通信系统100和200各包含复数个光学收发器，彼此之间可通过光纤来传输光学信号。每一光学收发器可利用光电效应来将电性信号转换成光学信号，再通过光纤传送至另一光学收发器；每一光学收发器在接收到其它光学收发器通过光纤传来的光学信号后，可利用光电效应将光学信号转换成电性信号，再由其它电子设备加以使用。为了简化说明，图1a和图1b显示了两光学收发器的实施例，然而光纤通信系统100或200中光学收发器的数量并不限定本发明的范围。
11.光纤通信系统100和200各包含一光学收发器100a、一光学收发器100b、一运算控制单元60a、一运算控制单元60b，以及两光纤10和20。光学收发器100a包含一光发射次模块(transmission optical sub-assembly)tosa_a、一光接收次模块(receiver optical sub-assembly)rosa_a、一发送端驱动电路30a、一接收端放大电路40a，以及一功率监控单元50a。光学收发器100b包含一光发射次模块tosa_b、一光接收次模块rosa_b、一发送端驱动电路30b、一接收端放大电路40b，以及一功率监控单元50b。光学收发器100a的光发射次模块tosa_a可通过光纤10来传输光学信号至光学收发器100b的光接收次模块rosa_b，而光学收发器100b的光发射次模块tosa_b可通过光纤20来传输光学信号至光学收发器100a的光接收次模块rosa_a。
12.在图1a所示的光纤通信系统100中，运算控制单元60a为设置在光学收发器100a之外的元件，而运算控制单元60b为设置在光学收发器100b之外的元件。在图1b所示的光纤通信系统200中，运算控制单元60a为整合在光学收发器100a之内的元件，而运算控制单元60b为整合在光学收发器100b之外的元件。然而，运算控制单元60a和60b的实作方式并不限定本发明的范围。
13.光发射次模块tosa_a和tosa_b各包含发光元件、检光元件和光学镜等装置，并搭配陶磁套管(ferrule)、袖管(sleeve)、壳体和晶体管外型封装(transistoroutline can,to-can)等相关机构元件(未显示于图1a和图1b中)。在光学收发器100a和100b中，光发射次模块tosa_a和tosa_b的发光元件可将电性信号转换成光学信号，再由聚焦元件导入相对应的光纤来加以传输。在本发明实施例中，光发射次模块tosa_a和tosa_b中的发光元件可为激光二极管或发光二极管，例如使用法布立-培若(fabry-perot,fp)激光二极管、分布回馈式(distributed feedback,dfb)激光二极管、垂直共振腔面射型激光(vertical-cavity surface-emitting laser,vcsel)二极管、光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,fbg)激
光二极管、砷化镓(gaas)发光二极管，或砷化镓磷(gaasp)发光二极管等元件，进而提供不同调性、工作波长、速度和输出功率的光学信号。然而，光发射次模块tosa_a和tosa_b中发光元件的种类并不限定本发明的范围。
14.光接收次模块rosa_a和rosa_b各包含光侦测元件、转阻放大器和光学镜等装置，并搭配陶磁套管、袖管、壳体和to-can等相关机构元件(未显示于图1a和1b中)。在光学收发器100a和100b中，由光纤传输的光学信号可由光学镜导入光接收次模块rosa_a和rosa_b的光侦测元件，以将光学信号转换成电性信号。在本发明实施例中，光接收次模块rosa_a和rosa_b中的光侦测元件可为pn接口光电二极管(pin photodiode)、雪崩光电二极管(avalanche photodiode,apd)或金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal, msm)光电二极管等元件。然而，光接收次模块rosa_a和rosa_b中光侦测元件的种类并不限定本发明的范围。
15.发送端驱动电路30a和30b可分别提供光发射次模块tosa_a和tosa_b中发光元件运作所需的驱动信号，而接收端放大电路40a和40b可分别放大光接收次模块rosa_a和rosa_b中光侦测元件运作所输出的信号。
16.图2为本发明实施例光纤通信系统100或200中每一光学收发器的发送端驱动电路实作方式的示意图，然而实施方式并不限定本发明的范围。每一发送端驱动电路各包含一差动晶体管对tr、一平衡负载rb、一调变电流源i
mod
、一偏压电流源i
bias
、一阻尼电阻rd、一输出电感l
out
，以及一偏压电感l
bias
，可依据输入电压v
in
来提供相对应光发射次模块中发光元件运作所需的驱动电流i
laser
，其中i
laser
＝i
bias
+i
mod
。
17.图3为本发明实施例光纤通信系统100或200中每一光学收发器的发送端驱动电路运作时相关信号波形的示意图。以光发射次模块中发光元件为激光二极管的实施例来作说明，纵轴代表光发射次模块的输出功率值，横轴代表电流值，chr代表激光二极管的特性曲线，txp代表光学收发器的光传送功率，而i
laser
代表发送端驱动电路所提供的驱动电流。当驱动电流i
laser
的值小于一临界电流i
th
时，激光二极管发出的光以自发性辐射为主，因此光传送功率txp很小。当驱动电流值i
laser
的值超过临界电流i
th
时，激光二极管开始震荡，激发辐射强度随着驱动电流i
laser
的增加而急剧增加。为了避免上述状况导致激光二极管输出逻辑0和逻辑1信号之间的时间延迟，每一发送端驱动电路可提供固定值的偏压电流i
bias
来作为逻辑0信号的驱动电流，其中偏压电流i
bias
的值大于临界电流i
th
的值，而i
laser
＝i
bias
。针对逻辑1信号的驱动电流，每一发送端驱动电路还可提供随输入信号作切换的调变电流i
mod
，而i
laser
＝i
bias
+i
mod
。
18.功率监控单元50a可监测光学收发器100a中光发射次模块tosa_a的光传送功率txp_a和光接收次模块rosa_a的光接收功率rxp_a。功率监控单元50b可监测光学收发器100b中光发射次模块tosa_b的光传送功率txp_b和光接收次模块rosa_b的光接收功率rxp_b。
19.图4为本发明实施例光纤通信系统100或200中每一功率监控单元所监控信息之间相关关系的示意图。为了说明目的，假设光学收发器100a为传送端装置，而光学收发器100b为接收端装置。当光学收发器100a中光发射次模块tosa_a以光传送功率txp_a来做输出时，实际输入到光学收发器100b中光接收次模块rosa_b的光接收功率为rxp_b。光源在光纤中传递会遇到内在损失(例如材料散射、材料吸收、波导散射等)和外在损失(例如弯曲、微弯
曲、接续损失、制造损坏等)，上述路径损失pl会使得接收端装置的接收功率低于传送端装置的传送功率，其中pl＝txp_a-rxp_b。
20.此外，光学收发器100b会针对不同厂牌的光接收次模块rosa_b而有设定相对应的输入灵敏度p
is
，而能量预算(power budget)pb则反应光学收发器100b的内部元件老化和光纤线老化所造成的能量衰减的程度，针对不同使用考虑可由用户设定或由系统自动设定p
is
和pb的值。依据输入灵敏度p
is
和能量预算pb可决定光学收发器100b的预期输入功率exp_b，其中exp_b＝p
is
+pb。如图4所示，当实际输入光学收发器100b的光接收功率rxp_b大于其预期输入功率exp_b时，多出的功率差异值δtxp会造成浪费，其中δtxp＝rxp_b-exp_b。
21.在本发明中，光学收发器100a可调整其光发射次模块tosa_a的光传送功率txp_a，以在确保在可正常通信的状况下将功率差异值δtxp降至最小。假设光学收发器100a的光传送功率txp_a的初始值为tx0，调整后的光传送功率txp_a的值为tx1，其中tx1＝tx0-δtxp+n*δp，n代表微调刻度，而δp代表每一微调刻度所对应的微调量。
22.图5为本发明实施例中光纤通信系统100或200运作时的流程图。为了说明目的，同样假设光纤通信系统100或200的光学收发器100a为发送端装置，可通过光纤10传递信号至接收端的光学收发器100b。图5所示的流程图包含下列步骤：
23.步骤500：启动功率校正程序；执行步骤510。
24.步骤510：光学收发器100a将微调刻度n的值设为0并将其光传送功率txp_a设为初始值tx0；执行步骤520。
25.步骤520：光学收发器100a通过光纤10以光传送功率txp_a来发送一功率校正请求封包至光学收发器100b；执行步骤530。
26.步骤530：光学收发器100b通过光纤20发送包含光接收功率rxp_b和预期输入功率exp_b的一功率校正回传封包至光学收发器100a；执行步骤540。
27.步骤540：光学收发器100a判断实际输入的光接收功率rxp_b是否大于预期输入功率exp_b；若是，执行步骤550；若否，执行步骤580。
28.步骤550：光学收发器100a依据光接收功率rxp_b和预期输入功率exp_b的值计算出功率差异值δtxp；执行步骤560。
29.步骤560：光学收发器100a将其光传送功率txp_a设为调整值tx1，再以调整后的光传送功率txp_a来发送一测试封包至光学收发器100b以进行验证程序，其中tx1＝tx0-δtxp+n*δp；执行步骤572。
30.步骤572：光学收发器100a判断是否从光学收发器100b接收到验证成功的信息；若是，执行步骤580；若否，执行步骤574。
31.步骤574：光学收发器100a将微调刻度n的值加1；执行步骤576。
32.步骤576：光学收发器100a判断调整值tx1是否大于一最大光传送功率值tp
max
；若是，执行步骤578；若否，执行步骤560。
33.步骤578：光学收发器100a发出一联机异常警告。
34.步骤580：结束功率校正程序。
35.当光纤通信系统100或200内出现联机事件(link-on event)时，一旦判定联机或通信不良(例如侦测到crc大增)，此时会在步骤500中重新启动功率校正程序以取得最佳的功率设定。为了说明目的，以光学收发器100a为传送端而光学收发器100b为接收端为例。
36.在步骤510中，光学收发器100a会将微调刻度n的值设为0并将其光传送功率txp_a设为初始值tx0。因此在步骤520中，光学收发器100a会以具有初始值tx0的光传送功率txp_a来发送功率校正请求封包至光学收发器100b。在一实施例中，初始值tx0可为光学收发器100a中光发射次模块tosa_a的规格所允许的最大光传送功率值tp
max
。在其它实施例中，初始值tx0可为光学收发器100a中光发射次模块tosa_a的规格所允许的任何不大于tp
max
的输出功率。然而，设定初始值tx0的方式并不限定本发明的范围。
37.在接收到光学收发器100a传来的功率校正请求封包后，光学收发器100b可得知实际输入的光接收功率rxp_b，因此在步骤530中可通过光纤20发送包含光接收功率rxp_b和预期输入功率exp_b的功率校正回传封包至光学收发器100a。
38.在步骤540中，在接收到光学收发器100b传来的功率校正回传封包后，光学收发器100a可判断光接收功率rxp_b是否大于预期输入功率exp_b。当判定光接收功率rxp_b大于其预期输入功率exp_b时，代表rxp_b和exp_b之间的差值会造成浪费。因此光学收发器100a接着会在步骤550中依据光接收功率rxp_b和预期输入功率exp_b的值计算出功率差异值δtxp，其中δtxp＝rxp_b-exp_b。当光学收发器100a在步骤540中判定光接收功率rxp_b不大于预期输入功率exp_b时，代表光学收发器100a的光传送功率txp_a可能出现异常，或光学收发器100a和光学收发器100b之间的路径损失pl过大，此时会执行步骤580以结束功率校正程序。
39.在步骤560中，光学收发器100a会将其光传送功率txp_a设为调整值tx1，再以调整后的光传送功率txp_a来发送一测试封包至光学收发器100b以进行验证程序，其中tx1＝tx0-δtxp+n*δp。在第一次执行步骤560时，微调刻度n的值为步骤中510设定的0，此时调整值tx1为初始值tx0减去光传送功率补偿值δtxp。
40.如图4所示，光学收发器100a和100b之间的可能存在有路径损失pl造成的耗能，很多因素都会影响路径损失pl的耗能值。因此光学收发器100a会在步骤572～578中进行验证程序，以确保能顺利使用具有调整值tx1的光传送功率txp_a来传送数据。
41.在步骤560，光学收发器100a会以具有调整值tx1的光传送功率txp_a发送测试封包至光学收发器100b。光学收发器100b接收到测试封包后会进行验证，并在验证成功后通知光学收发器100a。若在步骤572中能从光学收发器100b接收到验证成功的信息，接着会执行步骤580以结束功率校正程序，此时光学收发器100a会以具有调整值tx1的光传送功率txp_a来传递信号至光学收发器100b，其中tx1＝tx0-δtxp，因此可在确保数据正常传输的情况下降低能量消耗。
42.若在步骤572中光学收发器100a无法从光学收发器100b接收到验证成功的信息，此时光学收发器100a接着会在步骤574中将微调刻度n的值加1，然后执行步骤576以判断调整值tx1是否大于最大光传送功率值tp
max
。若调整后的光传送功率txp_a的值不大于最大光传送功率值tp
max
，则再次执行步骤560。
43.在第二次执行步骤560时，微调刻度n的值为1，此时调整值tx1为初始值tx0减去光传送功率补偿值δtxp再加上一个微调量δp，光学收发器100a再以最新调整后的光传送功率txp_a来发送测试封包至光学收发器100b以进行验证。一旦在步骤572中判定验证成功，光学收发器100a即可使用其值为调整值tx1(tx0-δtxp+δp)的传送功率txp_a来发送数据。
44.若在第二次执行步骤560后依旧无法验证成功，光学收发器100a会再次依序执行步骤572、574和576。当微调刻度n的值加到能使调整值tx1(tx0-δtxp+n*δp)通过步骤560的验证接着会执行步骤580以结束功率校正程序，此时光学收发器100a即可使用其值为(tx0-δtxp+n*δp)的传送功率txp_a来发送数据。在微调过程中一旦判定最新调整值tx1(tx0-δtxp+n*δp)大于最大光传送功率值tp
max
时，光学收发器100a会执行步骤578以发出联机异常警告。
45.图6为本发明另一实施例中光纤通信系统100运作时的流程图。为了说明目的，同样假设光纤通信系统100的光学收发器100a为发送端装置，可通过光纤10传递信号至接收端的光学收发器100b。
46.步骤600：启动功率校正程序；执行步骤610。
47.步骤610：光学收发器100a将微调刻度n的值设为0并将其光传送功率txp_a设为初始值tx0；执行步骤620。
48.步骤620：光学收发器100a通过光纤10以光传送功率txp_a来发送一功率校正请求封包至光学收发器100b；执行步骤630。
49.步骤630：光学收发器100b依据光接收功率rxp_b和预期输入功率exp_b的值计算出功率差异值δtxp；执行步骤640。
50.步骤640：光学收发器100b通过光纤20发送包含功率差异值δtxp的一功率校正回传封包至光学收发器100a；执行步骤650。
51.步骤650：光学收发器100a判断功率差异值δtxp是否大于0；若是，执行步骤660；若否，执行步骤680。
52.步骤660：光学收发器100a将其光传送功率txp_a设为调整值tx1，再以调整后的光传送功率txp_a来发送一测试封包至光学收发器100b以进行验证，其中tx1＝tx0-δtxp+n*δp；执行步骤672。
53.步骤672：光学收发器100a判断是否从光学收发器100b接收到验证成功的信息；若是，执行步骤680；若否，执行步骤674。
54.步骤674：光学收发器100a将微调刻度n的值加1；执行步骤676。
55.步骤676：光学收发器100a判断调整值tx1是否大于一最大光传送功率值tp
max
；若是，执行步骤678；若否，执行步骤660。
56.步骤678：光学收发器100a发出一联机异常警告。
57.步骤680：结束功率校正程序。
58.在图6所示的实施例中，步骤600～620和660～680的执行方式分别和图5所示的步骤500～520和560～580相同，在此不再赘述。图5和图6所示实施例的差别在于步骤530～550和630～650，其中图5是由接收端装置回传光接收功率rxp_b和预期输入功率exp_b，再由传送端装置来计算出功率差异值δtxp并判断功率差异值δtxp的大小；图6是由接收端装置来计算出功率差异值δtxp后回传至接收端装置，再由接收端装置判断功率差异值δtxp的大小。
59.在图6所示的实施例中，当光学收发器100b在步骤630中依据光接收功率rxp_b和预期输入功率exp_b的值计算出功率差异值δtx后，接着会在步骤640中通过光纤20将功率差异值δtxp的值传送至光学收发器100a，再由光学收发器100a在步骤650中判断功率差异
值δtx的大小。
60.综上所述，在本发明光纤通信系统中，每一接收端的光学收发器会定期地判断其实际输入的光接收功率是否大于预期输入功率，再由相对应传送端的光学收发器依据上述功率差异值来调降其光传送功率，并进行验证程序以确保调整后的光传送功率能正常传输数据。因此，本发明可动态地对传送端的光学收发器进行光传送功率优化，进而在确保正常数据的情况下降低系统功耗。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求的范围所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。