光学收发器及对其进行失效预测的方法和光纤通讯系统与流程

1.本发明是关于一种对光学收发器进行失效预测的方法及相关光学收发器和光纤通讯系统，尤其指一种依据发光元件的操作电流和输出光功率的斜率变化关系来对光学收发器进行失效预测的方法及相关光学收发器和光纤通讯系统。


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讯(fiber-optic communication)技术的发展。光纤通讯是指一种利用光学信号与光纤来传递信息的一种有线通讯方式，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讯方式。
3.光纤通讯系统种类繁多，其内的零组件大致分为三大类：光纤及用光纤做成的光缆、光主动元件，以及光被动元件。在整个光纤通讯系统的架构中，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转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，发光元件的运行效能会影响光学收发器的电光转换效率，因此需要一种对光学收发器进行失效预测的方法。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种对光学收发器进行失效预测的方法及相关光学收发器和光纤通讯系统，以准确地执行失效预测。
6.本发明提供一种对一光学收发器(transceiver)进行失效预测的方法，其包含在所述光学收发器的运行期间记录相关所述光学收发器中一光发射次模块(transmission optical sub-assembly,tosa)的效能的一输出光功率和一操作电流；针对在一第一时间区段内所纪录的所述操作电流的一第一平均斜率值和所述输出光功率的一第二平均斜率绝对值，以及在一第二时间区段内所纪录的所述操作电流的一第三平均斜率值和所述输出光功率的一第四平均斜率绝对值，计算所述第三平均斜率值除以所述第一平均斜率值所得的一第一比值，以及计算所述第二平均斜率绝对值除以所述第四平均斜率绝对值所得的一第二比值；以及当判定所述第一比值和所述第二比值的乘积大于一临界值时，发出一失效预告通知，其中所述第一时间区段和第二时间区段对应同一环境温度条件，且所述第一时间区段为早于所述第二时间区段的一参考时间区段。
7.本发明还提供一种光学收发器，其包含一光发射次模块、一通知警示单元，以及一智能监控模块。所述光发射次模块包含一发光元件，用来将一电性信号转换成一光学信号。所述通知警示单元用来发出一失效预告通知。所述智能监控模块包含一监控电路和一运算
控制单元。所述监控电路用来在所述光学收发器的运行期间记录所述发光元件的一输出光功率和一操作电流。所述运算控制单元用来针对在一第一时间区段内所纪录的所述操作电流的一第一平均斜率值和所述输出光功率的一第二平均斜率绝对值，以及在一第二时间区段内所纪录所述操作电流的一第三平均斜率值和所述输出光功率的一第四平均斜率绝对值，计算所述第三平均斜率值除以所述第一平均斜率值所得的一第一比值，以及计算所述第二平均斜率绝对值除以所述第四平均斜率绝对值所得的一第二比值；以及当判定所述第一比值和所述第二比值的乘积大于一临界值时，指示所述通知警示单元发出所述失效预告通知，其中所述第一时间区段和第二时间区段对应同一环境温度条件，且所述第一时间区段为早于所述第二时间区段的一参考时间区段。
8.本发明还提供一种光纤通讯系统，其包含一第一光学收发器、一第二光学收发器、一第一光纤和一第二光纤。所述第一光学收发器包含一第一光发射次模块，其包含一第一发光元件，用来将一第一电性信号转换成一第一光学信号；一第一光接收次模块(receiver optical sub-assembly,rosa)，其包含一第一光侦测元件，用来将一第二光学信号转换成一第二电性信号；一第一通知警示单元，用来发出一第一失效预告通知；以及一第一智能监控模块。所述第一智能监控模块包含一第一监控电路和一第一运算控制单元。所述第一监控电路用来在所述第一光学收发器的运行期间记录所述第一发光元件的一第一输出光功率和一第一操作电流。针对在一第一时间区段内所纪录的所述操作电流的一第一平均斜率值和所述输出光功率的一第二平均斜率绝对值，以及在一第二时间区段内所纪录的所述操作电流的一第三平均斜率值和所述输出光功率的一第四平均斜率绝对值，所述第一运算控制单元用来计算所述第三平均斜率值除以所述第一平均斜率值所得的一第一比值，以及计算所述第二平均斜率绝对值除以所述第四平均斜率绝对值所得的一第二比值；以及当判定所述第一比值和所述第二比值的乘积大于一第一临界值时，指示所述第一通知警示单元发出所述第一失效预告通知，其中所述第一时间区段和第二时间区段对应同一环境温度条件，且所述第一时间区段为早于所述第二时间区段的一第一参考时间区段。所述第二光学收发器包含一第二光发射次模块，其包含一第二发光元件，用来将一第三电性信号转换成所述第二光学信号；一第二光接收次模块，其包含一第二光侦测元件，用来将所述第一光学信号转换成一第四电性信号；一第二通知警示单元，用来发出一第二失效预告通知；以及一第二智能监控模块运算，其包含一第二监控电路和一第二运算控制单元。所述第二监控电路用来在所述第二光学收发器的运行期间记录所述第二发光元件的一第二输出光功率和一第二操作电流。针对在一第三时间区段内所纪录的所述操作电流的一第五平均斜率值和所述输出光功率的一第六平均斜率绝对值，以及在一第四时间区段内所纪录的所述操作电流的一第七平均斜率值和所述输出光功率的一第八平均斜率绝对值，所述第二运算控制单元用来计算所述第七平均斜率值除以所述第五平均斜率值所得的一第三比值，以及计算所述第六平均斜率绝对值除以所述第八平均斜率绝对值所得的一第四比值；以及当判定所述第三比值和所述第四比值的乘积大于一第二临界值时，指示所述第二通知警示单元发出所述第二失效预告通知，其中所述第三时间区段和所述第四时间区段对应同一环境温度条件，且所述第三时间区段为早于所述第四时间区段的一第二参考时间区段。所述第一光纤耦接于所述第一光发射次模块和所述第二光接收次模块之间，用来传递所述第一光学信号。所述第二光纤耦接于所述第二光发射次模块和所述第一光接收次模块之间，用来传递
所述第二光学信号。
附图说明
9.图1为本发明实施例中一种光纤通讯系统的功能方块图。
10.图2为本发明实施例中对光纤通讯系统进行失效预测的方法流程图。
11.图3为本发明光纤通讯系统在进行失效预测时的示意图。
12.附图标记说明
13.10、20 光纤
14.30a、30b 发送端放大电路
15.40a、40b 接收端放大电路
16.50a、50b 智能监控模块
17.56a、56b 监控电路
18.58a、58b 运算控制单元
19.60a、60b 通知警示单元
20.100 光纤通讯系统
21.100a、100b 光学收发器
22.tosa_a、tosa_b 光发射次模块
23.rosa_a、rosa_b 光接收次模块
24.210～260 步骤
具体实施方式
25.图1为本发明实施例中一种光纤通讯系统100的功能方块图。光纤通讯系统100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1显示了两光学收发器的实施例，然而光纤通讯系统100中光学收发器的数量并不限定本发明的范畴。
26.图1所示的光纤通讯系统100包含一光学收发器100a、一光学收发器100b，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、一发送端放大电路30a、一接收端放大电路40a、一智能监控模块50a，以及一通知警示单元60a。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、一发送端放大动电路30b、一接收端放大电路40b、一智能监控模块50b，以及一通知警示单元60b。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。
27.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1)。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畴。
28.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1)。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畴。
29.发送端放大电路30a和30b可分别提供光发射次模块tosa_a和tosa_b中发光元件运行所需的驱动信号，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中光侦测元件运行所输出的信号。
30.光学收发器100a的智能监控模块50a包含一监控电路56a和一运算控制单元58a。光学收发器100b的智能监控模块50b包含一监控电路56b和一运算控制单元58b。监控电路56a和56b可分别监测光学收发器100a和100b中各元件的状态，使得运算控制单元58a和58b依此分别控制光学收发器100a和100b的运行。上述监测功能包含温度监测(tosa端或光学收发器整体温度)、功率监测(tosa端输出功率、rosa端接收功率)、发光元件的运行状态监测(光学输出功率、操作电流)等。上述控制功能包含开启、关闭或重设系统，以及调整光发射次模块tosa_a和tosa_b中发光元件的驱动信号。举例来说，光发射次模块tosa_a和tosa_b中热敏电阻的值会随着相对应发光元件的温度而变化，因此监控电路56a和56b可依据流经感温元件的电流来监测相对应发光元件的温度，在过热时运算控制单元58a和58b可开启相对应热电致冷器，进而避免温度变化造成发光元件的输出特性有所改变。举另一例来说，光发射次模块tosa_a和tosa_b中的检光元件可接收相对应发光元件的光源并转换成电流，因此监控电路56a和56b可依据检光元件的电流值来监测相对应发光元件的光学输出功率，进而使运算控制单元58a和58b能在自动功率控制(automatic power control,apc)架构下维持固定输出功率。
31.图2为本发明实施例中对光纤通讯系统100进行失效预测的方法流程图，其包含下列步骤：
32.步骤210：在参考时间区段光纤通讯系统内每一光学收发器定期地记录其光发射次模块的温度、输出光功率和操作电流。
33.步骤220：在运行期间光纤通讯系统内每一光学收发器定期地记录其光发射次模块的温度、输出光功率和操作电流。
34.步骤230：每一光学收发器定期地求出在纪录时间区段ti内光发射次模块操作电
流的平均斜率值ai和光发射次模块输出光功率的平均斜率值bi。
35.步骤240:每一光学收发器依照对应于平均斜率值ai和bi的特定环境条件，求出在一参考时间区段t0内光发射次模块操作电流的平均斜率值a0和光发射次模块输出光功率的平均斜率值b0。
36.步骤250：每一光学收发器定期地判断(ai/a0)*(b0/bi)>th的条件是否成立；若是，执行步骤260；若否，执行步骤220。
37.步骤260：发出包含寿命预估信息的失效预告通知。
38.在光纤通讯系统的初期运行期间，每一光学收发器会在步骤210中定期地记录在参考时间区段期间内相关于tosa端效能衰减的数据，例如记录光发射次模块中发光元件的温度、输出光功率和操作电流。后续每一光学收发器会在步骤220中继续定期地记录在运行期间的相关于tosa端效能衰减的数据，例如记录光发射次模块中发光元件的温度、输出光功率和操作电流。如前所述，每一光学收发器的监控电路可依据流经光发射次模块中感温元件的电流来得知发光元件的温度，依据检光元件的电流来得知发光元件的光学输出功率，而发送放大电路所提供至发光元件的驱动信号其值为已知。因此，每一光学收发器的监控电路可随时地监测并记录相对应光发射次模块中发光元件的温度、输出光功率和操作电流。
39.依据步骤210和220中所测量到的数据，每一光学收发器在步骤230和240中可求出在对应步骤220的环境温度下在不同时间区段内的光发射次模块操作电流的平均斜率值和光发射次模块输出光功率的平均斜率值。
40.图3为本发明光纤通讯系统100在执行步骤230和240时的示意图。s1代表光发射次模块操作电流的特性曲线，s2代表光发射次模块输出光功率的特性曲线，t0代表参考时间区段，t1～t4代表纪录时间区段t1，其中两个接续时间区段之间间隔一固定时间周期δt。
41.在步骤230中，在参考时间区段t0之后每隔一固定时间周期δt，每一光学收发器会求出在相对应纪录时间区段ti内光发射次模块操作电流的平均斜率值ai和光发射次模块输出光功率的平均斜率值bi。举例来说，每一光学收发器会求出在纪录时间区段t1内光发射次模块操作电流的平均斜率值a1和光发射次模块输出光功率的平均斜率值b1；每一光学收发器会求出在纪录时间区段t2内光发射次模块操作电流的平均斜率值a2和光发射次模块输出光功率的平均斜率值b2。
42.在步骤240中，每一光学收发器会求出在参考时间区段t0内光发射次模块操作电流的平均斜率值a0和光发射次模块输出光功率的平均斜率值b0。平均斜率值a0为曲线s1在参考时间区段t0内的平均值，而平均斜率值b0为曲线s2在参考时间区段t0内的平均值。
43.造成发光元件失效的原因有很多种，其包含快速死亡(infant mortality)、外部危害(external hazards)和渐进老化(wear-out)等衰减机制。快速死亡的衰减机制主要是由严重的制程缺陷所造成，由于不良品发光元件中存在过多暗点缺陷(darkspot defect)和暗线缺陷(dark line defect)，在运行时这些缺陷会大幅降低活性区的发光效能而使得发光元件快速地失效。外部危害的衰减机制主要是由长时间在高压条件下(高电流、高温、高功率下)运行所造成，例如在严苛的操作环境或刻意进行的加压老化测试中，发光元件中存在的缺陷会加速饱和，使其可能会在保证寿命期限之前就突然失效。渐进老化的衰减机制是因为发光元件的操作特性会随着使用时间增加而改变，例如结构中的缺陷逐渐饱和而
使操作电流异常地增加。
44.在步骤250中，每一光学收发器会定期地判断(ai/a0)*(b0/bi)的值是否大于临界值th。如前所述，当光学收发器100a和100b在apc模式下运行时，光发射次模块tosa_a和tosa_b中的检光元件会提供相关于发光元件输出光功率的回馈电流，发送端放大电路30a和30b再分别依据相对应回馈电流的值来调整相对应发光元件的驱动信号，使得光发射次模块tosa_a和tosa_b能维持固定的输出光功率。无论是哪一种衰减机制，在apc模式下发光元件在接近失效时其操作电流会异常地上升，或是输出光功率会异常地变化，使得光发射次模块操作电流的平均斜率值的比值(ai/a0)或光发射次模块输出光功率的平均斜率绝对值的比值(b0/bi)异常地增加。因此当在步骤240中判定(ai/a0)*(b0/bi)>th时，即可得知发光元件已经接近失效，进而接着在步骤260中发出失效预告通知，所述通知也可包含寿命预估信息。
45.以图3的实施例来作说明，针对纪录时间区段t1内光发射次模块操作电流的平均斜率值a1和光发射次模块输出光功率的平均斜率值b1，假设在步骤250中判定(a1/a0)*(b0/b1)的值不大于临界值th，此时并不会发出失效预告通知。针对纪录时间区段t2内光发射次模块操作电流的平均斜率值a2和光发射次模块输出光功率的平均斜率值b2，假设在步骤250中判定(a2/a0)*(b0/b2)的值大于临界值th，此时会在步骤250中发出失效预告通知，所述通知也可包含寿命预估信息。
46.在本发明中，使用者可自行设定临界值th，进而调整失效判断的灵敏度。在apc架构下运行时，光发射次模块输出光功率会维持固定，使得(b0/b1)的值会接近1，因此在步骤250中也可仅判断(ai/a0)的值是否大于临界值th。
47.在本发明中，每一光学收发器可依据当下发光元件的操作电流值、操作电流的斜率变化和一最高限流值来求出寿命预估信息。上述最高限流值可由发光元件的种类和当下的操作温度来决定，当判定(ai/a0)*(b0/bi)>th的条件成立时，依据在当前时间区段内操作电流的值和斜率即可预估操作电流会在何时超过最高限流值，进而提供相对应的寿命预估信息。
48.在本发明中，当一特定光学收发器判定其发光元件已经接近失效时，可使用通知警示单元来发出包含寿命预估信息的失效通知。特定光学收发器的通知警示单元可将失效通知传送至其它光学收发器，或是传送至使用特定光学收发器的所有设备或系统。
49.综上所述，在本发明光纤通讯系统中，每一光学收发器会定期地判断其光发射次模块操作电流的斜率变化或输出光功率的斜率绝对值变化。针对固定周期内光发射次模块操作电流的平均斜率值比值(ai/a0)以及光发射次模块输出光功率的平均斜率绝对值比值(b0/bi)，当判定(ai/a0)*(b0/bi)的值大于临界值th，每一光学收发器会发出失效预告通知，所述通知也可包含寿命预估信息，因此可准确地执行失效预测。
50.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。