專利名稱：光波長/模式轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光波長/模式轉換器，應用于SDH光通信、WDM光通信、CDMA基站中BBU和RFU之間光數字通信等領域的光波長和模式轉換。特別適用于34Mb/s、52Mb/s、155Mb/s、622Mb/s、1250Mb/s、2500Mb/s數字光傳輸系統中的波長轉換以及信號在多模光纖和單模光纖中的轉換、線路中繼、超長距離傳輸。
背景技術：
光波長/模式轉換器主要應用于目前光纖數字通信中需要進行波長和模式轉換的地方。其主要應用有1.將已有光信號的波長轉換成需要的波長進行轉發，可以利用在波分復用系統，節約光纜資源。或者利用轉換后的波長在光纖中的低損耗特點提高傳輸距離。
2.多模光纖和單模光纖之間的轉接中的光纖匹配。可以提高系統傳輸距離。因為多模光纖的衰耗和色散都遠遠大于單模光纖。
3.接收小功率信號進行轉發，延長傳輸距離，即中繼功能。
4.在設備前采用特定接收組件轉發光信號，提高設備接收靈敏度。
目前國內外有關光波長/模式轉換的技術有申請號94118216、00801495、01137643等。以上方法都是運用純光學方法進行波長的轉換，而對于光信號在多模光纖和單模光纖中的轉換尚未涉及。并且以上的轉換方法不涉及對光信號的優化，也沒提及對光信號速率的要求。
發明內容
本發明的目的是研制一種集中波長轉換和模式轉換功能的光波長/模式轉換器。通過光電變換和電光變換完成波長和模式的轉換。這種轉換不改變光信號原先所承載的信息內容、格式、速率等，并且在一定程度上優化光載波的性能，例如消光比、抖動、邊模抑制比、譜寬等。
本發明的技術方案本發明的光波長/模式轉換器主要包括光波長轉換和模式轉換，特別是用光電變換和電光變換完成波長和模式的轉換，包括含光探測器的光接收模塊部分及含激光器的光發射模塊部分，用光電探測器將接收的λ1光信號轉換為電信號，經接收模塊中放大和整形電路放大和整形濾波后送給光發射模塊部分的激光器驅動電路，激光器驅動電路來驅動一個波長為λ2的激光器。
所述的光波長/模式轉換器，光接收模塊部分包括光探測器、具有自動增益控制AGC功能的前置放大器和可以將前置放大器輸出的差分電信號放大到一個恒定值的后置放大器，后置放大器輸出的電信號再進入時鐘提取和數據恢復電路，對接收到的信號進行整形、濾波處理，然后將這個差分電信號送入激光器驅動電路。
所述的光波長/模式轉換器，其激光器驅動電路主要包括激光器驅動偏置電流源電路和激光器調制電路，激光器調制電路將差分電信號加載到激光器上，在發射電路中將激光器的偏置電流預設到激光器閾值附近，然后調節激光器的調制電流，使出射光消光比為8.2～12dB，利用激光器的背光探測器進行自動功率控制APC，保持發射光功率穩定。
所述激光器驅動電路還包括制冷電路，波長調整主要是利用對集成了制冷器的激光器管芯溫度的精確控制來實現波長在一定范圍內的微調整。
所述的光波長/模式轉換器，其激光器關斷主要是利用一個電控單刀單擲開關，當電控信號為低電平時開關導通，調制電流和偏置電流可以通過開關到達激光器，當電控信號為高電平時，開關關閉，調制電流和偏置電流不能通過開關到達激光器，從而關斷激光器。
所述的激光器驅動電路還包括激光器擾動電路RO，激光器擾動電路RO是在激光器的驅動信號上迭加了一個頻率為5K-20K，頻偏為100M-1GHz的低頻擾動信號來展寬光譜，以降低非線性效應的影響。
所述的光波長/模式轉換器，其電路結構采用全差分電平設計，信號電平采用差分ECL電平，提高轉換器的共模抑制比。
所述的光波長/模式轉換器，其接收電路的電輸出和發射電路的電輸入之間采用直流耦合方式，信號線的阻抗匹配到50Ω，信號線共模電壓為3～3.5V。
所述的光波長/模式轉換器，其轉換器主電路板采用多層電路板結構，高頻阻抗線按照50Ω微帶線設計。
本發明的優點是1.可以同時進行波長轉換和模式轉換，這里的模式轉換包括可以將光信號在多模光纖和單模光纖之間進行轉換以及光載波在VCSEL、LED、多縱模和單縱模之間轉換。
2.波長轉換范圍廣，輸入波長與輸出波長之間沒有特定的相關關系。輸入波長可以是從750nm-1700nm中的任何波長，輸出波長理論上也可以是這個范圍內的任意波長，但是考慮到目前光纖通信所采用的波長有限，輸出波長主要有850nm、1300nm、1310nm、1550nm、DWDM規定的波長、CWDM規定的波長。
3.主要是用于光纖數字通信中的波長/模式轉換。數字通信速率為2Mb/s-2.5Gb/s。對于數字信號的碼型是透明的，即不論是何種碼型，只要工作速率在規定的范圍內，就可以進行波長/模式轉換，并且不改變數字信號的內容，包括楨結構、開銷、編碼等。
4.在進行波長/模式轉換的同時，本轉換器還可以對光信號進行優化，例如改善信號的抖動性能、消光比、光譜特性(譜寬、邊模抑制比等)等。
5.本轉換器相對純光學轉換裝置的另一個優點是可以提供豐富的輔助功能和監控功能。例如波長微調整、激光器關端、無光告警、偏置電流監測、調制電流監測、擾動預啁啾、眼保護等。
6.成本較低。
圖1是本發明轉換器的原理框圖；圖2是光電探測器和前置放大器電路原理圖；圖3是后置放大器電路原理圖；圖4是時鐘提取和數據恢復電路原理圖；圖5是激光器驅動電路原理圖；圖6是本發明在多模光纖與單模光纖之間光信號轉換的應用框圖；圖7是本發明的波長轉換應用框圖；圖8是本發明在超長距離傳輸的應用框圖。
具體實施例方式
本波長/模式轉換器的工作原理是基于光電變換和電光變換。光通信中光只是載波，它的波長、模式不應影響其承載的信號。正是基于這個原理，我們通過光電探測器將光信號轉變為電信號，這個電信號所承載的信息與光信號所承載的信息一樣，然后用這個電信號驅動一個激光器，其波長、模式等參數可以與先前的光信號不同，這樣便將信息從一個光載波轉換到另一個光載波上。
如圖1所示主要的工作原理是光-電-光變換，即把波長為λ1的多模光經過光電探測器轉換成電信號，這個電信號經過前置放大器放大后進入后置放大器，前置放大器具有自動增益控制(AGC)功能，可以根據信號幅度的大小自動調整放大倍數。后置放大器又稱為限制放大器，它的放大倍數有一個限制，可以將前置放大器輸出的差分電信號放大到一個恒定的值。后置放大器輸出的電信號再進入時鐘提取和數據恢復的電路，對接收到的信號進行整形、濾波等處理，此時這個電信號所承載的信息與先前λ1光信號所承載的信息完全相同。然后將這個差分電信號送入激光器驅動電路來驅動一個波長為λ2的激光器，激光器驅動電路包括自動功率控制電路(APC)，根據需要還可以配備制冷電路。這樣當所選用的激光器的譜寬很窄時或比輸入光的光譜窄很多時，就可以在轉換器輸出端得到一個波長為λ2，適于在單模光纖中傳輸的光信號，可以同時完成波長/光纖模式的轉換。其中波長轉換包括850nm轉1310nm、850nm轉1550nm、1310nm轉850nm、1550nm轉850nm、1310nm轉1550nm、1550nm轉1310nm、850nm轉ITUT-G.692規定波長、1310nm轉ITUT-G.692規定波長、各種波長轉換到CWDM規定的波長。單模多模轉換包括將光信號在多模光纖和單模光纖中的互換以及將光信號從多縱模轉換到單縱模。
圖2是光電探測器和前置放大器的原理圖，首先光電探測器T將接收到的光信號(假設波長為λ1，模式為多模光信號)轉換為電信號，這樣就將原來在多模光纖中由波長為λ1所攜帶的信息變換為由電信號作為信息的載波，而其所攜帶的信息與多模光纖中由波長為λ1的光所攜帶的信息一樣。這個電信號進一步進入前置放大電路。它采用集成電路，如MC2010。在圖2中MC2010有一個高增益的單端CMOS放大器，它的增益是可變的，這種增益的變化是由輸入光的大小決定的，前置放大器可以檢測光電探測器輸出電流的大小，根據電流的大小自動調整壓控電阻的阻值，這樣便可以實現自動增益控制功能。前置放大器的差分輸出直接接至圖3所示的后置放大器的差分輸入端。
圖3是后置放大器的電路原理圖。后置放大電路采用集成電路，如MC2046，是由限放電路、ECL電平緩沖電路、電平檢測電路、門限設置電路、自動調零電路等組成。由前置放大器過來的電信號經過限幅放大電路的進一步放大后進入ECL緩沖器后輸出。限幅放大器的作用是將前置放大器輸入的微小差分電信號放大到一個幅度恒定的差分信號。由前置放大器過來的電信號同時經過峰值檢測電路，當檢測到的峰值電平小于門限設置電路設置的值時在引腳ST和/ST上輸出報警信號。另外當我們在引腳Cazp、Cazn之間連接一個10nf的電容時可以起到自動調零的功能，也即當沒有信號輸入時，自動消除信號通道上的偏置電壓，使比較器保持在平衡點。后置放大器的輸出信號直接進入時鐘提取和數據恢復電路。
圖4是時鐘提取和數據恢復電路。它的主要作用是從接收到的信號中提取出時鐘信號，然后用這個提取的時鐘重新定時數據信號。起到一個信號整形、濾波和再生恢復的功能。時鐘提取和數據恢復電路采用集成電路，如MAX3876。在這一部分電路中有一個壓控振蕩器和鎖相環電路，這部分電路的作用是根據相位/頻率檢測電路的輸出調整壓控振蕩器的頻率，最終壓控振蕩器的輸出時鐘頻率與輸入信號的實際頻率一致，然后用這個壓控振蕩器的輸出頻率作為觸發器的時鐘觸發輸入重新定時數據以達到數據的再生。這部分電路輸出的差分數據信號和時鐘信號直接進入框圖四的激光器驅動電路的數據和時鐘輸入端。
圖5是激光器驅動電路框圖。激光器驅動電路采用集成電路，如MAX3869。其中包括了激光器驅動偏置電流源電路、激光器調制電路、自動功率控制電路、激光器擾動電路R、和調制電流、偏置電流檢測電路。其中激光器驅動偏置電流源電路、激光器調制電路主要是將差分電信號加載到激光器上，驅動激光器發光(假設這個激光器發出的光波長為λ2，光為單縱模)，這樣原來在多模光纖中由波長為λ1的光載波所承載的信息就轉到了單模光纖中由波長為λ2的光載波上。實現了光波長/模式的轉換。自動功率控制電路要用到激光器的背光探測器，根據背光探測器檢測到的光信號大小，以負反饋的形式調節激光器的驅動電流，實現激光器出光功率的穩定。調制電流、偏置電流檢測電路可以提供激光器的實時調制電流和偏置電流信息，便于對系統進行管理和監控。擾動電路是可選擇的。它的作用是當激光器的譜寬很窄時，同時激光器的入纖功率很高時，此時的能量非常集中(能量譜密度很高)，容易超過光纖的布里淵散射功率閾值，影響信號傳輸質量。擾動電路的作用就是稍微展寬一點光譜寬度，使能量不是非常集中以減小非線性效應的影響。
根據目前的實際應用方式，我們的技術方案有以下幾個重點1.為了提高轉換器的整體性能，我們在電路結構上采用全差分架構，信號電平采用差分ECL電平，提高轉換器的共模抑制比。
2.轉換器主電路板采用多層電路電路板結構，高頻阻抗線按照50Ω微帶線設計，減少因為阻抗不匹配而帶來的信號畸變。
3.在發射電路中將激光器的偏置電流預設到激光器閾值附近，然后調節激光器的調制電流，使出射光具有一個合適的消光比，約為10dB。利用激光器的背光探測器進行自動功率控制(APC)，保持發射光功率穩定。
4.在接收模塊中除了光電轉換器外(PIN型探測器或APD型探測器)，還要有前置放大和限放，將轉換后的電信號放大到一個合適的范圍，根據用戶需求還可以加上時鐘提取電路對數據進行再生。
5.在接收電路的電輸出和發射電路的電輸入之間采用直流耦合方式，電路板走線時要注意信號線的阻抗匹配，阻抗匹配到50Ω。同對信號線兩端在無內部偏置時要加外部偏置，使信號線共模電壓為3.3V左右。
6.為了便于通信系統的管理，可以在激光器偏置電流和調制電流通路上設置采樣電阻，并通過放大電路放大后輸出來檢測偏置電流和調制電流。另外還可以根據用戶要求提供多種輔助功能，例如激光器關斷、眼保護、波長調整、擾動預啁啾等。
7.激光器關斷主要是利用一個電控單刀單至開關，其特點是當電控信號為低電平時開關導通，調制電流和偏置電流可以通過開關到達激光器。當電控信號為高電平時，開關關閉，調制電流和偏置電流不能通過開關到達激光器，從而關斷激光器。
8.眼保護主要利用接收電路的無光告警信號作為上述電控開關的電控信號(也可以通過外部引腳人為引入關端信號)，當沒有光或光很小時，無光告警電路輸出一個高電平，關斷激光器，避免在轉換器不工作時激光器傷人眼。
9.波長調整主要是利用對集成了制冷器的激光器管芯溫度的精確控制，實現波長在一定范圍內的微調整。
10.擾動預啁啾主要是當我們采用光譜很窄的激光器時，由于其譜寬窄，能量譜密度非常高，容易產生非線性效應。我們在激光器的驅動信號上迭加了一個頻率為5K-20K，頻偏為100M--1GHz的低頻擾動信號來展寬光譜。以降低非線性效應的影響。
權利要求
1.一種光波長/模式轉換器，主要包括光波長轉換和模式轉換，其特征是用光電變換和電光變換完成波長和模式的轉換，包括含探測器的接收模塊部分及含光器的發射模塊部分，用光電探測器將接收的λ1光信號轉換為電信號經光接收模塊放大和整形濾波送給光發射模塊部分的激光器驅動電路，激光器驅動電路來驅動一個波長為λ2的激光器。
2.根據權利要求1所述的光波長/模式轉換器，其特征是光接收模塊部分包括具有自動增益控制AGC功能的前置放大器和可以將前置放大器輸出的差分電信號放大到一個恒定值的后置放大器，后置放大器輸出的電信號再進入時鐘提取和數據恢復電路，對接收到的信號進行整形、濾波處理，然后將這個差分電信號送入激光器驅動電路。
3.根據權利要求1或2所述的光波長/模式轉換器，其特征是激光器驅動電路主要包括激光器驅動偏置電流源電路和激光器調制電路，激光器調制電路將差分電信號加載到激光器上，在發射電路中將激光器的偏置電流預設到激光器閾值附近，然后調節激光器的調制電流，使出射光消光比為8.2～12dB，利用激光器的背光探測器進行自動功率控制APC，保持發射光功率穩定。
4.根據權利要求3所述的光波長/模式轉換器，其特征是激光器驅動電路還包括制冷電路，波長調整主要是利用對集成了制冷器的激光器管芯溫度的精確控制來實現波長在一定范圍內的微調整。
5.根據權利要求3所述的光波長/模式轉換器，其特征是激光器關斷主要是利用一個電控單刀單置開關，當電控信號為低電平時開關導通，調制電流和偏置電流可以通過開關到達激光器，當電控信號為高電平時，開關關閉，調制電流和偏置電流不能通過開關到達激光器，從而關斷激光器。
6.根據權利要求3所述的光波長/模式轉換器，其特征激光器驅動電路還包括激光器擾動電路RO，激光器擾動電路RO是在激光器的驅動信號上迭加了一個頻率為5K-20K，頻偏為100M-1GHz的低頻擾動信號來展寬光譜，以降低非線性效應的影響。
7.根據權利要求1或2所述的光波長/模式轉換器，其特征是電路結構采用全差分電平設計，信號電平采用差分ECL電平，提高轉換器的共模抑制比。
8.根據權利要求7所述的光波長/模式轉換器，其特征是接收電路的電輸出和發射電路的電輸入之間采用直流耦合方式，信號線的阻抗匹配到50Ω，信號線共模電壓為3～3.5V。
9.根據權利要求1或2所述的光波長/模式轉換器，其特征是轉換器主電路板采用多層電路板結構，高頻阻抗線按照50Ω微帶線設計。
全文摘要
本發明的光波長/模式轉換器主要包括探測器和光接收模塊部分光發射模塊部分和激光器，用光電探測器將接收到的λ1光信號轉換為電信號經放大器和整形濾波電路送給激光器驅動電路，激光器驅動電路來驅動一個波長為λ2的激光器。其放大器包括具有自動增益控制AGC功能的前置放大器和可以將前置放大器輸出的差分電信號放大到一個恒定值的后置放大器，后置放大器輸出的電信號再進入時鐘提取和數據恢復電路，對接收到的信號進行整形、濾波處理，然后將這個差分電信號送入激光器驅動電路。這種轉換器不改變光信號原先所承載的信息內容、格式、速率等，并在一定程度上優化光載波的性能。
文檔編號H04B10/12GK1426180SQ02147828
公開日2003年6月25日 申請日期2002年12月12日 優先權日2002年12月12日
發明者張靖, 張翠紅 申請人:武漢光迅科技有限責任公司