一种分光监控反馈控制的rosa模块及控制方法
阅读说明：本技术 一种分光监控反馈控制的rosa模块及控制方法 (ROSA module for light splitting monitoring feedback control and control method ) 是由 潘儒胜 李连城 周益平 郑波 孙鼎 魏志坚 张伟 过开甲 于 2021-01-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种分光监控反馈控制的ROSA模块及控制方法,该模块包括：分光波导用于对输入的汇聚光按照预设分光比例进行分光,以主光路和分光路两路光进行输出；SOA芯片与分光波导耦合对接,输出增益光；监控PD用于对输入的分光路的光进行检测得到检测光生电流,并根据检测光生电流得到外部光的功率大小,控制器用于根据外部光的功率大小进行SOA芯片的增益电流和光放大倍数的自动调节。本发明通过硅基波导分光,在外部光进入到SOA的同时进入监控PD,检测出外部光输入功率,当光功率大于预设最大值时,及时反馈调整SOA增益电流,及时调整光放大倍数并减小增益噪声；规避大的光功率对SOA芯片的损坏,保护SOA芯片。(The invention provides a ROSA module of light splitting monitoring feedback control and a control method, wherein the ROSA module comprises: the light splitting waveguide is used for splitting input converged light according to a preset light splitting ratio and outputting the light in a main light path and a light splitting path; the SOA chip is coupled and butted with the light splitting waveguide to output gain light; the monitoring PD is used for detecting input light of the light splitting path to obtain detection photo-generated current and obtaining the power of external light according to the detection photo-generated current, and the controller is used for automatically adjusting the gain current and the light amplification factor of the SOA chip according to the power of the external light. According to the invention, through silicon-based waveguide light splitting, external light enters a monitoring PD while entering an SOA, external light input power is detected, when the light power is greater than a preset maximum value, SOA gain current is fed back and adjusted in time, the light amplification factor is adjusted in time, and gain noise is reduced; the damage of large optical power to the SOA chip is avoided, and the SOA chip is protected.)
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种分光监控反馈控制的ROSA模块及控制方法。
背景技术
在光纤通信传输光模块的应用中，传输速率要求越来越高，由于高速率传输，在光纤色散、损耗等等多重因素的影响下，传输距离的链路预算越来越高。在4×25G及以上速率传输40KM或80KM距离上，常规的APD ROSA在灵敏度指标上已不能满足IEEE802.3.ba100GBASE ER4协议的要求，只能作为ER4 LITE应用。为满足传输40KM、ER4标准指标要求，均采用SOA+PIN方案的光接收次级模块（Receiver Optical Subassembly，简称ROSA）。光学次模块（Optical Subassembly，简称OSA）是一种半导体光放大器，具有将微弱光信号进行放大作用，从而将长距离传输损耗后的小光功率进行放大，使得PIN光电二极管接收能判决信号，达到规范要求的灵敏度。半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，简称SOA）由有源区和无源区构成，有源区为增益区。当光信号通过有源区域时，会导致这些电子以光子的形式失去能量并回到基态。受激励的光子具有与光信号相同的波长，从而放大光信号。随着注入电流的增加，SOA的增益将增大，当电流增大到某一值时，增益将达到饱和，不再继续增大。同样的当注入一定电流，未达到饱和时，输入光功率增加，输出光功率随着增益系数增加，当达到饱和时，继续输出光功率将不增加。
图1为现有技术中一般的SOA+PIN ROSA结构的示意图，如图1所示，该结构主要包括：光口结构101、透镜102、SOA芯片103、半导体致冷器TEC 104、光电二极管PD 105、光反射元件106、跨阻放大器TIA 107和外壳108等部分。外部输入光直接进入，由透镜102将光汇聚到SOA芯片103光波导上，SOA芯片103通过输入电流对光功率进行放大，然后输出到PD芯片105，产生光生电流进入到TIA 107。
但是现有SOA芯片的应用，主要是针对小功率的光信号进行放大，如果有输入的光功率较大，超过SOA芯片可承受的最大光功率，则有可能损坏SOA芯片，同时较大的光功率输入时，也会带来增益噪声。
上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。
发明内容
（一）要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种分光监控反馈控制的ROSA模块及控制方法，解决现有技术中较大的光功率输入损坏SOA芯片的问题。
（二）技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一方面，本发明提供一种分光监控反馈控制的ROSA模块，包括：
分光波导，用于对输入的汇聚光按照预设分光比例进行分光，以主光路和分光路两路光进行输出；
SOA芯片，与所述分光波导耦合对接，输出增益光；
监控PD，用于对输入的分光路的光进行检测得到检测光生电流，并根据检测光生电流得到外部光的功率大小；
控制器，用于根据外部光的功率大小进行SOA芯片的增益电流和光放大倍数的自动调节。
在本发明的一种示例性实施例中，还包括：准直透镜和汇聚透镜，准直透镜用于将外部光折射成平行光束，汇聚透镜用于将射入的平行光束汇聚成一点；
所述分光波导具有一个输入端，且汇聚透镜的焦点位于分光波导的输入端。
在本发明的一种示例性实施例中，所述分光波导具有第一出光端口和第二出光端口，所述第一出光端口用于输出主光路的光，所述第二出光端口用于输出分光路的光。
在本发明的一种示例性实施例中，所述分光波导的主光路与SOA芯片通过折射率匹配胶耦合对接，所述分光波导的分光路与监控PD对接。
在本发明的一种示例性实施例中，所述预设分光比例为：
主光路：分光路=N1：N2，其中N1、N2为自然数，且N1＞N2。
在本发明的一种示例性实施例中，还包括：
光复用组件，用于对所述增益光进行解复用，得到至少一路解复用分光。
在本发明的一种示例性实施例中，所述光复用组件包括：
解复用单元和至少一个分光透镜，解复用单元的输入端与SOA芯片连接，用于分出不同波长的光并输出至少一路解复用分光，一路解复用分光对应一个分光透镜。
在本发明的一种示例性实施例中，还包括：
光反射元件，用于对来自分光透镜的解复用光进行反射；
光生PD，用于接收光反射元件的反射光并产生输出光生电流。
在本发明的一种示例性实施例中，所述控制器包括：
调整单元，用于当外部光的功率大小大于预设最大值时，调整SOA芯片的增益电流，并调整SOA芯片的光放大倍数；
保护单元，用于当外部光的功率大小超出SOA芯片承受能力时，产生关闭信号。
另一方面，本发明还提供一种基于分光监控反馈控制的ROSA模块的分光控制方法，包括：
对输入的汇聚光按照预设分光比例进行分光，以主光路和分光路两路光进行输出；
主光路与SOA芯片耦合对接，输出增益光；
对分光路的光进行检测得到检测光生电流；
根据检测光生电流得到外部光的功率大小；
根据外部光的功率大小进行SOA芯片的增益电流和光放大倍数的自动调节。
（三）有益效果
本发明实施例提供的分光监控反馈控制的ROSA模块及控制方法的有益效果是：
通过硅基波导分光，可在外部光进入到SOA时，同时进入到监控PD，检测出外部光输入功率，当光功率大于预设最大值时，及时反馈调整SOA增益电流，及时调整光放大倍数并减小增益噪声；或者判断光功率过大超出SOA承受能力时，可采取及时关闭措施，有效规避大的光功率对SOA芯片的损坏，保护SOA芯片。
附图说明
图1为现有技术中一般的SOA+PIN ROSA结构的示意图；
图2为本发明一实施例中提供的一种分光监控反馈控制的ROSA模块的组成示意图；
图3为本发明一实施例中提供的SOA+PIN ROSA结构的剖面示意图；
图4为本发明一实施例中提供的SOA+PIN ROSA结构的俯视图；
图5为本发明一实施例中硅基波导304的示意图；
图6为本发明一实施例中ROSA的功能框图；
图7为本发明另一实施例提供的一种基于分光监控反馈控制的ROSA模块的分光控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
由于现有技术中ROSA模块中的信号强度由TIA的接收信号强度指示（ReceivedSignal Strength Indication，简称RSSI）输出到应用的光模块MCU。光模块根据RSSI强度对SOA芯片的输入电流进行控制，从而达到监控、调整、反馈的APC功能。
但是针对多通道 SOA+PIN的应用，如4×25G SOA PIN ROSA，其外部输入光首先是四路合波通过光口结构进入到一个SOA芯片。SOA芯片将四路小功率的信号光同时放大后，进入到内置的DEMUX光学元件进行波分解复用，分出四个波长的光，分别进入到PD芯片，由四路RSSI监测口输出。这种弊端为四个波长的光功率不一致，导致各RSSI强度不一致，因此较难做到精确的控制SOA芯片的输入电流。
针对上述问题，本发明对现有ROSA结构进行改进，通过硅基波导分光，可在外部光进入到SOA时，同时进入到监控PD，检测出外部光功率的大小。
图2为本发明一实施例中提供的一种分光监控反馈控制的ROSA模块的组成示意图，如图2所示，该SOA+PIN ROSA模块200包括：分光波导210、SOA芯片220、监控PD 230和控制器240。
其中分光波导210用于对输入的汇聚光按照预设分光比例进行分光，以主光路和分光路两路光进行输出；SOA芯片220与所述分光波导210耦合对接，输出增益光；监控PD230用于对输入的分光路的光进行检测得到检测光生电流，并根据检测光生电流得到外部光的功率大小；控制器240用于根据外部光的功率大小进行SOA芯片的增益电流和光放大倍数的自动调节。
上述SOA+PIN ROSA模块通过设置分光波导、SOA芯片、监控PD和监控器，硅基波导进行分光，可在外部光进入到SOA芯片的同时进入到监控PD，检测出外部光的功率大小，可有效规避大的光功率对SOA芯片的损坏，保护SOA芯片，并减小增益噪声。另外，通过监控PD产生的光生电流可进行判断外部进入的光功率大小，将其反馈到控制器，对SOA输入电流进行调节，实施对光放大增益的控制。
图3为本发明一实施例中提供的SOA+PIN ROSA结构的剖面示意图，图4为本发明一实施例中提供的SOA+PIN ROSA结构的俯视图，如图3和图4所示，本发明提供一种具备前向分光及PD检测功能的4X25Gbps SOA+PIN ROSA ，可以应用于长距离光纤传输场合。
以下结合图3和图4对上述SOA+PIN ROSA模块的具体结构进行介绍：
如图3和图4所示，该SOA+PIN ROSA模块主要包括：前端光口结构301、准直透镜302、汇聚透镜303、硅基波导304、SOA芯片305、监控PD 306、解复用单元307、分光透镜308、光反射元件309、光生PD 310、TIA芯片311和外接PAD 320（图4）。其中控制器在图3和图4中未示出，前端光口结构301同现有技术，在此不做赘述。
在本发明的一种示例性实施例中，所述透镜组件包括：准直透镜302和汇聚透镜303；其中准直透镜302安装在前端光口结构301上，用于将焦距处发射而来的外部光折射成平行光束，汇聚透镜303用于将射入的平行光束汇聚成一点，也就是汇聚到透镜的焦点。
在本发明的一种示例性实施例中，分光波导具有分光功能，例如，可以采用硅基波导。图5为本发明一实施例中硅基波导304的示意图，如图5所示，硅基波导304具有一个进光端口P0，且汇聚透镜的焦点位于分光波导的进光端口。硅基波导304还具有第一出光端口P1和第二出光端口P2，第一出光端口P1用于输出主光路的光，第二出光端口P2用于输出分光路的光。
在本发明的一种示例性实施例中，硅基波导的两个出光端口的波导具有一定的分光比例，也就是预设分光比例，所述预设分光比例为：
主光路：分光路=N1：N2，其中N1、N2为自然数，且N1＞N2。
其中预设分光比例的大小可以根据产品的具体需求进行设定，主光路的分光比例较大，分光路的分光比例较小，例如可以设置为N1：N2=9：1，即主光路为分光路的9倍。
在本发明的一种示例性实施例中，所述分光波导的主光路与SOA芯片通过折射率匹配胶耦合对接，所述分光波导的分光路与监控PD对接。其中需要根据不同光学材料的选择相应的折射率匹配胶进行折射率的匹配，主光路的光进入SOA芯片后，SOA芯片在通电的情况下，将入射光信号放大，输出增益光。
在本发明的一种示例性实施例中，该SOA+PIN ROSA模块中还包括：光复用组件，用于对所述增益光进行解复用，得到至少一路解复用分光。本发明实施例中将光复用组件设置在SOA芯片之后，对经SOA芯片输出的增益光进行解复用，本实施例中所示结构是以4通道为例。需要说明的是，本发明提供的结构不限于4通道，可用于一通道到多通道的SOA产品。
在本发明的一种示例性实施例中，所述光复用组件包括解复用单元307和至少一个分光透镜308，解复用单元的输入端与SOA芯片连接，用于分出不同波长的光并输出至少一路解复用分光，一路解复用分光对应一个分光透镜。输入到SOA芯片的光是多路合波的光源，由SOA芯片进行光放大后，再进行解复用单元，将各不同波长的光分出，对应输出到各个通道的PD中。如图4所示，以4路为例，从解复用单元307输出的光分别通过4个具有不同波长的分光透镜308，如波长分别为1270nm、1290nm、1310nm、1330nm。
在本发明的一种示例性实施例中，该SOA+PIN ROSA模块中还包括：光反射元件309和光生PD 310，光反射元件309用于对来自分光透镜308的解复用光进行反射；光生PD 310用于接收光反射元件309的反射光并产生输出光生电流。
另外，如图3所示，312、313、315、316均为载体，314为TEC。另外，还包括外壳以及连接PAD等结构，在此不再赘述。
图6为本发明一实施例中SOA+PIN ROSA的功能框图，如图6所示，ROSA含有VCC，GND，VPD，ISOA，TEC，Itec，Re等功能脚位，监控PD（即MPD）306具有正极引脚（MPD+）和负极引脚（MPD-），分别连接SOA芯片和光口结构，MPD产生的光生电流Impd，还包括热敏元件，与Re引脚连接。
在本发明的一种示例性实施例中，控制器包括：调整单元和保护单元，调整单元用于当外部光的功率大小大于预设最大值时，调整SOA芯片的增益电流，并调整SOA芯片的光放大倍数；保护单元用于当外部光的功率大小超出SOA芯片承受能力时，产生关闭信号。这样，当光功率大于预设最大值时，及时反馈调整SOA增益电流，可以及时调整光放大倍数并减小增益噪声；或者当光功率过大超出SOA芯片的承受能力时，可采取及时关闭措施，有效规避大的光功率对SOA芯片的损坏，保护SOA芯片。
基于上述SOA+PIN ROSA结构，其工作原理为：
光路从外接光适配器接口进入，通过透镜耦合到硅基波导进光端口，硅基波导进行分光，主光路与SOA通过适当的折射率匹配胶耦合对接，减小光耦合的损耗和反射，而分光路直接对接监控PD。一方面，主光路的光进入SOA后，SOA在通电的情况下，将入射光信号放大，输出增益光，进入到解复用单元（即DEMUX）进行解复用分光，分光后进入到PD，产生光生电流信号，进行到TIA，输出转换的信号。另一方面，分光路的光进行到监控PD，产生光生电流，通过引线传输到外部控制。通过监控PD产生的光生电流可进行判断外部进入的光功率大小，反馈到控制器，对SOA输入电流进行调节，实施对光放大增益的控制。最后，根据分光比例以及监控PD检测得到的检测光生电流可以计算出进入SOA芯片光功率的大小。
需要说明的是，由于该SOA+PIN ROSA模块作为传输链路光检测用途，当传输链路失效时，即如果在传输链路中出现通信中断的情况，则可通过硅基波导分光检测到入射是否有光，从而判断是ROSA模块损坏还是无光源输入，识别出是链路问题还是器件问题，方便使用。
还需要说明的是，本发明可解决一般方案通过RSSI判断输入光功率大小的弊端，即多通道RSSI值大小不一致，调节程序复杂，控制不精确。本发明上述实施例可通过直接检测到监控PD的光生电流结合硅基波导得到分光比例计算确定外部输入光的大小。
综上所述，本发明实施例提供的分光监控反馈控制的ROSA模块，通过设置透镜组件、分光波导、SOA芯片和监控PD，外部光射入后由硅基波导进行分光，硅基波导与SOA芯片对准，使得主光路的光进入到SOA芯片，同时分光路的光进入到监控PD，检测出外部光的功率大小，可有效规避大的光功率对SOA芯片的损坏，保护SOA芯片，并减小增益噪声。另外，通过监控PD产生的光生电流可进行判断外部进入的光功率大小，将其反馈到控制器，对SOA输入电流进行调节，实施对光放大增益的控制。当光功率大于预设最大值时，及时反馈调整SOA增益电流，及时调整光放大倍数并减小增益噪声；或者判断光功率过大超出SOA承受能力时，可采取及时关闭措施，有效规避大的光功率对SOA芯片的损坏，保护SOA芯片。另外，如果在传输链路中出现通信中断的情况，则可通过硅基波导分光检测到入射是否有光，从而判断是ROSA损坏还是无光源输入，识别出是链路问题还是器件问题。
图7为本发明另一实施例提供的一种基于分光监控反馈控制的ROSA模块的分光控制方法的步骤流程图，如图7所示，具体包括以下步骤：
步骤S1、对输入的汇聚光按照预设分光比例进行分光，以主光路和分光路两路光进行输出；
步骤S2、主光路与SOA芯片耦合对接，输出增益光；
步骤S3、对分光路的光进行检测得到检测光生电流；
步骤S4、根据检测光生电流得到外部光的功率大小；
步骤S5、根据外部光的功率大小进行SOA芯片的增益电流和光放大倍数的自动调节。
步骤S1之前，需要通过前端光口结构接收经光纤传输的外部光，并经准直透镜进行准直和经汇聚透镜进行汇聚。
基于上述SOA+PIN ROSA模块的结构，该方法通过硅基波导分光，可在外部光进入到SOA时，同时进入到监控PD，检测出外部光输入功率。可有效规避大光功率对SOA芯片的损坏，保护SOA芯片。通过硅基波导分光，可对较大输入光进行分光，减少进入SOA的光过大，避免出现增加增益噪声的隐患。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和 “上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。
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