專利名稱：用于平行光連接的控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及平行光連接，特別是用于平行光連接的控制電路。
不同于以串聯(lián)形式傳輸信號的通常單個激光(串聯(lián))傳輸鏈，一種平行光連接系統(tǒng)以平行形式傳輸信號。在傳輸器的運行中，數(shù)據(jù)信號以平行形式被輸入到信號處理和激光驅(qū)動電路。然后該電路控制數(shù)據(jù)信號的激光光輻射的發(fā)射。在接收器中，光信號經(jīng)由光檢測器和信號處理電路轉(zhuǎn)換回電數(shù)據(jù)信號。對于本發(fā)明的平行光連接系統(tǒng)，若干構(gòu)成整體的垂直共振腔表面發(fā)射激光器(VCSELs)被用于從發(fā)射器進行信號發(fā)射。
盡管該具有VCSELs的平行光連接系統(tǒng)同通常的單個或串聯(lián)傳輸鍵相比較在達到較高的數(shù)據(jù)傳輸速度方面獲得成功，但它在平行信號處理的本質(zhì)方面會產(chǎn)生某些性能控制及可靠性等的難題。
一個主要問題源于VCSEL的性能，由于環(huán)境條件的變化，例如溫度變化，VCSELs的老化特性或在激光驅(qū)動電路中的電路特性的漂移而導致VCSELs的輸出光功率的波動。在通常的單個或串聯(lián)傳輸鏈中，從激光器的數(shù)據(jù)輸出被編碼成平衡dc，該dc平衡技術(shù)允許一個去在該激光器的一個面上設(shè)置一光檢測器監(jiān)視器，即不用耦合到該光纖維中。該光檢測器從激光器發(fā)射的激光中接收一適當?shù)牟糠?，并傳遞一反饋信號給激光驅(qū)動電路以校正該激光器輸出光功率的波動。然而，該方法對于平行光連接系統(tǒng)來說是不夠的并有些麻煩。對每個和VCSELs的每一個，它都需要一光檢測器和一反饋電路。另外，該dc平衡技術(shù)不適用于如在當前平行光連接系統(tǒng)中使用的非編碼dc信號。
最近，發(fā)明人開發(fā)了一種新方法，將監(jiān)視光檢測器集成到VCSELs中以便在平行光連接系統(tǒng)中對激光器輸出光功率提供調(diào)節(jié)，看專利申請?zhí)枮?8/217,531的美國專利，可結(jié)合這里的文章參看其全文作為參考。然而，對于激光器輸出光功率波動的監(jiān)視器及自動補償?shù)姆椒ê驮O(shè)備仍然是極為需要的，以可靠地利用平行光連接系統(tǒng)。
而且，在發(fā)射器中的激光器光功率的波動影響在接收器中數(shù)據(jù)信號的恢復，這樣，不管是任何信號的波動也存在著適當恢復數(shù)據(jù)信號的需要。
另一類問題來自平行處理的本質(zhì)。不同于使用ac耦合接收器的通常的單個(串聯(lián))傳輸鏈，每個都有一時鐘恢復電路，而平行光連接系統(tǒng)具有斜交，即在一組平行連接中的信號不能同時到達接收器。時鐘信號在平行的分別的線上隨同數(shù)據(jù)被平行傳輸。斜交可能由相同的因素引起，該因素導致VCSELs的輸出光功率的波動。例如，由于在平行光連接系統(tǒng)中被傳輸?shù)男盘栁淳幋a和沒有dc平衡，在傳輸期間某些VCSELs比其它傳輸更多的高電平(1電平)信號。這幾乎就確保了這些VCSELs在運行期間具有較高的溫度。該溫差對VCSELs陣列的一端到另一端可能極為明顯，這個激光器基片的溫差恰是斜交問題的來源。
在平行光連接系統(tǒng)中，微弱的時鐘信號可能是另一個斜交源。因為時鐘信號隨同數(shù)據(jù)被傳輸，這個時鐘信號被用于提取數(shù)據(jù)信號，如果在時鐘轉(zhuǎn)換時間內(nèi)該精確的位置不能確定，這也就產(chǎn)生了類似的斜交。
在傳輸期間因為斜交能引起數(shù)據(jù)信號的嚴重失真，這樣也就抵消了使用平行系統(tǒng)的優(yōu)點，對于平行光連接系統(tǒng)來說哪怕有極少的斜交也是很關(guān)鍵的。
從而本發(fā)明的一個目的是對監(jiān)視器提供簡單有效的電子電路，以便對由于在發(fā)射器中基片溫度的變化和老化特征導致的激光輸出光功率波動而在發(fā)射器和接收器中進行監(jiān)視和自動補償，并在該平行光連接系統(tǒng)的接收器中恢復數(shù)據(jù)信號。
本發(fā)明的另一個目的是監(jiān)視該垂直共振腔表面發(fā)射激光器(VCSELs)中的一個輸出并使用該輸出去控制在該陣列中的其它VCSELs的輸出。
本發(fā)明還有另一個目的是在平行數(shù)據(jù)信號傳輸中降低或避免斜交。
本發(fā)明的平行光連接系統(tǒng)包括一光發(fā)射器，一光接收器，和由光纖維構(gòu)成的光連接器。該光發(fā)射器經(jīng)由大量光纖維發(fā)射大量dcNon-Return-to-Zero(NRZ)數(shù)據(jù)信號和至少一個時鐘信號到光接收器。
在本發(fā)明的一個實施例中，光發(fā)射器包括大量集成在一起的垂直共振腔表面發(fā)射激光器(VCSELs)和其中的激光驅(qū)動電路和用于高電平激光輸出功率的一激光器驅(qū)動穩(wěn)流器。每個激光驅(qū)動電路都有一信號輸入端和一控制端。該激光驅(qū)動穩(wěn)流器包括一VCSELs，對此的激光驅(qū)動電路，一光檢測器，和一激光驅(qū)動電流補償器電路。
用在激光驅(qū)動穩(wěn)流器中的VCSELs被集成在利用相同處理過程的其它VCSELs的相同基片上并被選定鄰接于用于時鐘信號傳輸?shù)脑揤CSEL。該驅(qū)動電流補償器，經(jīng)由光檢測器高電平激光輸出監(jiān)視它的VCSEL的功率波動并給VCSEL驅(qū)動電路的每一個的控制端提供反饋控制信號，以對高電平激光功率波動進行自動補償。
在本發(fā)明的另一實施例中，激光驅(qū)動穩(wěn)流器包括一高電平激光驅(qū)動電流監(jiān)視器，一低電平激光驅(qū)動電流監(jiān)視器，和一激光驅(qū)動電平校正器。該高電平激光驅(qū)動電流監(jiān)視器和該低電平激光驅(qū)動電流監(jiān)視器的每一個包括一VCSEL，和其中的一激光驅(qū)動電路，一光檢測器，和一驅(qū)動電流檢測器。該激光驅(qū)動穩(wěn)流器監(jiān)視器監(jiān)視高電平和低電平激光輸出功率波動這兩方面并反饋控制信號給每個VCSEL驅(qū)動電路，對功率波動進行補償。
在本發(fā)明的另一實施例中，響應大量dc NRZ數(shù)據(jù)和一獨立時鐘信號的光接收器包括大量信號接收器和多級信號放大器和一時鐘信號光電流均衡器。
該時鐘光電流均衡器恢復該時鐘信號并根據(jù)被恢復的時鐘信號產(chǎn)生基準電流，進而，該信號接收器恢復利用基準電流電平的數(shù)據(jù)信號。最后，該被恢復的數(shù)據(jù)信號在從接收器輸出之前利用多級信號放大器進行放大。
進一步依據(jù)本發(fā)明，利用用于時鐘信號傳輸?shù)亩皇菙?shù)據(jù)信號的更精確的定時VCSEL，利用用于時鐘信號傳輸?shù)闹辽賰蓚€VCSELs和利用數(shù)據(jù)VCSELs中的交替的時鐘VCSELs可以降低或避免時鐘斜交。
本發(fā)明的其它目的和特點，通過以下最佳實施例的詳細描述將會更為明顯。
以下介紹本發(fā)明的有關(guān)附圖

圖1是平行光連接系統(tǒng)的第一最佳實施例的光發(fā)射器的方框圖；圖2是平行光連接系統(tǒng)的第二最佳實施例的光發(fā)射器的方框圖；圖3是上述實施例的在光發(fā)射器中使用的共陰極VCSEL驅(qū)動電路的最佳電路結(jié)構(gòu)；圖4是平行光連接系統(tǒng)的第三最佳實施例的光接收器的方框圖；圖5是圖4實施例中的光接收器中使用的高增益互跨阻抗放大器的電路圖；圖6是圖4實施例的光接收器中使用的后放大器/限制器的電路圖；圖7是圖4實施例中的光接收器使用的CMOS輸出放大器的電路。
本發(fā)明的平行光連接系統(tǒng)包括一光發(fā)射器，一光接收器，和一光連接器。在頭兩個實施例中的平行光連接系統(tǒng)的發(fā)射器中執(zhí)行Non-Return-to-Zero(NRZ)數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。在這些實施例中的電子電路不僅能夠監(jiān)視由于激光器基片溫度變化和激光器老化特性而引起的垂直共振腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的輸出光功率的波動，而且能夠?qū)τ捎谏鲜鲇绊懚鴮е碌腣CSEL輸出功率進行自動補償。該第三最佳實施例在接收器中被執(zhí)行相同的功能。
圖1是在平行光連接系統(tǒng)的發(fā)射器中實現(xiàn)的本發(fā)明第一實施例的方框圖。在該實施例中假設(shè)低電平激光驅(qū)動電流非常接近于光激發(fā)射的閾值，也就是不需要補償，它僅需要對較高電平激光輸出功率中的波動進行補償。該光發(fā)射器包括一信號傳輸發(fā)生器100和一用于高電平激光輸出功率的激光驅(qū)動穩(wěn)流器150。該信號傳輸發(fā)生器經(jīng)由大量光連接器的光纖維傳輸NRZ數(shù)據(jù)和時鐘信號到光接收器(未示出)。信號傳輸發(fā)生器100包括大量的集成在一起的VCSELs110，每一個都由一激光驅(qū)動電路120驅(qū)動。最好是，激光驅(qū)動電路一個接一個地連接到VCSELs110。每個激光驅(qū)動電路都有一信號輸入端121和一控制端122。激光驅(qū)動穩(wěn)流器150包括一VCSELs160，一激光驅(qū)動電路170，一光檢測器180，和一激光驅(qū)動電流補償器190。激光器160利用構(gòu)成VCSELs110的相同加工過程集成在VCSELs110的同一基片上并具有相同的尺寸。激光驅(qū)動電路170和激光驅(qū)動電路120是一樣的并具有一信號輸入端121和一控制端122。激光驅(qū)動電流補償器190具有一輸入端191和一輸出端192，該輸出端被連接到每個激光驅(qū)動電路的控制端122，和輸入端191被連接到光檢測器180。
在同一基片上的相鄰VCSELs可以制造成一致的并在L-I和I-V特性方面相互間會有極好的匹配，此外，相鄰的VCSELs經(jīng)歷著相同的熱過程并具有相同的基片溫度變化，這樣，一種優(yōu)點是能根據(jù)對相鄰VCSEL的監(jiān)視來確一VCSEL的運行特性，最好是，激光驅(qū)動穩(wěn)流器的VCSEL160被送在相鄰于用于時鐘信號傳輸?shù)腣CSEL，以便穩(wěn)流器150精確地監(jiān)視時鐘信號VCSEL的運行。
在圖1實施例中，50％的占空時鐘信號是雙工的并用于驅(qū)動在發(fā)射器中兩個相鄰的VCSELs，一個VCSEL110用于隨同dc NRZ數(shù)據(jù)發(fā)射時鐘信號到光連接器的光纖維；另一個VCSEL、激光器160用于在激光驅(qū)動穩(wěn)流器中調(diào)制一激光束，以便于它能攜帶一相等的時鐘信號。來自激光器160的光束輻射光檢測器180，該光檢測器180將光時鐘信號轉(zhuǎn)換成電時鐘信號，并將電時鐘信號送到激光驅(qū)動電流補償器。該電流補償器監(jiān)視對應于高電平激光輸出光功率的電流。如果高電平激光輸出光功率維持在足夠用于可靠發(fā)射的電平上，該驅(qū)動電流補償器不干予。然而，當高電平激光輸出光功率降落到用于最佳運行所必須的電平之下時，不管是由激光器基片溫度變化引起的還是由VCSEL的老化特性引起的，該激光驅(qū)動電流補償器190檢測電流幅度并對每個激光驅(qū)動電路120提供一反饋，以便對在激光輸出光功率中的波動進行補償。其結(jié)果是，不管該激光器的任何環(huán)境變化和/或老化特性，該dc NRZ數(shù)據(jù)和時鐘信號的高電平激光輸出功率被維持在最佳運行范圍。在最佳功率范圍的發(fā)射器的選擇簡化了接收器的復雜性、大小和功率耗散。
本發(fā)明的第二實施例詳述了由于VCSELs的激光器基片溫度變化和/或老化特性而對高電平和低電平激光輸出功率這兩方面的自動調(diào)節(jié)。電子電路動態(tài)地確定該激光驅(qū)動電流電平是否必須被調(diào)節(jié)以便在最佳偏置點保持VCSELs對信號的傳輸，這樣對數(shù)據(jù)就有了低誤差位率。
如圖2所示，響應于大量dc NRZ數(shù)據(jù)和一獨立時鐘信號的光發(fā)射器包括一信號傳輸發(fā)生器200和用于高電平和低電平輸出功率這兩方面的激光驅(qū)動穩(wěn)流器250。該信號傳輸發(fā)生器用于傳輸dcNRZ數(shù)據(jù)和時鐘信號到光連接器的大量光纖維。信號傳輸發(fā)生器200包括集成在一起的大量VCSELs210，每一個都由一激光驅(qū)動電路220來驅(qū)動。最好激光驅(qū)動電路220在一個對著一個的軸基礎(chǔ)上被連接到VCSELs210。每個激光驅(qū)動電路220具有一信號輸入端221和兩個控制端222，223?？刂贫?22被用于控制激光驅(qū)動電路220的低電平輸出，控制端223被用于控制高電平輸出。激光驅(qū)動穩(wěn)流器250包括一低電平激光驅(qū)動電流監(jiān)視器260，一高電平激光驅(qū)動電流監(jiān)視器280，和一激光驅(qū)動電平校正器290。每個高電平激光驅(qū)動電流監(jiān)視器280和低電平激光驅(qū)動電流監(jiān)視器260分別包括一VCSEL262，282，一激光驅(qū)動電路264，284，一光檢測器266，286，和一激光驅(qū)動電流檢測器268，288。激光驅(qū)動電路264具有一信號輸入端221和一低電平控制端222，和驅(qū)動電路284具有一信號輸入端221和一高電平控制端223。
激光驅(qū)動電平校正器具有兩個輸入端和兩個輸出端。輸入端分別被連接到高電平和低電平激光驅(qū)動電流監(jiān)視器的激光驅(qū)動電流檢測器；和輸出端被連接到每個激光驅(qū)動電流的高電平和低電平控制端。
激光器262和282利用相同的加工處理被集成在激光器210的同一基片上一起構(gòu)成激光器210，它們都具有相同的尺寸。最好是，激光器262和282被選定在相鄰并熱耦合用于時鐘信號傳輸?shù)腣CSEL，這樣，它們就會經(jīng)受相同的熱過程并具有相同的老化特性。
在圖2的實施例中，50％的占空時鐘信號被復制并被傳送到該發(fā)射器的三個相鄰VCSELs。第一VCSEL被用于隨同dc NRZ數(shù)據(jù)傳輸時鐘信號到光纖維；第二VCSEL被用在高電平激光驅(qū)動電流監(jiān)視器并由高電平(即1電平)時鐘信號連續(xù)驅(qū)動；和第三VCSELs被用在低電平激光驅(qū)動電流監(jiān)視器并由低電平(即0電平)時鐘信號連續(xù)驅(qū)動。
對高電平激光輸出功率波動的監(jiān)視和自動補償類似于第一實施例的情況。在低電平激光輸出功率監(jiān)視和自動調(diào)節(jié)中，來自VCSEL262的激光束輻射光檢測器266，光檢測器266對應于時鐘低信號產(chǎn)生一電流信號，該電流信號被送到低電平驅(qū)動電流監(jiān)視器260。
激光驅(qū)動電平校正器290連續(xù)檢查高電平和低電平時鐘信號這二者的電流幅度并動態(tài)地確定該激光驅(qū)動電流電平是否必須要調(diào)節(jié)以保持該VCSELs210是在最佳偏置點傳輸信號。其結(jié)果是，dcNRZ數(shù)據(jù)和時鐘信號的高電平激光輸出功率被維持在最佳運行范圍，而低電平激光輸出功率被確定在光激射閾值電平。該實施例能使光發(fā)射器的運行避免激光器的任何環(huán)境變化和/或老化特性的影響，這樣，對數(shù)據(jù)來說就有了低誤差位率。
圖3描述了第一和第二實施例中用在光發(fā)射器中的共陰極VCSEL驅(qū)動電路的最佳電路配置。該VCSEL驅(qū)動電路包括一高電平激光電流供應器300，一低電平激光電流供應器350，和一輸入—輸出控制電路330。該被傳輸?shù)男盘柋凰偷綀D3節(jié)點311處的驅(qū)動電路和被送到VCSEL的輸出端312。該電路進一步包括4個電流鏡晶體管301，302；晶體管304，306；晶體管307，308；和晶體管309，310。在該最佳實施例中，兩個晶體管301和302放大常數(shù)為60；兩個晶體管304和307放大常數(shù)為240；晶體管306放大常數(shù)為480；晶體管308放大常數(shù)為120；和兩個晶體管309和310放大常數(shù)為24。
VCSEL驅(qū)動電路的運行原理如下述。在輸入輸出控制電路330中，當輸入信號在節(jié)點311是低電平時，晶體管303開路，即非導通或關(guān)斷，和晶體管305關(guān)閉，即導通或接通。其結(jié)果是，電流不能通過晶體管303從高電平激光電流供應器流動。在低電平激光電流供應器350中，一外部電阻R1提供一電流I1到構(gòu)成晶體管310和309的一通導芯片鏡象電路(on-chip mirror Circuit)。該電流I1被進一步鏡象到輸出端312，該輸出端312通過構(gòu)成晶體管307和308的另一鏡象電路到該共陰極VCSEL。從而，具有2I1輻度的激光驅(qū)動電流被輸出到用于低電平信號傳輸?shù)腣CSEL。在這里有分別從鏡象電路310和309和鏡象電路307和308的放大常數(shù)率的積的兩個因數(shù)。
當輸入信號在節(jié)點311是高電平時，在輸入輸出控制電路330中的晶體管303被關(guān)閉。在激光高電平電流供應器330中，一外部電阻Rh提供一電流Ih到構(gòu)成晶體管301和302的導通芯片鏡象電路。該電流Ih通過晶體管303被進一步鏡象到輸出端經(jīng)由構(gòu)成晶體管304和306的另一鏡象電路到共陰極VCSEL?；谏鲜鲱愃圃慝@得兩個因數(shù)。與此同時，來自低電平激光電流供應器350的電流2I1仍然提供給VCSEL。因而，對應于幅度等于2Ih和2I1之和的高輸入信號的激光驅(qū)動電流被輸出到VCSEL，用于高電平信號傳輸。
本發(fā)明第三實施例指明了用于建立動態(tài)閾值的方法和設(shè)備，以便于在接收器中恰當恢復dc耦合NRZ數(shù)據(jù)而不管傳輸衰減。
參考圖4，響應于大量dc NRZ數(shù)據(jù)和一獨立時鐘信號的一光接收器包括一信號接收器400，一多級信號放大器440和一時鐘光電流均衡器470。該信號接收器包括大量信道信號接收器430，對每個光連接器的纖維的一個進行指明；和放大器包括類似大量數(shù)目的通道放大器450。
每個信道信號接收器同樣都包括一光檢測器431，一P型金屬氧化物半導體晶體管(PMOS)432，和由晶體管433和434構(gòu)成的一N型場效應晶體管(NFET)鏡象電路。
每個多級信道信號放大器450同樣都包括一互阻抗放大器455，一后放大器/限制器460和一CMOS輸出放大器465。這三個放大器相互同樣的排列形式串聯(lián)連接?；プ杩狗糯笃鞅贿B接到光檢測器431和圖4所示每個信號接收器中的NFET鏡象電路晶體管中的一個之間的節(jié)點上。
時鐘光電流均衡器470被用于恢復該時鐘信號和產(chǎn)生一電流基準電平。它包括一光檢測器471，一電容器473和兩個鏡象電路，該鏡象電路是由兩個晶體管475和477構(gòu)成的一PMOS鏡象電路和由兩個晶體管479和481構(gòu)成的一NFET鏡象電路。電容器473被連接在正電壓和光電流均衡器470的晶體管475和477的柵極之間。光電流均衡器470的輸出送到信道信號放大器450；另一輸出被送到在每個信道信號接收器430的晶體管432的柵極。
用于建立動態(tài)閾值以便在接收器中恢復dc NRZ數(shù)據(jù)和時鐘信號的電子電路的工作原理如下所述。當光檢測器471由于被攜帶有時鐘信號的光輻射所照射時，光檢測器471產(chǎn)生一光電流。該時鐘信號光電流然后由電容器473均衡，均衡光電流通過時鐘光電流均衡器的兩個鏡象電路被兩倍鏡象并返回到節(jié)點485，和用作為一基準電流電平并輸出時鐘信號給連接在節(jié)點485處的互阻抗放大器455。
另外，該均衡時鐘光電流用作為用于在平行光連接系統(tǒng)的接收器中恢復dc NRZ數(shù)據(jù)的基準電流電平。相應地，該均衡時鐘光電流被傳送到每個信道信號接收器的晶體管432，并給由NFET鏡象電路被依次鏡象到輸入給互阻抗放大器455的節(jié)點435。當由光檢測器產(chǎn)生的dc NRZ數(shù)據(jù)光電流疊加在均衡時鐘光電流上時，該合成電流然后輸入給互阻抗放大器和該多級放大器放大該數(shù)據(jù)信號。
圖4所述互阻抗放大器用于小信號放大。圖5是相應的高增益互阻抗放大器電路。晶體管501-509是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFETS)，另外，放大器電路分別需要+5V和-5V一對電壓源作電源。當攜帶有dc NRZ數(shù)據(jù)的電流信號進到輸入節(jié)點520時，互阻抗放大器將該相對少的電流信號轉(zhuǎn)換成兩個大的電壓信號并從輸出端530和540輸出這些信號到下一個放大器。
在互阻抗放大器的最佳實施例中，對晶體管501至508；晶體管509和510；和晶體管511至514的放大常數(shù)分別是24，60和12。
圖4中的后放大器/限制器460在傳導阻抗放大器455和CMOS輸出放大器465之間提供一接口以便預防在放大中的任何信號波動。圖6是后放大器/限制器電路圖，互阻抗放大器輸出端530和540被連接到后放大器/限制器的輸入端620和630。晶體管601-609是MOSFET晶體管。該電路需要一對+5V和-5V電壓源作為電源。晶體管605控制電路偏流；和晶體管606和607的功能是分別作為晶體管608和609的電阻負載。后放大器/限制器可以根據(jù)不同的運行方式調(diào)節(jié)信號。當它在線性范圍內(nèi)運行時，后放大器/限制器可以起放大器作用；當它處于飽和范圍時，后放大器/限制器起限制器作用，僅輸出幅度等于+5V或-5V的信號。隨后，來自后放大器/限制器的端640和650的輸出電路信號與輸入電壓信號成線性比例，和最后的NRZ數(shù)據(jù)輸出在以前放大級中不會受任何大波動的影響。
后放大器/限制器的最佳實施例中，晶體管601和602；晶體管603和604；晶體管605，和晶體管606至609的放大常數(shù)分別是60，6，9和12。
圖4中的CMOS輸出放大器465轉(zhuǎn)換放大的差動電壓信號為適當?shù)碾娏餍盘栕鳛樽詈蟮臄?shù)據(jù)輸出。圖7是該放大器的電路圖。晶體管701-711是MOSFET晶體管，晶體管708和710形成一鏡象電路，晶體管706和707是分別作為晶體管704和705的電阻負載。來自后放大器/限制器的輸出電壓信號被送到CMOS輸出放大器的端730和740，晶體管704和705相應地在節(jié)點760和770分別產(chǎn)生一電壓信號。在節(jié)點760的電壓信號控制晶體管711并在晶體管711中產(chǎn)電流信號，該電流信號與在端730輸入的電壓信號成比例。相類似，在節(jié)點770的電壓信號控制晶體管709并在晶體管709中產(chǎn)生一電流信號，該電流信號與輸入在端740的電壓信號成比例，進而，該電流信號經(jīng)由晶體管708和710的鏡象電路鏡象到節(jié)點790。這兩個電流信號在節(jié)點790被疊加在一起以便在負載750上提供一輸出。其結(jié)果是，dcNRZ數(shù)據(jù)和時鐘信號在平行光連接的接收器中被完全恢復成與原始信號特性相同的信號。
CMOS輸出放大器的最佳實施例中，晶體管701；晶體管702和703；晶體管704和705；晶體管706和707；和晶體管708和711的放大常數(shù)分別是6，9，60，12和24。
本發(fā)明進一步的實施例將描述降低或避免從經(jīng)由在平行光連接系統(tǒng)中的特殊配置傳輸時鐘信號而產(chǎn)生的斜交問題。
降低或避免時鐘信號斜交問題的一個方法是使用比在平行光連接系統(tǒng)發(fā)射器中的用于數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)腣CSEL更精密的定時VCSEL來進行時鐘信號傳輸。由于整個系統(tǒng)的性能取決于時鐘信號的質(zhì)量，所以就要利用比用于NRZ數(shù)據(jù)傳輸?shù)腣CSEL更精密的定時VCSEL來改進時鐘信號傳輸。進一步的改進可以利用較高質(zhì)量的激光驅(qū)動電路去驅(qū)動時鐘信號VCSEL來達到，以便從驅(qū)動電路中使噪聲的產(chǎn)生減至最小。
上述方法也可以用在發(fā)射器中的多重形式交叉平行VCSEL陣列中，以便進一步減小時鐘斜交問題。在這種情況下，在發(fā)射器中的大量數(shù)據(jù)信號VCSELs中至少兩個時鐘信號VCSELs(最好是單數(shù)個VCSELs)被交替使用，每個時鐘信號VCSELs傳輸相同的時鐘信號。在接收器中，被傳輸?shù)臅r鐘信號被比較并且在多票(majority vote)決定，當在時鐘信號的1電平和0電平之間傳輸時應選擇用于數(shù)據(jù)信號的恢復。使用多重時鐘信號VCSELs避免由于僅使用單時鐘信號所產(chǎn)生的誤差，這樣進一步減小了時鐘斜交問題。冗余方法的優(yōu)點是，單時鐘信號VCSEL的故障不會使平行光連接系統(tǒng)的正常運行受到影響。
多重時鐘信號VCSELs的使用也能提供用于監(jiān)視在基片上交叉VCSEL陣列的局部溫度的手段。由它們被配置在VCSEL陣列的不同部分，時鐘信號VCSELs具有不同的傳輸特性，這取決于它們被相同手段組裝起來的它們的局部的溫度。這樣，利用監(jiān)視來自嵌入在數(shù)據(jù)信號VCSEL陣列中的時鐘信號VCSELs的被傳輸?shù)臅r鐘信號，這個方法允許交叉該基片上的VCSEL陣列的實際的和連續(xù)的測量。
非常明顯，不脫離本發(fā)明的精神和范圍，該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以很容易作出各種修改。特別應強調(diào)的是，實現(xiàn)本發(fā)明的使用的光發(fā)射器類型的有效獨立部分，除VCSELs之外，能有效實現(xiàn)同樣效能的有光發(fā)射二極管(LEDs)，表面發(fā)射光發(fā)射二極管(SLEDs)，共振腔增強的LEDs(RCLEDs)和邊緣發(fā)射半導體激光器。
雖然本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合最佳實施例及附圖進行了全面描述，應注意，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以做出各種變化和修改。這些變化和修改是包括在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)，除非它們以此全然不同。
權(quán)利要求
1.響應于大量dc數(shù)據(jù)信號和一獨立時鐘信號的一平行光連接系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一光發(fā)射器；所述光發(fā)射器包括大量集成在一起的光發(fā)射極和其中的光發(fā)射極驅(qū)動電路，每個所述光發(fā)射驅(qū)動電路具有一個信號輸入端和至少一個控制端；所述信號輸入端接收所述數(shù)據(jù)信號和所述時鐘信號；一光接收器；所述光接收器包括大量光檢測器和信號處理電路，每個所述信號處理電路具有一個信號輸出端；一光連接器；所述光連接器包括大量光纖維，所述光纖維同所述光發(fā)射器的所述光發(fā)射極和所述光接收器的光檢測器排成一行；和用于產(chǎn)生控制信號的裝置，該控制信號被提供給所述光發(fā)射極驅(qū)動電路的至少一個控制端。
2.根據(jù)權(quán)利1的平行光連接系統(tǒng)，其中所述產(chǎn)生裝置進一步包括用于高電平光發(fā)射極輸出功率的一光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器。
3.根據(jù)權(quán)利2的平行光連接系統(tǒng)，其中所述光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器包括一光發(fā)射極，其中一光發(fā)射極驅(qū)動電路，一光檢測器，和一光發(fā)射極驅(qū)動電流補償器。
4.根據(jù)權(quán)利3的平行光連接系統(tǒng)，其中所述用于所述光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器的光發(fā)射極被設(shè)置在相鄰于用在所述時鐘信號傳輸?shù)墓獍l(fā)射極的基片上。
5.根據(jù)權(quán)利3的平行光連接系統(tǒng)，其中所述光發(fā)射極驅(qū)動電路補償器具有一輸出端，所述輸出端被連接到每個所述光發(fā)射極驅(qū)動電路的所述控制端。
6.根據(jù)權(quán)利2的平行光連接系統(tǒng)，其中所述光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器監(jiān)視它的光發(fā)射極的高電平光發(fā)射極輸出功率波動并反饋給每個所述光發(fā)射極驅(qū)動電路以便對高電平光發(fā)射極功率波動進行自動補償。
7.根據(jù)權(quán)利1的平行光連接系統(tǒng)，其中所述光發(fā)射器進一步包括一光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器，用于高電平和低電平光發(fā)射極輸出功率這兩個方面。
8.根據(jù)權(quán)利7的平行光連接系統(tǒng)，其中所述光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器包括一高電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器，一低電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器，和一光發(fā)射極驅(qū)動電平校正器。
9.根據(jù)權(quán)利8的平行光連接系統(tǒng)，其中所述高電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器和所述低電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器的每一個都包括一光發(fā)射極，其中的一光發(fā)射極驅(qū)動電路，一光檢測器，和一光發(fā)射極驅(qū)動電流檢測器。
10.根據(jù)權(quán)利9的平行光連接系統(tǒng)，其中所述用于高電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器和低電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器的光發(fā)射極被設(shè)置在相鄰于用于所述時鐘信號傳輸?shù)墓獍l(fā)射極的基片上。
11.根據(jù)權(quán)利8的平行光連接系統(tǒng)，其中所述光發(fā)射極驅(qū)動電平校正器具有兩個輸出端和兩個輸入端，所述輸出端被連接到每個所述光發(fā)射極驅(qū)動電路的所述控制端，而所述輸入端被分別連接到所述高電平和低電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器的所述高電平光發(fā)射極驅(qū)動電流檢測器。
12.根據(jù)權(quán)利7的平行光連接系統(tǒng)，其中所述光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器監(jiān)視它的光發(fā)射極的高電平和低電平光發(fā)射極輸出功率波動并反饋給每個所述光發(fā)射極驅(qū)動電路，以便對所述功率波動進行自動補償。
13.根據(jù)權(quán)利1的平行光連接系統(tǒng)，其中所述光接收器進一步包括一時鐘信號光電流均衡器。
14.根據(jù)權(quán)利13的平行光連接系統(tǒng)，其中所述時鐘信號光電流均衡器包括一電容器和兩個鏡象電路。
15.根據(jù)權(quán)利14的平行光連接系統(tǒng)，其中所述兩個鏡象電路分別是P型金屬氧化物半導體(PMOS)晶體管鏡象電路和N型場效應晶體管(NFET)鏡象電路。
16.根據(jù)權(quán)利14的平行光連接系統(tǒng)，其中所述時鐘信號光電流均衡器同用于接收所述時鐘信號的光檢測器相連接，從所述時鐘信號產(chǎn)生一基準電流電平，然后利用所述基準電流電平恢復所述時鐘信號。
17.根據(jù)權(quán)利1的平行光連接系統(tǒng)，其中所述每個光接收器的信號處理電路包括一數(shù)據(jù)信號恢復電路和多級信號放大器。
18.根據(jù)權(quán)利17的平行光連接系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)信號恢復電路包括一PMOS晶體管和一NFET鏡象電路。
19.根據(jù)權(quán)利18的一平行光連接系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)信號恢復電路，同所述光檢測器的一個且僅只一個相連接，在所述基準電流電平的基礎(chǔ)上恢復一個所述dc NRZ數(shù)據(jù)。
20.根據(jù)權(quán)利17的平行光連接系統(tǒng)，其中所述多級信號放大器包括一互阻抗放大器，一后放大器/限制器，和一CMOS輸出放大器，所述三個放大器按同樣順序相互以串聯(lián)形式連接。
21.根據(jù)權(quán)利17的平行光連接系統(tǒng)，其中所述多級信號放大器的每一個都被連接到所述光檢測器中的一個且僅只一個。
22.根據(jù)權(quán)利14的平行光連接系統(tǒng)，其中所述電容器被連接到所述信號處理電路的每一個的所述數(shù)據(jù)信號恢復電路的所述PMOS晶體管。
23.根據(jù)權(quán)利1的平行光連接系統(tǒng)，其中用于傳輸所述時鐘信號的光發(fā)射極比用于傳輸所述dc NRZ數(shù)據(jù)信號的光發(fā)射極是更精密地定時的。
24.根據(jù)權(quán)利1的平行光連接系統(tǒng)進一步包括用于時鐘信號傳輸?shù)闹辽賰蓚€光發(fā)射極，所述時鐘光發(fā)射極交替配置在數(shù)據(jù)光發(fā)射極中。
25.根據(jù)權(quán)利1的平行光連接系統(tǒng)，其中所述發(fā)射極是垂直共振腔表面發(fā)射激光器(VCSELs)。
26.根據(jù)權(quán)利1的平行光連接系統(tǒng)，其中所述光發(fā)射極是光發(fā)射二極管(LEDs)。
27.根據(jù)權(quán)利1的平行光連接系統(tǒng)，其中所述光發(fā)射極是共振腔增強光發(fā)射二極管(RCLEDs)。
28.根據(jù)權(quán)利1的平行光連接系統(tǒng)，其中所述光發(fā)射極是邊緣發(fā)射半導體激光器。
29.響應大量dc數(shù)據(jù)和一獨立時鐘信號的一光發(fā)射器，所述發(fā)射器包括大量集成在一起的光發(fā)射極和其中的光發(fā)射極驅(qū)動電路，所述光發(fā)射極驅(qū)動電路的每一個都具有一信號輸入端和一控制端；和一光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器，用于高電平光發(fā)射極輸出功率，所述光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器包括一光發(fā)射極，其中的一光發(fā)射極驅(qū)動電路，一光檢測器，一光發(fā)射極驅(qū)動電流補償器，和對光發(fā)射極驅(qū)動電路的所述控制端的反饋裝置。
30.根據(jù)權(quán)利29的光發(fā)射器，其中所述用于光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器的光發(fā)射極被設(shè)置在相鄰于用于所述時鐘信號傳輸?shù)囊还獍l(fā)射極的基片上。
31.根據(jù)權(quán)利29的光發(fā)射器，其中所述光發(fā)射極驅(qū)動電流補償器電路具有一輸出端，所述反饋裝置連接于所述輸出端，該輸出端到所述光發(fā)射極驅(qū)動電路的每一個的所述控制端。
32.根據(jù)權(quán)利29的光發(fā)射器，其中所述光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器監(jiān)視其中它的光發(fā)射極的高電平光發(fā)射極輸出功率的波動并反饋給每個所述光發(fā)射極驅(qū)動電路，以便對高電平光發(fā)射極功率波動進行自動補償。
33.根據(jù)權(quán)利29的光發(fā)射器，其中所述光發(fā)射極是垂直共振腔表面發(fā)射激光器(VCSELs)。
34.響應大量dc數(shù)據(jù)和一獨立時鐘信號的一光發(fā)射器，所述發(fā)射器包括大量集成在一起的光發(fā)射極和其中的光發(fā)射極驅(qū)動電路，所述光發(fā)射極驅(qū)動電路的每一個都具有一信號輸入端和兩個信號輸出端；和用于高電平和低電平輸出功率這兩方面的一光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器，所述光發(fā)射驅(qū)動穩(wěn)流器包括一高電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器，一低電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器，一光發(fā)射極驅(qū)動電平校正器，和對于所述大量光發(fā)射極驅(qū)動電路的所述控制端的至少一個的反饋裝置。
35.根據(jù)權(quán)利34的光發(fā)射器，其中所述高電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器和所述低電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器的每一個分別包括一光發(fā)射極，其中的一光發(fā)射極驅(qū)動電路，一光檢測器，和一光發(fā)射極電流檢測器。
36.根據(jù)權(quán)利35的光發(fā)射器，其中用于所述高電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器和所述低電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器這兩方面的所述光發(fā)射極被設(shè)置在相鄰于用于所述時鐘信號傳輸?shù)囊还獍l(fā)射極的基片上。
37.根據(jù)權(quán)利35的光發(fā)射器，其中所述光發(fā)射極驅(qū)動電平校正器有兩個輸出端和兩個輸入端，和所述輸出端通過所述反饋裝置被連接到所述光發(fā)射極驅(qū)動電路的每一個的所述控制端，而所述輸入端被分別連接到所述高電平和低電平光發(fā)射極驅(qū)動電流監(jiān)視器的所述光發(fā)射極驅(qū)動電流檢測器。
38.根據(jù)權(quán)利35的光發(fā)射器，其中所述光發(fā)射極驅(qū)動穩(wěn)流器監(jiān)視它的光發(fā)射極的高電平和低電平這兩方面的光發(fā)射極輸出功率的波動，并反饋給對功率動進行自動補償?shù)乃龉獍l(fā)射極驅(qū)動電路的每一個。
39.根據(jù)權(quán)利38的光發(fā)射器，其中所述光發(fā)射極是垂直共振腔表面發(fā)射激光器(VCSELs)。
40.響應大量dc數(shù)據(jù)和一獨立時鐘信號的一光接收器，所述光接收器包括大量的信號接收器和多級信號放大器，每個所述信號接收器包括一光檢測器，一P型金屬氧化物半導體(PMOS)晶體管，和一N型場效應晶體管(NFET)鏡象電路；每個所述多級信號放大器包括一互阻抗放大器，一后放大器/限制器，和一CMOS輸出放大器，所述三個多級信號放大器以相同方式被相互串聯(lián)連接；和一時鐘信號光電流均衡器，所述時鐘信號光電流均衡器包括一光檢測器，一電容器，兩個鏡象電路和用對每個信號接收器提供一控制信號的裝置，該控制信號是利用所述光檢測器接收的一時鐘信號中導出來的。
41.根據(jù)權(quán)利40的光接收器，其中所述電容器被連接到所述信號接收器的每一個的所述PMOS晶體管。
42.根據(jù)權(quán)利40的光接收器，其中所述兩個鏡象電路分別是PMOS晶體管鏡象電路和NFET鏡象電路。
43.根據(jù)權(quán)利40的光接收器，其中所述多級信號放大器的每一個被連接到所述信號接收器的所述光檢測器的一個且僅只一個。
44.根據(jù)權(quán)利40的光接收器，其中所述時鐘光電流均衡器從所述時鐘信號產(chǎn)生一基準電流電平，并進一步利用所述基準電流電平恢復所述時鐘信號。
45.根據(jù)權(quán)利40的光接收器，其中所述信號接收器利用基準電流電平恢復所述數(shù)據(jù)信號和所述已被恢復的數(shù)據(jù)信號由所述多級信號放大器進行放大。
46.在響應大量dc數(shù)據(jù)信號和一獨立時鐘信號的一平行光連接系統(tǒng)中降低或避免時鐘斜交的方法，所述方法包括的步驟有利用大量光源并從而產(chǎn)生大量光數(shù)據(jù)信號的具有第一定時精度的一光發(fā)射極傳輸每個所述數(shù)據(jù)信號；利用具有比所述第一定時精度更精確的第二定時精度并從而產(chǎn)生一光時鐘信號的一光發(fā)射極傳輸所述時鐘信號；在一遙控接收器中接收所述光數(shù)據(jù)信號和所述光時鐘信號；監(jiān)視用于已被發(fā)射過的輸出功率的所述光時鐘信號；和基于所述光時鐘信號調(diào)節(jié)所述光源的輸出功率。
47.在響應于大量dc數(shù)據(jù)和一獨立時鐘信號的平行光連接系統(tǒng)中降低或避免時鐘斜交的方法，所述方法包括如下步驟使用至少兩個光發(fā)射極，用于所述時鐘信號的傳輸并從而產(chǎn)生兩個光時鐘信號；在一發(fā)射器中的數(shù)據(jù)光發(fā)射極中交替配置所述時鐘光發(fā)射極并從而產(chǎn)生光數(shù)據(jù)信號；隨同所述光數(shù)據(jù)信號傳輸所述光時鐘信號；隨同所述光數(shù)據(jù)信號接收所述光時鐘信號；為發(fā)射輸出的功率監(jiān)視所述光時鐘信號；和基于至少一個所述光時鐘信號調(diào)節(jié)所述光源的輸出功率。
48.根據(jù)權(quán)利47的在平行光連接系統(tǒng)中避免或降低時鐘斜交的方法進一步包括的步驟有均衡所述光信號，用于確定一均衡發(fā)射的輸出功率；監(jiān)視所述均衡發(fā)射的輸出功率；和基于所述均衡發(fā)射的輸出功率調(diào)節(jié)所述光源的輸出功率。
49.根據(jù)權(quán)利47的在平行光連接系統(tǒng)中降低或避免時鐘斜交的方法進一步包括的步驟有利用如光發(fā)射極那樣相同數(shù)目的光接收器用于所述時鐘信號的接收；和在接收器中對應于所述時鐘光發(fā)射極設(shè)置所述光檢測器。
全文摘要
披露了較好地利用傳輸大量dc NRZ數(shù)據(jù)和一獨立時鐘信號的平行光連接系統(tǒng)的簡單而有效的電子電路。本發(fā)明對在發(fā)射器和接收器這二者中的光發(fā)射極的基片溫度和老化特性的影響進行動態(tài)補償。另外，光發(fā)射極的特殊配置用于降低或避免斜交問題。
文檔編號H04B10/00GK1128444SQ9511866
公開日1996年8月7日 申請日期1995年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月29日
發(fā)明者S·E·施韋亨, I·R·麥塔加特 申請人:韋塞爾公司