【導(dǎo)讀】隨著工業(yè)和嵌入式計(jì)算對(duì)通信距離、低功耗和小型配置需求的提高，對(duì)通信帶寬也提出了更高的要求。而FPGA等特定使能技術(shù)以及收發(fā)器、連接器和接收器的進(jìn)步也為光通信技術(shù)的快速發(fā)展提供了支持。
隨著工業(yè)和嵌入式計(jì)算對(duì)通信距離、低功耗和小型配置需求的提高，對(duì)通信帶寬也提出了更高的要求。而FPGA等特定使能技術(shù)以及收發(fā)器、連接器和接收器的進(jìn)步也為光通信技術(shù)的快速發(fā)展提供了支持。
圖1：帶終端的光纖電纜
一般來說，光通信包括一個(gè)將信息編碼成光信號(hào)的發(fā)射器、一個(gè)將信號(hào)傳輸?shù)侥康牡氐耐ǖ篮鸵粋€(gè)從光信號(hào)中復(fù)制信息的接收器。光通信速度在很大程度上取決于信息信號(hào)與光纖分子相互作用所產(chǎn)生的失真度。傳輸速度越快，信號(hào)就越容易失真。當(dāng)失真較大時(shí)，接收端就會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)錯(cuò)誤。
不同于射頻通信固有的局限性，如今的光解決方案可以在更高的帶寬下運(yùn)行，并通過比射頻更小、更輕、功耗更低的封裝來傳輸更多的數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以在未受到管制的頻譜內(nèi)運(yùn)行。
提高帶寬對(duì)于工業(yè)和嵌入式環(huán)境來說非常重要，而光纖能夠傳輸非常高的帶寬信號(hào)，甚至達(dá)到數(shù)GHz，較低的帶寬信號(hào)還可以復(fù)用到同一根電纜上進(jìn)行傳輸。光纖本身就具有較強(qiáng)的抗噪能力，而以前的工業(yè)用電纜需要安裝在導(dǎo)管保護(hù)套中。此外，在有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中，光纖鏈路不會(huì)儲(chǔ)存足以引發(fā)爆炸的能量。
工業(yè)和嵌入式應(yīng)用都需要提高安全性，而光通信在這方面則有其特有的優(yōu)勢(shì)。由于光纖不會(huì)產(chǎn)生外部傳感器可以捕捉到的電磁干擾場(chǎng)，因此與傳統(tǒng)銅纜相比，幾乎不可能通過拼接光纖來“竊取”信號(hào)。
滿足工業(yè)和嵌入式計(jì)算需求
雖然最初在電信和廣域網(wǎng)中使用了很多年，但光纖在工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中也得到了普遍的應(yīng)用。隨著高數(shù)據(jù)傳輸速率能力、噪聲抑制和電氣隔離需求變得越來越重要，光纖技術(shù)在工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。在這一領(lǐng)域，最常用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，因此光纖鏈路被用來擴(kuò)展RS-232、RS-422/485和以太網(wǎng)系統(tǒng)的距離限制。
堅(jiān)固耐用的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)也需要高數(shù)據(jù)速率的輸入/輸出，而光纖正好可以滿足這些需求。輸入/輸出可以是連接兩個(gè)插入式模塊的較短鏈路，也可以是較長(zhǎng)的鏈路。在眾多數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中，光計(jì)算的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮了巨大的作用。
在嵌入式和工業(yè)高速應(yīng)用中，收發(fā)器可減少所需組件數(shù)、加快設(shè)計(jì)速度并節(jié)省成本。例如，Avago AFBR-59FxZ緊湊型650nm收發(fā)器可通過2.2mm護(hù)套的標(biāo)準(zhǔn)塑料光纖 (POF)，實(shí)現(xiàn)快速以太網(wǎng) (100Mbps) 通信。
AFBR-59FxZ收發(fā)器可用于工廠自動(dòng)化、工業(yè)視覺系統(tǒng)以及發(fā)電和配電系統(tǒng)。此收發(fā)器采用650nm LED，由完全集成的驅(qū)動(dòng)器IC驅(qū)動(dòng)。該IC是一個(gè)具有差分輸入信號(hào)的線性集成LED驅(qū)動(dòng)器，可將輸入電壓轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED的輸出電流，工作電壓為3.3V。
而Finisar的FTLX1x72x3BCL可插拔多速率SFP+收發(fā)器符合SFF-8431、SFF-8432和10GBASE-ER標(biāo)準(zhǔn)，支持10G SONET、SDH、OTN、IEEE 802.3ae、40k鏈路的8x/10x光纖通道和6.144G/9.83 CPRI。此系列收發(fā)器用于高達(dá)40km的G.652單模光纖的萬兆多速率鏈路。
與1310nm 10GBASE-LR和OC-192 SR-1收發(fā)器相比，F(xiàn)inisar FTLX1772M3BCL收發(fā)器還具有更高的光發(fā)射功率和更好的接收器靈敏度，并支持17dB的光鏈路預(yù)算，以補(bǔ)償40km G.652單模光纖在1310nm波長(zhǎng)下較高的光纖衰減損耗。
在該解決方案中，根據(jù)SFF-8472的規(guī)定，可通過2線串行接口提供數(shù)字診斷功能。FTLX1772M3BCL收發(fā)器采用內(nèi)部發(fā)射器和接收器重定時(shí)器IC，以滿足SONET/SDH抖動(dòng)的要求，并能增強(qiáng)主機(jī)卡的信號(hào)完整性。其應(yīng)用包括10GBASE-ER/EW和10G光纖通道（FTLX1672D3BCL）、OTN G.709 OTU1e/2/2e FEC比特率、6.144G/9.83G CPRI、8.5Gb/s光纖通道、10G NRZ SONET、SDH、10G以太網(wǎng)和光纖通道以及G.709 OTN FEC比特率。
集成FPGA
為滿足降低功耗和電信號(hào)路徑長(zhǎng)度的要求，可集成高速光收發(fā)器與可編程器件，進(jìn)而大大縮短從芯片I/O焊盤到光收發(fā)器輸入端的信號(hào)路徑。 縮短路徑還能降低電磁干擾（EMI）和抖動(dòng)，提高信號(hào)完整性，減少寄生元件造成的數(shù)據(jù)誤差。
Altera的光學(xué)FPGA技術(shù)突破了近年來在傳輸距離、功耗、端口密度、成本和電路板復(fù)雜性方面的限制。例如，該公司的Arria V GX 13688 LABs 704 IO系列便是一款綜合型中端FPGA產(chǎn)品。Arria V器件非常適合于功耗敏感型無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、20G/50G橋接、交換及數(shù)據(jù)包處理應(yīng)用、高清視頻處理和圖像處理、密集型數(shù)字信號(hào)處理（DSP）應(yīng)用。它采用臺(tái)積電28納米工藝技術(shù)和硬知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 模塊，功耗比前幾代產(chǎn)品低50%，是所有中端系列中功耗最低的收發(fā)器。
該系列在單個(gè)Arria V片上系統(tǒng) (SoC) 中緊密集成了雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器、硬IP和FPGA。它支持超過128 Gbps的峰值帶寬，并能保持處理器和FPGA架構(gòu)之間集成數(shù)據(jù)的一致性。
而Altera的28-nm Stratix V FPGA包括增強(qiáng)型內(nèi)核架構(gòu)、高達(dá)28.05Gbps的集成收發(fā)器和獨(dú)特的集成硬知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 塊陣列等創(chuàng)新技術(shù)。這種組合使Stratix V FPGA能夠提供一類應(yīng)用特定的新型器件，這些器件針對(duì)帶寬密集型的應(yīng)用和協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，包括PCI Express（PCIe）Gen3、40G/100G及以上的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，以及高性能、高精度數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 應(yīng)用。
接收器
只要接收端能提供足夠的信號(hào)電平，光纖系統(tǒng)便可產(chǎn)生極低的比特誤碼率 (BER)，而且由于光纖不會(huì)受到電磁干擾 (EMI)，因此相鄰電纜上的信號(hào)不會(huì)耦合在一起。Avago Technologies的AFBR-25x1CZ光纖接收器由集成光電二極管的IC組成，可產(chǎn)生與TTL邏輯系列兼容的輸出。在與Avago的AFBR-15x9Z或AFBR-16x9Z發(fā)射器配合使用時(shí)，可支持從DC到5MBd的任何類型信號(hào)，使用1mm 0.5NA POF時(shí)傳輸距離可達(dá)50米，使用200μm 0.37NA PCS時(shí)傳輸距離可達(dá)500米。該接收器有4個(gè)引腳，采用Versatile Link外殼。Versatile Link器件可以互連，從而極大地節(jié)省了空間，并能與全雙工連接器建立雙通道連接。
圖2：Avago AFBR-25x1CZ光纖接收器推薦應(yīng)用電路 （圖源：數(shù)據(jù)手冊(cè)）
Avago AFBR-25x1CZ光纖接收器可應(yīng)用于5MBd及以下系統(tǒng)的光接收器、工業(yè)控制和工廠自動(dòng)化、RS-232和RS-485擴(kuò)展、高壓隔離、消除接地回路，以及降低電壓瞬變敏感度。
連接器
過去，光纖鏈路的端接需要耗費(fèi)大量的人力，包括切割光纖、用環(huán)氧樹脂澆注專用連接器，以及拋光光纖末端。這些操作需要特定的工具和測(cè)試設(shè)備，方能確保良好的連接。這種技術(shù)至今仍然占據(jù)著一定的市場(chǎng)份額，且用于切割、對(duì)齊和連接光纖的設(shè)備已得到改進(jìn)和簡(jiǎn)化。此外，連接還會(huì)產(chǎn)生損耗，具體因連接類型而異，但通常在0.2dB至1dB之間。
例如，TE Connectivity (TE) 加固型光學(xué)背板互連系統(tǒng)提供背板/子板結(jié)構(gòu)的高密度盲插光學(xué)互連。TE還提供了采用插座（背板）和配接插頭（子卡）連接器的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)最多可連接兩個(gè)MT套管，每個(gè)套管可容納多達(dá)24條光纖路徑， 其典型應(yīng)用包括需要光學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施的惡劣環(huán)境和高帶寬計(jì)算應(yīng)用。這些連接器支持VITA 66.1標(biāo)準(zhǔn)，可最大限度地提高光學(xué)性能。
突破其他障礙
然而，光通信并非沒有挑戰(zhàn)。以光纖為例，當(dāng)功率超過臨界值時(shí)，額外增加的功率會(huì)對(duì)光纜中傳輸?shù)男畔⒃斐刹豢赏旎氐拇鄹摹?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
加州大學(xué)圣地亞哥分校的光子學(xué)研究人員聲稱，他們已經(jīng)突破了限制光纖傳輸距離的關(guān)鍵障礙，使得信息在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)仍能被接收器準(zhǔn)確破譯。他們提高了光信號(hào)通過光纖傳輸?shù)淖畲蠊β?，從而提高了傳輸距離，這項(xiàng)研究成果發(fā)表在2015年6月26日出版的《科學(xué)》雜志上。
在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，研究人員利用標(biāo)準(zhǔn)放大器，在不使用中繼器的情況下，成功破譯了通過光纜傳輸?shù)男畔?，傳輸距離突破12,000公里（近7500英里）。這一突破消除了功率限制，擴(kuò)大了信號(hào)在不使用中繼器的情況下通過光纖傳輸?shù)木嚯x。在處理80到200個(gè)信道時(shí)，取消周期性電子再生可節(jié)省大量成本，并提高信息傳輸效率。
這一突破性技術(shù)利用寬帶“頻率梳”，來確保通過光纖長(zhǎng)距離傳輸?shù)睦壭畔⒘髦g的信號(hào)失真或串?dāng)_是可預(yù)測(cè)的，最重要的是，在接收端是可逆的。頻率梳可以防止隨機(jī)失真，因?yàn)殡S機(jī)失真會(huì)導(dǎo)致接收端無法重新組合原始內(nèi)容。
展望未來
近來光通信技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在提高單個(gè)波長(zhǎng)信道的帶寬和每條光纖傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)數(shù)量上。未來將集中于支持各種新興應(yīng)用，即以靈活、低功耗和高成本效益的方式提供實(shí)時(shí)、按需和高數(shù)據(jù)速率功能。
雖然光通信仍面臨著一些其他挑戰(zhàn)， 如帶寬擴(kuò)展、傳輸距離、功率和集成方面的問題。但隨著工業(yè)和嵌入式領(lǐng)域?qū)νㄐ判阅?、安全性和價(jià)格需求的不斷提高，光學(xué)技術(shù)將繼續(xù)提供合適的解決方案。
（作者: Carolyn Mathas）
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