【導讀】隨著工業和嵌入式計算對通信距離、低功耗和小型配置需求的提高，對通信帶寬也提出了更高的要求。而FPGA等特定使能技術以及收發器、連接器和接收器的進步也為光通信技術的快速發展提供了支持。
隨著工業和嵌入式計算對通信距離、低功耗和小型配置需求的提高，對通信帶寬也提出了更高的要求。而FPGA等特定使能技術以及收發器、連接器和接收器的進步也為光通信技術的快速發展提供了支持。
圖1：帶終端的光纖電纜
一般來說，光通信包括一個將信息編碼成光信號的發射器、一個將信號傳輸到目的地的通道和一個從光信號中復制信息的接收器。光通信速度在很大程度上取決于信息信號與光纖分子相互作用所產生的失真度。傳輸速度越快，信號就越容易失真。當失真較大時，接收端就會出現檢測錯誤。
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據，同時還可以在未受到管制的頻譜內運行。
提高帶寬對于工業和嵌入式環境來說非常重要，而光纖能夠傳輸非常高的帶寬信號，甚至達到數GHz，較低的帶寬信號還可以復用到同一根電纜上進行傳輸。光纖本身就具有較強的抗噪能力，而以前的工業用電纜需要安裝在導管保護套中。此外，在有爆炸危險的環境中，光纖鏈路不會儲存足以引發爆炸的能量。
工業和嵌入式應用都需要提高安全性，而光通信在這方面則有其特有的優勢。由于光纖不會產生外部傳感器可以捕捉到的電磁干擾場，因此與傳統銅纜相比，幾乎不可能通過拼接光纖來“竊取”信號。
滿足工業和嵌入式計算需求
雖然最初在電信和廣域網中使用了很多年，但光纖在工業數據通信系統中也得到了普遍的應用。隨著高數據傳輸速率能力、噪聲抑制和電氣隔離需求變得越來越重要，光纖技術在工業系統中的應用也愈發廣泛。在這一領域，最常用的是點對點連接，因此光纖鏈路被用來擴展RS-232、RS-422/485和以太網系統的距離限制。
堅固耐用的嵌入式計算系統也需要高數據速率的輸入/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插入式模塊的較短鏈路，也可以是較長的鏈路。在眾多數據密集型應用中，光計算的優勢發揮了巨大的作用。
在嵌入式和工業高速應用中，收發器可減少所需組件數、加快設計速度并節省成本。例如，Avago AFBR-59FxZ緊湊型650nm收發器可通過2.2mm護套的標準塑料光纖 (POF)，實現快速以太網 (100Mbps) 通信。
AFBR-59FxZ收發器可用于工廠自動化、工業視覺系統以及發電和配電系統。此收發器采用650nm LED，由完全集成的驅動器IC驅動。該IC是一個具有差分輸入信號的線性集成LED驅動器，可將輸入電壓轉換為LED的輸出電流，工作電壓為3.3V。
而Finisar的FTLX1x72x3BCL可插拔多速率SFP+收發器符合SFF-8431、SFF-8432和10GBASE-ER標準，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。此系列收發器用于高達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收發器相比，Finisar FTLX1772M3BCL收發器還具有更高的光發射功率和更好的接收器靈敏度，并支持17dB的光鏈路預算，以補償40km G.652單模光纖在1310nm波長下較高的光纖衰減損耗。
在該解決方案中，根據SFF-8472的規定，可通過2線串行接口提供數字診斷功能。FTLX1772M3BCL收發器采用內部發射器和接收器重定時器IC，以滿足SONET/SDH抖動的要求，并能增強主機卡的信號完整性。其應用包括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路徑長度的要求，可集成高速光收發器與可編程器件，進而大大縮短從芯片I/O焊盤到光收發器輸入端的信號路徑。 縮短路徑還能降低電磁干擾（EMI）和抖動，提高信號完整性，減少寄生元件造成的數據誤差。
Altera的光學FPGA技術突破了近年來在傳輸距離、功耗、端口密度、成本和電路板復雜性方面的限制。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產品。Arria V器件非常適合于功耗敏感型無線基礎設施設備、20G/50G橋接、交換及數據包處理應用、高清視頻處理和圖像處理、密集型數字信號處理（DSP）應用。它采用臺積電28納米工藝技術和硬知識產權 (IP) 模塊，功耗比前幾代產品低50%，是所有中端系列中功耗最低的收發器。
該系列在單個Arria V片上系統 (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架構之間集成數據的一致性。
而Altera的28-nm Stratix V FPGA包括增強型內核架構、高達28.05Gbps的集成收發器和獨特的集成硬知識產權 (IP) 塊陣列等創新技術。這種組合使Stratix V FPGA能夠提供一類應用特定的新型器件，這些器件針對帶寬密集型的應用和協議進行了優化，包括PCI Express（PCIe）Gen3、40G/100G及以上的數據密集型應用，以及高性能、高精度數字信號處理 (DSP) 應用。
接收器
只要接收端能提供足夠的信號電平，光纖系統便可產生極低的比特誤碼率 (BER)，而且由于光纖不會受到電磁干擾 (EMI)，因此相鄰電纜上的信號不會耦合在一起。Avago Technologies的AFBR-25x1CZ光纖接收器由集成光電二極管的IC組成，可產生與TTL邏輯系列兼容的輸出。在與Avago的AFBR-15x9Z或AFBR-16x9Z發射器配合使用時，可支持從DC到5MBd的任何類型信號，使用1mm 0.5NA POF時傳輸距離可達50米，使用200μm 0.37NA PCS時傳輸距離可達500米。該接收器有4個引腳，采用Versatile Link外殼。Versatile Link器件可以互連，從而極大地節省了空間，并能與全雙工連接器建立雙通道連接。
圖2：Avago AFBR-25x1CZ光纖接收器推薦應用電路 （圖源：數據手冊）
Avago AFBR-25x1CZ光纖接收器可應用于5MBd及以下系統的光接收器、工業控制和工廠自動化、RS-232和RS-485擴展、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大量的人力，包括切割光纖、用環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試設備，方能確保良好的連接。這種技術至今仍然占據著一定的市場份額，且用于切割、對齊和連接光纖的設備已得到改進和簡化。此外，連接還會產生損耗，具體因連接類型而異，但通常在0.2dB至1dB之間。
例如，TE Connectivity (TE) 加固型光學背板互連系統提供背板/子板結構的高密度盲插光學互連。TE還提供了采用插座（背板）和配接插頭（子卡）連接器的光學系統，該系統最多可連接兩個MT套管，每個套管可容納多達24條光纖路徑， 其典型應用包括需要光學基礎設施的惡劣環境和高帶寬計算應用。這些連接器支持VITA 66.1標準，可最大限度地提高光學性能。
突破其他障礙
然而，光通信并非沒有挑戰。以光纖為例，當功率超過臨界值時，額外增加的功率會對光纜中傳輸的信息造成不可挽回的篡改。
加州大學圣地亞哥分校的光子學研究人員聲稱，他們已經突破了限制光纖傳輸距離的關鍵障礙，使得信息在遠距離傳輸時仍能被接收器準確破譯。他們提高了光信號通過光纖傳輸的最大功率，從而提高了傳輸距離，這項研究成果發表在2015年6月26日出版的《科學》雜志上。
在實驗室環境中，研究人員利用標準放大器，在不使用中繼器的情況下，成功破譯了通過光纜傳輸的信息，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，擴大了信號在不使用中繼器的情況下通過光纖傳輸的距離。在處理80到200個信道時，取消周期性電子再生可節省大量成本，并提高信息傳輸效率。
這一突破性技術利用寬帶“頻率梳”，來確保通過光纖長距離傳輸的捆綁信息流之間的信號失真或串擾是可預測的，最重要的是，在接收端是可逆的。頻率梳可以防止隨機失真，因為隨機失真會導致接收端無法重新組合原始內容。
展望未來
近來光通信技術的進步主要體現在提高單個波長信道的帶寬和每條光纖傳輸的波長數量上。未來將集中于支持各種新興應用，即以靈活、低功耗和高成本效益的方式提供實時、按需和高數據速率功能。
雖然光通信仍面臨著一些其他挑戰， 如帶寬擴展、傳輸距離、功率和集成方面的問題。但隨著工業和嵌入式領域對通信性能、安全性和價格需求的不斷提高，光學技術將繼續提供合適的解決方案。
（作者: Carolyn Mathas）
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