对用于光纤链路长跨距应用的雪崩光电二极管光接收器和激光发射器进行自适应地调整和性能监控的设备和方法

摘要

一种用于雪崩光电二极管(“APD”)光接收器和激光器系统以在系统运行期间调整其性能而不干扰网络流量的系统和方法。通过控制一组主系统参数可以将小变化自适应地应用到系统的一些关键部分，这些参数包括：Q因子、比特误码率(BER)、“1”和“0”电平的直方图、输入光功率以及激光器输出功率。可以在系统运行期间执行该自适应的例行程序，以保持主系统参数接近它们的最优值。在调整期间，可将系统分成独立的部分。每部分的调整可以独立于系统的其它部分。对于光网络系统，可以基于网络信道架构来分配不同部分的优化和优先级。

说明书

技术领域

本发明要求于2008年4月19日提交的美国专利申请第11/785,631号的优先权，其是基于并要求于2005年9月16日提交的美国临时申请第60/717,193号的权利的于2006年9月18日提交的美国专利申请第11/522,517号的部分连续案；以及其是基于并要求于2005年9月16日提交的在先美国临时申请第60/717,194号的权利的于2006年9月18日提交美国专利申请第11/522,515号的部分连续案，其全部内容作为参考合并于此。

本发明通常涉及可以在系统运行期间调整其性能而不干扰网络流量的雪崩光电二极管(“APD”)光接收器和激光器系统。具体地，本发明旨在通过控制一组主系统参数将小变化自适应地应用到系统的关键部分。自适应的例行程序可以在系统运行期间执行，以保持主系统参数接近它们的最优值。在调整期间，系统可以划分成独立的系统部分。每部分的调整可以独立于系统的其它部分。对于光网络系统，可基于网络信道架构来分配不同部分的最优化和优先级。

具体地，本发明涉及通过使用以下五个受控的特征来自适应地调整光网络系统不同部分的参数的设备和方法：Q因子；比特误码率(BER)；“1”和“0”电平的直方图；输入光功率；以及激光器输出功率。然而，本领域普通技术人员应当认识到，其它关键特征也可以和本发明的设备和方法结合使用。

背景技术

光网络系统的实时监测对于控制和改善光学系统的性能很重要。一种已知的实时监测的实现包括使用本地存储器、控制器以及查找表(LUT)电路来调整和设置主系统参数。然而，这种方法的主要缺陷是：这种方法要求在使用系统之前对光网络信道进行复杂的初始校准。

实际上，与自调整(可选地，文中称作自适应调整)相似的方法也用以调整光学系统的参数。例如，在美国专利第5,929,982号描述的系统中，通过接收器的信噪比的自适应最优化来实现APD增益的自适应调整。具体地，为了监测目的，测量超过某些阈值的噪声水平并将其用于自适应地设置。然而，基于超过某些阈值的噪声的测量使用自适应的系统来调整APD增益以及计算信噪比的缺点在于：尽管这种方法可以在接收的光信号具有完全打开的眼图的良好质量时给出适当的结果，但当眼图的质量不好时，例如，当光纤中存在光色散或者没有足够的信号时间抖动时，这种方法不能提供清晰的结果，并且将不能解决在信号连接中的故障。

发明内容

因此，在该技术领域存在对于不需要复杂的初始校准，而提供清晰的结果并将解决信号连接中故障的自适应调整的设备和方法的需求。本发明通过提供使用以下五种受控的特征来自适应地调整光网络系统不同部分的参数的设备和方法来解决上述以及其他要求：Q因子、BER、“1”和“0”电平的直方图、输入光功率以及激光器输出功率。这些被监测的参数将全面地解决光学系统运行中的不同问题，这是因为在光链路故障中可能牵涉光学系统的不同部分。使用上述的五个参数使用户可以确定和定位系统发生故障的部分，例如，发送器，光纤，或者接收器。

根据以下对本发明的详细描述以及附图，其它目的，特征和优点对于本领域普通技术人员是明显的。

附图说明

为了更完整地理解本发明、其满足的需求，以及其目的、特征和优点，现在将结合附图的以下描述作为参考。

图1示出了可与本发明的实施例结合使用的光网络信道的视图；

图2示出了如与本发明的实施例结合使用的示例性眼图及其相对于Q因子的关系；

图3示出了描述根据本发明实施例的BER相对于Q因子的关系的视图；

图4A和4B示出了如与本发明的实施例结合使用的眼图和对应的直方图的视图；

图5示出了如与本发明的实施例结合使用的描述APD偏置电压相对于温度的关系的视图；

图6示出了在标准电平“1”或“0”的一个中具有噪声的实例的视图；

图7示出了根据本发明的实施例比较在执行均衡前和执行均衡后的激光器特性的视图；

图8示出了根据本发明的实施例比较在执行均衡前和执行均衡后的系统功率预算的视图；

图9示出了根据本发明的实施例对于整个接收器系统的自适应调整的任务流程的示例图；

图10示出了根据本发明的实施例的具有各种硬件部件和其它特征的示例性系统图；

图11示出了根据本发明的实施例的具有各种硬件部件和其它特征的示例性系统图；

具体实施方式

现在参考图1，其中示出了诸如密集波分复用器(DWDM)信道的光网络信道的总架构。从源侧到目的侧的数据业务经由光纤使用波长λ₁发送，并通过APD接收器在光纤的目的侧被接收。经由光纤将光信号λ₂和λ₃传输到发送侧，而不干扰由λ₁输送的信号。例如，λ₁可以是数据业务，λ₂和λ₃可以包括管理信号。

对于网络系统结构，用于自适应系统调整的系统参数特征组可以包括至少五个参数：Q因子，以块Q表示；比特误码率，以块BER表示；“1”和“0”电平的直方图，以块H表示；激光器输出功率水平；以及接收器中测量的输入功率水平，以块IP表示。

如所示出的，温度监测器和APD偏置控制器被连接，这是因为与没有过多噪声的有利增益相对应的APD的最优高电压范围受温度影响。例如，最优高电压在70度时可以为A，在75度时可以为A+1。

这五个参数的使用使得在检查进入接收器的输入信号在执行精确自适应调整的恰当范围内之后对接收器部分进行精确地自适应调整。

在图1中，块1、2和3分别对应于激光器部分，APD(雪崩光电二极管)接收器部分以及DWDM处理器部分。激光器部分具有连续波长的激光，其由内部调制器调制。激光器输出功率和消光比(ER)被共同监测，并且可以通过激光器输出功率控制器调节。APD接收器部分由APD本身、维持APD处的最优偏置电压的APD偏置控制器块、以及输入功率和温度监测块组成。APD接收器部分还具有两个放大级：转阻放大器(TIA)和后置放大器(PA)。图1的最后一部分是DWDM处理器部分3。这部分的块均衡器被配置为补偿当沿着长光纤传输光信号时发生的信号光色散。DWDM也可以包括时钟数据恢复(CDR)单元。

尽管图1示出了仅包括激光器部分(1)和APD部分(2)的第二侧，第二侧还可以类似于第一侧所示出的，包括DWDM部分。

激光器输出功率水平“L”

为了控制光纤中的衰减，监测激光器输出功率水平“L”在保持系统的期望性能中(特别是对于接收器部分)以保证输入信号的水平足以执行对接收器部分的自适应调整是很重要的。对激光器输出信号(L)的值和测量的输入光功率(IP)进行比较来允许确定光纤是否损坏。此外，使用整组系统参数和不同部分(例如接收器和发送器)，给出灵活性和全组监测特征，以控制整个网络系统而不干扰业务信号。

Q因子“Q”

Q因子被定义为：

Q＝abs(μ₁-μ₀)/(σ₁+σ₀)        [方程(1)]

其中abs表示绝对值，abs(μ₁-μ₀)是指数字信号“1”和“0”电平的强度之间的距离，(σ₁+σ₀)指的是围绕电平“1”和“0”的强度的标准偏差之和。

图2示出了Q和眼图质量之间的关系的实例。眼图是通过在示波屏上叠加多个脉冲来展示数字光纤链路性能的一种普遍方式。在图2中，视图200代表生成眼图的脉冲叠加。“眼”的区域被示为201，它应当是在“1”和“0”电平之间没有干扰的区域。全“1”脉冲应该在眼区域的上方，而全“0”脉冲应该在眼区域的下方。这个眼区域(可选地这里称之为模板(mask))对于不同的网络协议是标准的。视图202代表在眼中心的电平“1”和电平“0”的强度。

Q因子相对于比特误码率“BER”的关系

基于接收信号中的噪声分布的高斯近似，比特误码率(BER)和Q的关系如下：

$\mathrm{BER}=1/2\mathrm{erfc}(Q/\sqrt{2})$[方程(2)]

图3示出了计算出的BER对Q值的曲线关系。这里，erfc是补余误差函数。BER对于Q值的直接关系导致Q的最高值对应于光网络信道达到的最好的BER。使用方程(2)的唯一要求是信号分布应该是纯高斯分布。这提供了仅用Q因子来优化系统参数的选择。然而，如果信号分布不是完全的高斯分布，则通过仅用Q因子执行调整可能不精确，通过使用诸如H和BER的其他参数来考虑诸如光色散以及附加拾取噪声的其它因素的作用，以提供准确的方案。

电平1和电平0的强度直方图“H”

可用于最优化的另一个参数是H，它表示电平“1”和电平“0”强度的实际直方图。图4A中示出了信号眼图和H之间的关系。在图4A中，图形400表示信号眼图。图形401示出“眼”区域。在图4B中，图形402示出了在令人满意的链路以及令人满意的眼图的情况下电平“1”和电平“0”强度的直方图。在此情况下，电平“1”的强度的直方图在“眼”区域上方的区域，电平“0”的强度在“眼”区域下方的区域。图形404是眼区域的图形。信号在电平1和电平0之间交叉的点称为交叉点“x”。在图4A中用水平虚线示出交叉点。在图4B中，S0是低电平信号(电平0)周围的区域。S1是高电平信号(电平1)周围的区域。在S0的面积等于S1的面积的情况下出现图4A中的交叉点x。典型地，理想的交叉点大约介于电平1和0的中间位置。然而，交叉点可能出现在更接近电平1的位置或者更接近电平0的位置。此外，可以调节系统以将交叉点移动到不同的电平。调整交叉点将影响信号的交叉。随着交叉点移动到更接近电平1，常常导致系统在判断信号是在1还是在0时出现的误差增加。

图6示出了最优化输出信息将需要改变交叉点的信号的实例，这是因为信号包括仅在信号上部的噪声。

通过使用H，可能对两个电平强度都进入禁止“眼”区域的眼图起作用。图形403示出在此情形下的直方图的例子。清除区域401和404对于通过测量直方图(或者H，如结合图1所描述的那样)来调整眼图质量来说是第一优先的任务。

输入功率“IP”

通过控制图1中所示的输入功率(IP)块和激光器消光比(ER)，可以确定输入信号是否处于可执行自适应调整的阶段。例如，在图4所示的实施例中，ER为μ₁/μ₀。

如果没有正确地设置激光器输出功率，则同时控制输入功率IP和激光器输出功率L能够得出关于光纤本身或者激光的质量的结论。确定光纤中总损耗的关系式如下：

插入损耗＝L-IP[dB]            [方程(3)]

根据本发明的另一方面，通过由监测整组参数(至少为上述五个参数-Q、BER、H、IP和L)来自适应地调整系统，可以实现光接收器的综合调整和对系统中不同问题的解决。

图5示出自适应电路如何根据本发明的实施例通过在输入代码中做最小的改变来校正APD偏置电压。对于每个温度(T1，T2和T3)的APD偏置的最佳值可以通过找到Q的最大值来选择。在自适应过程的开始可以使用初始(虚线)曲线。这表示将加载入系统存储器中的初始的大致的温度系数曲线，此后系统本身可以调整偏置电压。

参考图5，通过搜索Q的最大值作为主参数(此外，当眼的质量不够好时使用H、BER、IP和L)调整APD偏置电压也可以用来保持APD偏置电压温度补偿。

APD偏置电压温度补偿可以通过使用查找表执行。以这种方式，将所需的偏置电压与温度的线性相关载入存储器中，并且系统本身设置对应于测量温度的偏置电压。然而，这种方法的主要缺点在于该方法要求在使用系统前对光网络信道进行复杂的初始校准。

使用自适应调整的一个主要优势是最初只需加载初始的大致的温度系数曲线，然后系统自身可以调整偏置电压。根据本发明的设备和方法的附加优势在于当APD接收器的一些参数被改变时，系统本身可以校正这些改变而不必停止运行。

眼图的判定阈值可通过优化BER来调整，此外，可通过优化H、Q、IP和L来调整。如果标准电平“1”或“0”中的一个有很多噪声(例如，参见图6)，则可以设置附加补偿电压，以减小BER的劣化量。图6示出了在诸如电平1的顶部电平处的附加噪声。为了这个任务，偏移电压的调整可以通过寻找最优的BER来执行。在图6中，穿过整个信号长度的宽的虚线是设置在50％处的判定阈值。这样，在电平之间的大约中间位置的阈值处来执行信号是在电平1处还是在电平0处的确定。图6还示出了引入正偏移电压以减小判定阈值电平，其被示为穿过信号的第一上部的宽的虚线。添加正的增加到判决阈值将降低电平确定中的错误量。

系统的激光器部分的特性可以通过定义最佳BER，自适应地改变激光器输出功率参数L以及调整消光比(ER)来进行优化。根据直方图测量，ER被定义为ER＝μ1/μ0。冷却的光发送器子模块(TOSA)通常用于10Gbps的长距离应用中。TOSA由光学耦合到监测二极管的分布式反馈连续波长(DFB CW)源组成，该监测二极管和电吸收调制器(EAM)整体集成，如图1所示。使用带有集成偏置电路的商业上可获得的EAM驱动器，将携带10Gbps业务的高频信号施加到EAM输入上。集成偏置电路被用于改变光信号的调制和ER以及平均输出功率L。

图7说明了利用本发明可以获得的激光器特性的示例性最优化。上方曲线示出了在均衡器级之前光色散代价相对于激光器输出功率L；下方曲线示出了在均衡器级之后的同一特性。通常，在这种TOSA发送器中，激光器输出功率L的增长引起色散代价的迅速增加，在图7中由上方曲线表示。如果进行对系统中色散代价的补偿，则均衡器块可以在色散代价的值不超过均衡器电路规格限制的范围内来补偿色散代价。经补偿的相关性由图7中的下方曲线示出。系统功率预算可以定义为两个主要成分-接收器灵敏度(-30dBm)和激光器输出功率-之和减去色散代价：

功率预算＝-30dBm+L-色散代价        [方程(4)]

图8示出了对于均衡器级之前和之后的情况的功率预算曲线。“均衡器之后”的情况有一个清晰的局部最大值。这个事实可用于L参数值的自适应最优化。

在一个实施例中，系统每部分的自适应调整均不受或者基本不受系统的其它部分的影响，并且可以基于预先确定或者选取的优先级单独进行。每部分的调整可以独立于系统的其它部分。对于光网络系统，可以基于网络信道架构来指定不同部分的最优化和优先级。图9示出了整个接收器系统自适应调整的任务流程的示例性实施例。

在图9步骤S1中，基于信号劣化检查光纤的质量。通过控制输入功率(IP)块和激光器输出功率(L)，可以进行关于光纤的接入损耗和质量的确定。此外，可以进行关于输入信号是否在正确区域中的检查。

在步骤S2，基于来自S1的信息进行光纤的质量是否良好的确定。如果确定光纤不好，就会向操作者报告光纤质量不好，并将继续监控光纤质量。如果确定光纤良好，则自适应调整转向步骤S3。

在步骤S3处，改变APD偏置来提供相应的最大Q值。除了提供最大Q值之外，可以改变BER、H、IP以及L参数用于系统的最优运行。

在步骤S4处，进行Q值是否在最大值处的确定。针对接收器侧进行这一确定。如果Q值不在最大值处，则将再次调整参数。可以发送出错信息。然而，在一个实例中，不发送出错信息，并且在进行关于Q值的确定之后自动调整参数。如果Q值在最大值处，则系统继续到步骤S5。

在步骤S5处，对激光器输出功率L进行调整，使其达到提供最小BER的值。这将包括消光比(ER)、激光器输出功率L以及交叉点X。

在步骤S6处，对BER是否处于最小值进行判断。先前进行的调整影响系统的发送器侧。如果BER不在最小值处，则步骤S5中的调整继续。如果BER在最小值处，则系统以最优质量继续，自适应调整进入空闲模式。

因此，自适应调整包括为检查和调整光纤质量，检查和调整影响系统接收器侧的参数以及检查和调整影响系统发送器侧的参数。

本发明可以用硬件、软件或其结合来实现，可以在一个或多个计算机系统或其它处理系统中实现。在一个实施例中，本发明针对于一个或者多个能够执行文中描述的功能性的计算机系统。图10中示出了这种计算机系统200的实例。

计算机系统200包括一个或者多个处理器，例如处理器204。处理器204连接到通信基础设施206，例如，通信总线、交叉条(cross-over bar)或者网络。依据该示例性计算机系统描述了各种软件实施例。阅读此说明书后，相关领域的技术人员应当明白怎样使用其他计算机系统和/或架构来实现本发明。

计算机系统200可以包括显示接口202，将来自通信基础设施206(或者来自未示出的帧缓冲器)的用于显示的图形、文本以及其它数据转发到显示单元230上。计算机系统200还包括主存储器208，优选地为随机存取存储器(RAM)，并且还可以包括第二存储器210。第二存储器210可以包括，例如，硬盘驱动器212和/或代表软盘驱动器、磁带驱动器、光碟驱动器等的可移动存储器驱动器214。可移动存储器驱动器214以公知的方式从可移动存储单元218中读出和/或者写入到可移动存储单元218中。可移动存储单元218代表软盘、磁带、光碟等，其通过可移动存储器驱动器214读出并写入到可移动存储器驱动器214。如可以理解地，可移动存储单元218包括其中已存有计算机软件和/或数据的计算机可用存储介质。

在替代的实施例中，第二存储器210可以包括用于允许计算机程序或其它指令加载到计算机系统200中的其它相似的装置。这种装置可以包括，例如，可移动存储单元222和接口220。这样的实例可以包括程序盒和盒接口(例如，在视频游戏装置中所发现的)、可移动存储芯片(例如可擦可编程只读存储器(EPROM)或者可编只读存储器(PROM))和相关插口，以及其它允许软件和数据从可移动存储单元222传送到计算机系统200的可移动存储单元222和接口220

计算机系统200还可以包括通信接口224。通信接口224允许软件和数据在计算机系统200和外部装置之间传输。通信接口224的实例可以包括调制解调器、网络接口(例如以太网卡)、通信端口、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)插槽及卡等。经由通信接口224传输的软件和数据呈信号228的形式，该信号228可以是电子、电磁、光或者其它能够被通信接口224所接收的信号。这些信号228经由通信路径(例如，信道)226提供给通信接口224。该路径226承载信号228，并可以用导线或线缆、光纤、电话线、蜂窝链路、射频(RF)链路和/或其它通信信道来实现。在本文件中，术语“计算机程序介质”和“计算机可用介质”通常用于指代介质，例如可移动存储驱动器214、安装在硬盘驱动器212中的硬盘、以及信号228。这些计算机程序产品为计算机系统200提供软件。本发明针对这种计算机程序产品。

计算机程序(也称作计算机控制逻辑)储存在主存储器208和/或第二存储器210中。也可以经由通信接口224接收计算机程序。当执行这种计算机程序时，该计算机程序使计算机系统200能够执行如文中所述的本发明的特征。具体地，当执行计算机程序时，该计算机程序使处理器204能够执行本发明的特征。因此，这种计算机程序代表计算机系统200的控制器。

在使用软件实现本发明的实施例中，软件可以被存储在计算机程序产品中，并使用可移动存储驱动器214、硬盘驱动器212或者通信接口224将其加载到计算机系统200中。当通过处理器204执行控制逻辑(软件)时，该控制逻辑使得处理器204执行如文中所述的本发明的功能。在另一实施例中，本发明主要利用诸如专用集成电路(ASIC)的硬件组件以硬件来实现。相关领域技术人员应当清楚用以执行文中所述功能的硬件状态机的实现。

在另一实施例中，使用硬件和软件的结合来实现本发明。

图11示出了结合本发明的系统300的示例性实施例。图11中的系统被设计以为主激光器和APD设置参数。APD参数可包括APD高电压电平，激光器的功率、消光比以及交叉点x。图11中的系统被设计为利用控制和自适应调整来设置这些参数以获得最优BER。开始，预定的参数被引入微控制器mP1，用于通过串行端口连接器RS-232接口设置系统的各种参数。端口连接器RS232可以连接到PC或者具有处理器的其它设备。这些预定的参数是初始猜测参数，它们可提供最优性能，却不要求进行全面的初始校正。将初始预定参数转换为所需格式并通过总线I2C(接口到芯片或者芯片到芯片的接口)将其传输到多个寄存器驱动器、接口激光器以及APD。

微控制器mP1可以包括多个I/O端口和存储器寻址能力。例如，mP1可以是具有64k(16位)存储器寻址能力的8位引擎。在一个实施例中，mP1包括以下四个I/O端口：提供地址/数据A1-8/D1-8的端口0；提供MS位的地址空间A9-16的端口2；用于例如利用I2C总线进行串行通信的端口1；以及用于RS232、RD、WR以及程序存储使能(PSEN)命令的端口3。

微处理器mP1的端口1通过两线连接作为以下芯片接口：I2C_1，用于测量直方图H和用于测量系统的Q；数/模转换器I2C_2，设置激光器的输出功率L、消光比ER、以及交叉点x；以及数/模转换器I2C_3，控制APD的高电压HV。系统包括振荡器OSC、复位电路RESET、用于发送器/接收器的线路D/Rv、以及用于总线I2C的远程I/O扩展器EX1。EX1可以是16位扩展器。

上电之后，振荡器OSC开始馈送时钟，例如16MHz的时钟，并且RESET系统提供复位功能。复位功能可以手动提供或者通过上电转换(transition)来提供。然后，保存在闪存F1中的存储的参数和编译的代码被导入mP1中。由于在EX1的端口1上出现转换，扩展电路EX1生成INT信号。这使mP1为EX1的端口2提供使能信号，并提供缺省的激光器设置和APD参数以通过I2C接口将其写入到I2C_2和I2C_3芯片中。例如，I2C_1可以是测量直方图H和Q的ADC。

在实际业务中，BER以及可校正和不可校正的错误的数量由处理器mP2来评估，并且通过A/D总线将数据传输到SRAM1。处理器mP2是提供BER的网络处理器。例如，mP2可以是8位网络处理器。mP1读取BER测量值，并发布命令以校正激光器和/或APD设定。固件可以主动将SRAM1用于交换执行期间所作计算的数据和结果。在系统300中，B1是带三态输出的锁存器，例如八进制透明锁存器。

系统300包括闪存F1和静态RAM存储器SRAM1。例如，F1可以是256kb(32k＊8位)的闪存，且SRAM1可以是32k＊8位的存储器。闪存F1可以执行两个功能。第一，闪存F1可以在上电后引入程序代码。例如，闪存F1可以复位mP1指向0000h的向量。第二，闪存F1可以运行保存在闪存中的应用程序代码。对于F1和SRAM1可以有不同的访问次数。

在示例性实施例中，mP1的程序计数器有16位。那么，如果程序代码是64k大小，则代码的一半可以储存在闪存的32k字节中。闪存F1可以被映射以占据可寻址空间的下半部(0-7FFFh)，而SRAM1可以被映射以占据可寻址空间的上半部(8000h-FFFFh)，从而使得F1和SRAM2的使用与微控制器的可寻址空间相匹配。

在图11所示的实施例中，系统300通过控制主参数组将小的变化自适应地应用到APD和激光器的关键部分。为了保持主系统参数接近它们的最优值，可以在系统运行中执行自适应的例行程序。

现在根据上述优点对本发明的实例实施例进行了描述。应当理解，这些实例子仅用来示出本发明。本领域技术人员应当了解许多变化和修改。