光收發(fā)器燈光秀的背后

本文通俗地說(shuō)，解釋了基于光纖的電信日益增長(zhǎng)的重要性，并描述了用于實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的各種標(biāo)準(zhǔn)（SDH、SONET 和 FDDI）。作為一種年輕的技術(shù)，可以進(jìn)行改進(jìn)，以提高技術(shù)的性能并降低制造過(guò)程中的成本。數(shù)字電位計(jì)提供了一種設(shè)置關(guān)鍵激光驅(qū)動(dòng)器和反饋電路以獲得最佳性能的方法。這些電位器內(nèi)部的溫度檢測(cè)機(jī)制可用于監(jiān)控和補(bǔ)償這些電路，以應(yīng)對(duì)溫度函數(shù)中可能發(fā)生的任何參數(shù)變化。這些數(shù)字電位計(jì)還可用于使用機(jī)械電位計(jì)或精心挑選的固定電阻手動(dòng)執(zhí)行的生產(chǎn)校準(zhǔn)程序自動(dòng)化。這不僅降低了這些激光驅(qū)動(dòng)器的生產(chǎn)成本，而且還可以通過(guò)消除校準(zhǔn)過(guò)程中的人為錯(cuò)誤因素來(lái)提高設(shè)備的可靠性和質(zhì)量。達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司討論的電位器包括DS1845、DS1846、DS1847和DS1848。

近年來(lái)，有關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新聞似乎總是涉及對(duì)更多帶寬的迫切需要的一些聲明。事實(shí)仍然值得重復(fù)：越來(lái)越多的人使用電話(huà)、傳真、調(diào)制解調(diào)器和計(jì)算機(jī)，通過(guò)交換數(shù) TB 的數(shù)字化信息（視頻、圖像、建模程序以及數(shù)據(jù)和語(yǔ)音），要求更大的載波頻譜份額。作為回應(yīng)，依靠增長(zhǎng)蓬勃發(fā)展的高科技通信公司正在競(jìng)相滿(mǎn)足這種對(duì)帶寬的需求。在過(guò)去的十年中，主要資源已用于開(kāi)發(fā)光纖網(wǎng)絡(luò)，其中光波通過(guò)比人類(lèi)頭發(fā)更細(xì)的光纖以每秒千兆比特的速度傳輸信息。

賭注非常高。在 2000 年 17 月的一份新聞稿中，IT 咨詢(xún)公司 Aberdeen Group（馬薩諸塞州波士頓）預(yù)測(cè)，“到 7 年，光網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)（不包括 SONET 元素）將增長(zhǎng)到 2003 億美元。能夠提供解決運(yùn)營(yíng)商面臨的問(wèn)題的技術(shù)的供應(yīng)商將是成功的供應(yīng)商。

在“供應(yīng)商”和“技術(shù)”中使用復(fù)數(shù)形式突出了本文中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。蓬勃發(fā)展的通信網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜。雖然少數(shù)大公司傾向于主導(dǎo)光網(wǎng)絡(luò)的全球部署，但在幕后，由多家公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)融合在一起，每家公司都擁有專(zhuān)業(yè)的技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)。馬克西姆屬于后一類(lèi);我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列可變電阻器，專(zhuān)門(mén)用于光收發(fā)器模塊。Maxim的電阻器在通信網(wǎng)絡(luò)宏偉方案中的位置，可以了解通信行業(yè)開(kāi)發(fā)解決方案的方式。

識(shí)別大局

光收發(fā)器模塊由各種制造商設(shè)計(jì)和制造。這些模塊的應(yīng)用包括同步光纖網(wǎng)絡(luò) （SONET） 和同步數(shù)字層次結(jié)構(gòu) （SDH）、異步傳輸模式 （ATM）、光纖分布式數(shù)據(jù)接口 （FDDI）、光纖通道、快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)。這些系統(tǒng)的名稱(chēng)反映了國(guó)際定義的傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的范圍。另一方面，模塊本身最初是在沒(méi)有明確物理特性的情況下開(kāi)發(fā)的。

認(rèn)識(shí)到一致性的必要性，如果他們的產(chǎn)品要成功，一組制造商聯(lián)合起來(lái)，在1998年為收發(fā)器模塊制定了多源協(xié)議（MSA）。該集團(tuán)由AMP公司，惠普公司，朗訊科技微電子集團(tuán)，北電（北方電信），西門(mén)子股份公司光纖和住友電氣光波公司組成。這些各方同意將其模塊的尺寸縮小一半（寬度為0.535英寸），并指定了一組模塊封裝和引腳布局，這些封裝和引腳可以在高速光纖通道應(yīng)用中使用的各種RJ-45型（包括雙工LC，MT-RJ和SC / DC）光連接器之間互換。

目前，一個(gè)新的財(cái)團(tuán)正在起草一份新的收發(fā)器模塊MSA，反映了更大的制造商隊(duì)伍和新一代模塊。這些多源制造商現(xiàn)在包括安捷倫科技、Glaze Network Products、E2O Communications、Finisar、藤倉(cāng)科技美國(guó)、日立電纜、英飛凌科技、IBM、朗訊科技、Molex、OCP、Picolight、Stratos Lightwave、住友電工光波和泰科電子。該模塊規(guī)范現(xiàn)在稱(chēng)為小型可插拔 （SFP），涵蓋高達(dá) 5.0Gb/s 的預(yù)期傳輸速率。這些規(guī)范反映了業(yè)界對(duì)更小尺寸和更高速度的熱插拔模塊進(jìn)行高密度信號(hào)傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)力。

要找到我們的電阻器在哪里，了解收發(fā)器模塊的一些基礎(chǔ)知識(shí)會(huì)有所幫助。該模塊將入射光波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)換回光。具有根本意義的是，光收發(fā)器基于半導(dǎo)體激光技術(shù)。該模塊是印刷電路板（PCB），令人垂涎的帶寬的光源是一個(gè)微小的半導(dǎo)體芯片：發(fā)光或激光二極管。在近紅外光譜的頻率下，激光器的輸出可以調(diào)制為數(shù)十GHz，這是一個(gè)寬敞的帶寬。

下面簡(jiǎn)要總結(jié)了通過(guò)收發(fā)器模塊的信號(hào)路徑。接收端口連接到傳入的光光纖。光電探測(cè)器二極管將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后放大，以便時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)可以通過(guò)電氣接口恢復(fù)、解復(fù)用和發(fā)送。光電探測(cè)器需要一個(gè)自動(dòng)功率控制的偏置電路來(lái)提供恒定的工作電壓（見(jiàn)圖1）。同時(shí)，在模塊的發(fā)送側(cè)，電子時(shí)鐘和數(shù)據(jù)位信號(hào)被合成并鎖存并發(fā)送到激光驅(qū)動(dòng)器。最后，激光驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)作為電流發(fā)送到激光二極管，激光二極管將電子能量轉(zhuǎn)換為光。

圖1.典型的平均功率控制電路使用監(jiān)視器光電二極管和可調(diào)電阻來(lái)設(shè)置偏置電流。

在一些使用激光二極管的設(shè)計(jì)中，光電探測(cè)器監(jiān)控半導(dǎo)體激光管輸出，并在反饋回路中將光重新轉(zhuǎn)換回測(cè)量激光實(shí)際輸出功率的電路。這種反饋穩(wěn)定了激光輸出功率。光學(xué)反饋是這種設(shè)計(jì)的一個(gè)復(fù)雜缺點(diǎn)。然而，最新的激光技術(shù)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）通常不需要光電探測(cè)器，因?yàn)殡娏鳂O低。

激光驅(qū)動(dòng)器必須做兩件事：它必須保持一致的直流偏置電流來(lái)設(shè)置激光工作點(diǎn)，并且必須保持調(diào)制電流來(lái)傳輸信號(hào)。隨著制造商努力提高收發(fā)器的信號(hào)吞吐量，必須仔細(xì)表征激光源的工作常數(shù)，以控制光輸出。

激光二極管和VCSEL

法布里-珀羅型激光二極管從芯片的狹窄斜邊發(fā)射相干光束，反射鏡集成在邊緣或位于芯片外部。然而，對(duì)于通信行業(yè)的未來(lái)，VCSEL是更有前途的激光源。顧名思義，VCSEL從芯片頂部（底部是未來(lái)的可能性）直徑為5至25微米的圓形腔體垂直發(fā)射激光束。反射鏡作為集成陣列集成在腔體的兩端，這種設(shè)計(jì)被稱(chēng)為“分布式布拉格反射器”。未來(lái)，使用多元件VCSEL陣列的并行光互連可以實(shí)現(xiàn)TB級(jí)吞吐量。

學(xué)術(shù)和企業(yè)機(jī)構(gòu)正在大力開(kāi)發(fā)VCSEL設(shè)計(jì)，以便更廣泛地部署。與邊緣發(fā)射器相比，VCSEL需要的電流更少，激光閾值更低（1mA或2mA與30mA）。在這個(gè)水平上，簡(jiǎn)單的電流控制通常就足夠了，無(wú)需額外的光電探測(cè)器來(lái)監(jiān)控輸出。VCSEL的發(fā)射孔徑明顯更大，這意味著輸出光束的發(fā)散角（色散量度）明顯更小。還有幾個(gè)制造和加工優(yōu)勢(shì)。芯片要小得多，允許將更多的VCSEL封裝在具有更多互連的晶圓上;整個(gè)晶圓上的所有VCSEL都可以一次測(cè)試。最后，VCSEL在操作上比半導(dǎo)體激光管更堅(jiān)固，具有更長(zhǎng)的預(yù)期壽命和更低的故障率。

無(wú)論是半導(dǎo)體激光管還是VCSEL，任何光收發(fā)器中的激光發(fā)射器都是半導(dǎo)體，其光電效應(yīng)取決于電流、電壓和電阻的相互作用。以下一些因素會(huì)影響安全性和性能：

激光輸出對(duì)溫度非常敏感。

激光功率輸出往往會(huì)在激光器的使用壽命內(nèi)發(fā)生變化，并且這種老化會(huì)隨著溫度的增加而增加。

由于VCSEL的工作功率和溫度明顯低于二極管，因此隨著時(shí)間的推移，故障率也相應(yīng)降低。

需要保護(hù)激光發(fā)射器免受隨機(jī)功率瞬變以及上電和斷電期間瞬變的影響。

盡管激光的近紅外光對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的，但進(jìn)入眼睛的光束仍然聚焦在視網(wǎng)膜上，并可能造成永久性損傷。由于對(duì)人身安全和激光功能的潛在嚴(yán)重影響，法規(guī)要求激光功率輸出限制在幾百微瓦。

控制激光電流不僅是VCSEL和半導(dǎo)體激光管的安全問(wèn)題，也是性能的一個(gè)因素。與半導(dǎo)體行為一致，VCSEL的最大輸出功率隨溫度的降低線(xiàn)性增加;相反，輸出波長(zhǎng)隨著溫度的升高而增加。簡(jiǎn)而言之，根據(jù)溫度控制電流對(duì)于控制性能非常重要。

從大局的角度來(lái)看，我們可以將積累的事實(shí)描述如下：

對(duì)帶寬的爆炸式增長(zhǎng)需求導(dǎo)致光學(xué)的發(fā)展 網(wǎng)絡(luò)。

光網(wǎng)絡(luò)使用光收發(fā)器模塊來(lái)物理轉(zhuǎn)換光信號(hào)和電信號(hào)。

收發(fā)器模塊制造商需要減小物理尺寸，并將信號(hào)吞吐量提高到每秒幾千兆位。

收發(fā)器模塊使用光電二極管接收光信號(hào)，使用激光二極管或VCSEL發(fā)送光信號(hào)。

隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提高，模塊的光主動(dòng)組件需要更精確、更可靠的功率控制，以防止激光故障、延長(zhǎng)預(yù)期壽命和/或在所需的輸出參數(shù)內(nèi)運(yùn)行。

這最后把我們帶到了Maxim的可變電阻?？刂仆ㄟ^(guò)激光二極管和VCSEL的電流，從而控制功率輸出的方法是控制電阻。有一次，一位人類(lèi)技術(shù)人員有一份全職工作，手動(dòng)調(diào)整“微調(diào)”電位器，試圖獲得良好的“眼睛模式”。這種控制和調(diào)諧問(wèn)題的更好解決方案是電子編程設(shè)備，它可以響應(yīng)溫度變化。

利基行業(yè)

雖然嚴(yán)格意義上不是通信公司之一，但Maxim在多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)方面擁有專(zhuān)業(yè)知識(shí)：數(shù)字控制可變電阻和電位器、EEPROM、溫度傳感器和超低功耗CMOS方法。為了滿(mǎn)足千兆位光學(xué)技術(shù)的需求，Maxim推出了具有一系列新功能的產(chǎn)品系列。

達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司（Maxim Integrated的全資子公司）憑借帶EEPROM的DS1845雙路電位器，設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體行業(yè)首款集成存儲(chǔ)器的電位器，專(zhuān)門(mén)用于可插拔千兆位收發(fā)器模塊。DS1845集成了兩個(gè)線(xiàn)性抽頭電位器與MSA標(biāo)準(zhǔn)要求的256字節(jié)EEPROM。更高分辨率的256位電位計(jì)可用于控制調(diào)制電流，100位電位計(jì)可用于控制偏置電流。用戶(hù)配置輸出，并將游標(biāo)設(shè)置和所需的串行ID數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片內(nèi)非易失性EEPROM存儲(chǔ)器中，以便在工作期間參考。

在旨在縮小為SFP的模塊中，將存儲(chǔ)器和兩個(gè)單獨(dú)配置的電位計(jì)組合在一起的更密集集成的組件通過(guò)更換多個(gè)部件來(lái)節(jié)省空間。此外，DS1845的2線(xiàn)接口滿(mǎn)足收發(fā)器生產(chǎn)商對(duì)在線(xiàn)可編程性的要求，并與現(xiàn)有的2線(xiàn)EEPROM兼容。

為了滿(mǎn)足更多的特殊需求，達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)了DS1846，它將三個(gè)線(xiàn)性錐度電位器與非易失性存儲(chǔ)器和一個(gè)CPU監(jiān)控器集成在簡(jiǎn)化的TSSOP封裝中。這種在如此小的芯片中的集成度節(jié)省了電路板空間，減少了成本和采購(gòu)延遲，從而加快了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。與DS1845一樣，非易失存儲(chǔ)器用于配置和存儲(chǔ)特定應(yīng)用的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。而且，為了控制每個(gè)電位計(jì)的游標(biāo)設(shè)置，還有內(nèi)存空間可用于用戶(hù)特定的數(shù)據(jù)。

DS1846的片內(nèi)微型監(jiān)視器跟蹤電壓。檢測(cè)到超出容差的電壓電平時(shí)，微型監(jiān)視器啟動(dòng)并保持系統(tǒng)復(fù)位，直到安全操作條件恢復(fù)。微型監(jiān)視器可針對(duì)各種電壓電平進(jìn)行編程，并包括手動(dòng)復(fù)位。

第三個(gè)電位計(jì)可用于監(jiān)視另一個(gè)變量，或?yàn)槠渌娮柚惶峁┐致哉{(diào)整。

DS1847和DS1848適用于要求苛刻的激光應(yīng)用，可補(bǔ)償激光器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的熱特性（見(jiàn)圖2）。DS1848具有額外的128字節(jié)通用EEPROM;否則兩者是相似的。芯片在板載查找表（LUT）中存儲(chǔ)相對(duì)于溫度的電阻特性。集成的溫度傳感器在激光操作期間持續(xù)測(cè)量和報(bào)告溫度。DS1847或DS1848將讀數(shù)與LUT中存儲(chǔ)的值進(jìn)行比較，并根據(jù)設(shè)計(jì)人員定義的電阻特性調(diào)整電阻。由溫度傳感器確定的值也存儲(chǔ)在EEPROM中（每10毫秒更新一次），用戶(hù)可通過(guò)2線(xiàn)總線(xiàn)獲得。還應(yīng)注意的是，DS1847和DS1848自動(dòng)工作。當(dāng)檢測(cè)到溫度變化時(shí)，控制電路會(huì)自動(dòng)調(diào)整電阻以達(dá)到補(bǔ)償電流值，而無(wú)需任何用戶(hù)干預(yù)。

圖2.可變電阻器專(zhuān)為像這樣的光收發(fā)器而設(shè)計(jì)，比舊的機(jī)械調(diào)整電位計(jì)更準(zhǔn)確地自動(dòng)校準(zhǔn)每個(gè)二極管。

總體而言，所有Maxim電路均采用低功耗CMOS技術(shù)，有助于降低敏感的功率預(yù)算。所有電路均在整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作，并采用 3V 和 5V 電源供電。

顯然，在像光通信網(wǎng)絡(luò)這樣龐大、復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)的市場(chǎng)中，許多參與者都在多個(gè)層面上運(yùn)作。激光的成功，一種新的異國(guó)情調(diào)技術(shù)的明星，可以取決于一個(gè)相對(duì)古老和熟悉的參與者，謙虛的電阻器。當(dāng)然，馬克西姆對(duì)這個(gè)寓言寓意的警告是，“它不再是你祖父的抵抗者了。

審核編輯：郭婷