光通信中光收發(fā)模塊和數(shù)字可變電阻及其應(yīng)用

本文介紹光通信網(wǎng)絡(luò)中光收發(fā)模塊和數(shù)字非易失可變電阻的技術(shù)與應(yīng)用,并著重分析新型數(shù)字非易失可變電阻DS1847/8在激光技術(shù)中對(duì)系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

光收發(fā)模塊伴隨光纖通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生

近年來(lái)，從關(guān)于通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信息中發(fā)現(xiàn),它總是和越來(lái)越高的頻帶寬需求有關(guān)。事實(shí)上,這種情況還在繼續(xù),即數(shù)量不斷增長(zhǎng)的電話(huà)、傳真、調(diào)制解調(diào)器和計(jì)算機(jī),它們對(duì)帶寬的需求越來(lái)越高，以用來(lái)傳送太比特?cái)?shù)字化信息(視頻、圖像、建模程序以及數(shù)據(jù)和語(yǔ)音等)。與此同時(shí)，那些快速成長(zhǎng)的高科技通信公司正在為滿(mǎn)足寬帶的需求而努力。在過(guò)去的十年，主要力量已經(jīng)投人到開(kāi)發(fā)光纖網(wǎng)絡(luò)中，在光網(wǎng)絡(luò)里，光波通過(guò)比頭發(fā)絲還要細(xì)的光纖，以千兆位/秒的速度傳輸信息。

仍處于發(fā)展中的通信網(wǎng)絡(luò)具有高度的復(fù)雜性。少數(shù)幾個(gè)大公司試圖主宰全球光網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)，在此背景下,則是多家公司所開(kāi)發(fā)的技術(shù)的融合,而每一種都包含了特殊的專(zhuān)門(mén)技術(shù)。DallasSemiconductor公司則屬于后者,即特殊的專(zhuān)門(mén)技術(shù)；它們已設(shè)計(jì)了一系列的可變電阻，尤其適合于光收發(fā)模塊。現(xiàn)在,概述一下Dallas的可變電位器所應(yīng)用于宏大的通信網(wǎng)絡(luò)方案，以便揭示出一些有關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)工業(yè)的解決方案。值此應(yīng)先對(duì)關(guān)于光收發(fā)模塊在技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用方面作此分折。

概述光收發(fā)模塊

光收發(fā)模塊應(yīng)用

當(dāng)今,許多制造商都設(shè)計(jì)和生產(chǎn)光收發(fā)模塊。而光收發(fā)模塊的應(yīng)用在下列幾個(gè)方面,即同步光纖網(wǎng)絡(luò)(SONET)和同步數(shù)字體系(SDH)、異步傳輸模式(ATM)、光纖分布數(shù)據(jù)接口(FDDI)、光纖通道、快速以太網(wǎng)和千兆位以太網(wǎng)等系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的名稱(chēng)代表傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際定義。另一方面，光收發(fā)模塊自身在早期開(kāi)發(fā)時(shí)并沒(méi)有規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的物理特性。

關(guān)于兼容性問(wèn)題

由于認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品想進(jìn)一步取得成功，就必須考慮兼容性的要求，在1998年，一些制造商聯(lián)合起來(lái)，制訂了一個(gè)收發(fā)模塊的多源協(xié)議(MSA)。該聯(lián)合體包括：AMP incorporated，Hewlett-Packard Company和Lucent Technologies Microelectronics Group等等公司。這些公司同意將模塊的尺寸減小一半(寬度減至0.535英寸)以及規(guī)定了一套模塊的封裝和引腳排列,它們能夠在大量的、用于高速光纖通道的RJ-45類(lèi)(包括雙工LC、MT-RJ和SC／DC)光連接器之間互換。

目前，一個(gè)新的協(xié)會(huì)正在起草一份新的光收發(fā)模塊多源協(xié)議(MSA)，代表了一個(gè)更大的制造商聯(lián)合體和新一代的模塊。這種多源制造商現(xiàn)在包括Agilent Technologies，Hitachi cabl，IBM，Molex等均15家著名公司。模塊規(guī)范現(xiàn)在被稱(chēng)為小外型可插拔(SFP)并有望達(dá)到5.0Gb／s的傳輸速率。該規(guī)范反映了業(yè)界對(duì)于在更小體積、更高速度的熱插拔模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度信號(hào)傳送的追求。

光收發(fā)模塊概念

找到可變電阻(特殊專(zhuān)門(mén)技術(shù)的電位器)在光收發(fā)模塊技術(shù)中的位置，將有助于理解關(guān)于收發(fā)模塊的一些基礎(chǔ)知識(shí)。模塊先將輸入的光波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，同時(shí)將輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?strong>光信號(hào)。而從根本上來(lái)講，光收發(fā)器模塊是基于半導(dǎo)體激光技術(shù)。模塊是一塊印刷電路板(PCB)，它具有一定帶寬的光源,其光源來(lái)自一個(gè)細(xì)小的半導(dǎo)體芯片,即一個(gè)發(fā)光二極管或激光二極管。而光源頻率在紅外譜近處，可調(diào)制以數(shù)十GHz信號(hào)，提供一個(gè)寬廣的帶寬。

光收發(fā)模塊的信號(hào)通道與設(shè)計(jì)

模塊接收端的接收口接至輸人光纖，光電檢測(cè)二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，接著被放大，以便將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)并解復(fù)用,以及通過(guò)電接口輸出。光電檢測(cè)器要求一個(gè)自動(dòng)控制功率的偏置電路，以提供恒定的工作電壓,見(jiàn)圖1所示。同樣,在模塊發(fā)送端，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)位的電信號(hào)經(jīng)過(guò)同步、鎖存后，被送至激光驅(qū)動(dòng)器。最后，激光驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)以電流方式調(diào)制激光二極管，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣狻?/P>

在采用激光二極管的設(shè)計(jì)中，采用一只光電檢測(cè)器監(jiān)測(cè)激光二極管的輸出，而后，通過(guò)反饋環(huán)路，再將光信號(hào)回饋給電路，以測(cè)量激光管的實(shí)際輸出功率．這種反饋能夠穩(wěn)定激光管輸出功率。但光反饋是這種設(shè)計(jì)中的一個(gè)缺陷。如今己采用一種新的激光技術(shù),即垂直腔體表面發(fā)射激光器(VCSEL),由于它只需極低的驅(qū)動(dòng)電流而通常不需要光電檢測(cè)器。

值此要說(shuō)明的是,激光驅(qū)動(dòng)器必須做兩件事情：首先它必須保持一個(gè)恒定的DC偏置，以設(shè)定激光器的工作點(diǎn)；另外它還必須提供—個(gè)調(diào)制電流來(lái)承載信號(hào)。隨著制造商努力增加收發(fā)器的信號(hào)吞吐率，激光源的工作常數(shù)必須檢仔細(xì)地加以規(guī)范，以更好地控制光輸出。

關(guān)于激光二極管和VCSEL(垂直腔體表面發(fā)射激光器)

Fabu-Perot類(lèi)型的激光二極管從芯片狹窄的邊沿發(fā)出相干光線(xiàn),且反射鏡處于邊緣或安裝在芯片的外部。不管怎樣，對(duì)于未來(lái)的通信工業(yè)，更有前途的激光源是VCSEL。就如同其名稱(chēng)所述，VCSEL從位于芯片頂端(未來(lái)可能采用底部)的一個(gè)直徑5至25微米的圓形腔體上垂直地發(fā)出激光光柱。反射鏡排列在腔體的兩端稱(chēng)為“分布式布喇格反射器”。將來(lái),采用多元VCSEL陣列的并行光互連將達(dá)到兆兆字節(jié)的吞吐率。

目前各研究機(jī)構(gòu)正在開(kāi)發(fā)更普及應(yīng)用的VCSEL設(shè)計(jì)。與邊沿發(fā)射器相比，VCSEL需要的電流更小,具有更低的發(fā)射激光門(mén)限(1mA或2mA對(duì)比30mA)。在這種情況下，簡(jiǎn)單的電流控制通常就足以滿(mǎn)足要求，而無(wú)需光電檢測(cè)器監(jiān)測(cè)輸出。VCSEL發(fā)射孔徑相當(dāng)大，這就意味著輸出光柱的散射角(發(fā)散程度)相當(dāng)小，當(dāng)然，這也存在生產(chǎn)和加工方面的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，VCSEL的片芯更小,從而允許更多的VCSEL安排到同一個(gè)晶片上；其次，處于整個(gè)晶片上的所有VCSEL能夠立即得到測(cè)試；最后，VCSEL在工作中比激光二極管更為牢靠，具有更長(zhǎng)的壽命和更低的失效率。

無(wú)淪是激光二極管還是VCSEL，在任何一個(gè)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)都依賴(lài)于電流、電壓和阻抗的相互作用，下列的一些因素都會(huì)影響到安全性和性能：

．激光輸出對(duì)溫度過(guò)于敏感；

．激光輸出功率隨著激光的壽命而變化，并且溫度的升高將加快老化；

．由于VCSEL比激光二極管工作時(shí)的電流和濕度都要低，因此，其故障率也成比例地降低；

．激光發(fā)射器需要保護(hù)，以防止功率的隨機(jī)跳變以及電源上電和斷電過(guò)程的跳變帶來(lái)的破壞；

．盡管人類(lèi)看不見(jiàn)激光器的近紅外光，但是，進(jìn)入眼睛內(nèi)的光柱還是會(huì)聚焦在視網(wǎng)模上,此種能夠引起永久性的傷害，再加上激光器功能,這二者均對(duì)人體安全均存在著嚴(yán)重的潛在影響，為此要求激光功率輸出必須限制在幾百毫瓦以?xún)?nèi)。

控制VCSEL和激光二極管中的激光電流不僅僅是安全問(wèn)題，還有性能上的考慮。同半導(dǎo)體的表現(xiàn)一致，VCSEL的最大輸出功率隨著溫度的降低而線(xiàn)性地增加，輸出的波長(zhǎng)隨著溫度的增加而增加?？偠灾?隨溫度變化而控制電流在保證性能方面是非常重要的。

對(duì)光收發(fā)模塊及其相關(guān)技術(shù)提出新的要求及實(shí)現(xiàn)

對(duì)光收發(fā)模塊及其相關(guān)技術(shù)提出新的要求

．由帶寬的巨大需求引導(dǎo)出光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展；光網(wǎng)絡(luò)采用光收發(fā)模塊，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

．收發(fā)模塊的制造商不斷降低幾何尺寸，提高信號(hào)吞吐率至數(shù)吉比特每秒；

．收發(fā)模塊采用光電二極管接收光信號(hào),采用激光二極管或VCSEL發(fā)送光信號(hào)；

．隨著數(shù)據(jù)速率持續(xù)增長(zhǎng)，光收發(fā)模塊的有源光電元件需要更為精密、更為可靠的功率控制，以阻止激光故障,延長(zhǎng)壽命期限并且工作應(yīng)在期望的輸出參數(shù)內(nèi)。

實(shí)現(xiàn)與達(dá)到上述的要求-數(shù)字控制可變電阻的應(yīng)用

這最終將轉(zhuǎn)向Dallas Semiconductor的可變電阻。要控制流過(guò)激光二極管和VCSEL的電流，從而控制功率輸出的方法是通過(guò)控制電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。之前,在相當(dāng)有一段時(shí)間內(nèi)，技術(shù)人員專(zhuān)職于手動(dòng)調(diào)節(jié)“校準(zhǔn)電位器”,以試圖得到一個(gè)好的“眼圖”,但效果不佳。而這種控制和調(diào)校問(wèn)題的更好解決方法應(yīng)該是采用一個(gè)電可編程的器件-新型數(shù)字控制的可變電阻和電位器，因?yàn)樗軌蝽憫?yīng)溫度的變化。為此,下面要著重分析新型數(shù)字控制的可變電阻和電位器與應(yīng)用。

新型數(shù)字控制的可變電阻開(kāi)發(fā)與應(yīng)用勢(shì)在必行

雖然不是一個(gè)嚴(yán)格意義上的通信公司，但在一些相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，Dallas SemicGnductor公司仍可發(fā)揮其專(zhuān)長(zhǎng)：數(shù)字控制的可變電阻和電位器、EEPROM、溫度傳感器和超低功耗的CMOS工藝。順應(yīng)了千兆位光技術(shù)的需求，Dallas公司已經(jīng)生產(chǎn)了一系列產(chǎn)品，并帶有一些新的特性。

DSl845是帶有EEPROM的雙電位器，它是半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)第一款內(nèi)置存儲(chǔ)器的電位器，尤其適合應(yīng)用了可插拔于兆位收發(fā)端模塊中，DSl845將兩個(gè)線(xiàn)性抽頭的電位器和256字節(jié)的EEPROM結(jié)合在一起，其中后者EEPROM是MSA標(biāo)準(zhǔn)所需的。而較高分辨率的256級(jí)電位器能夠用于控制調(diào)制電流，而100級(jí)的電位器用于控制偏置電流。用戶(hù)能夠配置兩個(gè)輸出,并存儲(chǔ)抽頭位置以及產(chǎn)品系列ID號(hào)在片內(nèi)的非易失性EEPROM存儲(chǔ)器中，以作為工作過(guò)程中的參考信息。

對(duì)于那些要縮小為SFP封裝的模塊,可通過(guò)采用更高密度集成的元件(包括存儲(chǔ)器和兩個(gè)獨(dú)立可配置的電位器)來(lái)取代多個(gè)元件，從而減小空間。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，DSl845的2線(xiàn)接口能夠滿(mǎn)足收發(fā)器制造商的在線(xiàn)編程要求，并且兼容現(xiàn)有的2線(xiàn)EEPROM。

為了滿(mǎn)足更多的特殊要求，Dallas公司還開(kāi)發(fā)了DSl846，在一個(gè)縮小的TSSOP(簿型小外形封裝)內(nèi)集成了3個(gè)線(xiàn)性遞變的電位器、非易失性存儲(chǔ)器和一個(gè)CPU監(jiān)控電路，在一個(gè)如此小的芯片內(nèi),這種級(jí)別的集成節(jié)省了板面,減少了成本,縮短了供貨期,加快了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。對(duì)于DSl845，其非易失性存儲(chǔ)器器來(lái)配置和存儲(chǔ)特殊應(yīng)用的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以及控制每個(gè)電位器的柚頭位置，另外，還備有用戶(hù)特殊數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。

DSl846的片內(nèi)微監(jiān)測(cè)器檢測(cè)電壓放變化，一旦檢測(cè)到超出電壓容差范圍，微監(jiān)測(cè)器立即復(fù)位,并保持復(fù)位狀態(tài)，直至回到安全的工作條件為止。微監(jiān)測(cè)器能夠設(shè)定為幾個(gè)電壓復(fù)位門(mén)限，還包括一個(gè)手動(dòng)復(fù)位。而第三個(gè)電位器可用于監(jiān)視其它變量，或用來(lái)對(duì)另外兩個(gè)電阻之一進(jìn)行粗調(diào)。

具有集成溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)字可變電阻的DSl847和DSl848旨在用于日益膨脹的激光應(yīng)用，它們能夠在整個(gè)溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償激光器的溫度特性,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖2所示。

DSl848包含額外的、128字節(jié)的通用(用戶(hù))EEPROM；除此之外兩者是相似的。它們?cè)谄瑑?nèi)的查尋表(LUT)內(nèi)存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于溫度的阻抗特征值，集成的溫度傳感器在激光器工作期間不斷地測(cè)量和報(bào)告溫度值，DSl847或DSl848則將溫度讀數(shù)與LUT表內(nèi)的值進(jìn)行比較，再按照設(shè)計(jì)者定義的阻抗特征調(diào)整阻抗。溫度傳感器輸出的溫度也存儲(chǔ)在EEPROM中(每l0ms更新一次)，也可以通過(guò)2線(xiàn)總線(xiàn)提供給用戶(hù)。也就是說(shuō),為了對(duì)一給定系統(tǒng)的溫度變化的溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，設(shè)計(jì)人員可以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)以2℃為間隔確定所期望的電阻值，井將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在芯片的EEPROM查詢(xún)表內(nèi)。工作期間，器件會(huì)測(cè)量溫度。井據(jù)此讀取EEPROM查詢(xún)表，并自動(dòng)調(diào)節(jié)電阻。利用這種方案，DSl847/DS1848能夠在溫度變化叫自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。

還應(yīng)該說(shuō)明的是，DSl847和DSl848是自動(dòng)工作的。當(dāng)檢測(cè)到溫度發(fā)生變化時(shí),控制電路自動(dòng)地調(diào)整阻抗,以實(shí)現(xiàn)電流的補(bǔ)償,而無(wú)須用戶(hù)干預(yù)。圖2中A0、A1、A2地址線(xiàn)是地址選擇引腳允許在串行總線(xiàn)上連接最多8個(gè)器件。 14引腳的DSl847/DS1848封裝形式(TSSOP)見(jiàn)圖2右側(cè)。

所有的Dallas電路都采用低功耗CMOS技術(shù)，有助于保持在一個(gè)較低的功率預(yù)算。所有電路工作于整個(gè)工業(yè)級(jí)溫度范圍，以及3V和5.5V兩種電源。

結(jié)束語(yǔ)

由上分析,在寬帶需求愈來(lái)愈高的今天,光網(wǎng)絡(luò)通信是最好的途徑,而光網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)必需要用光收發(fā)模塊,然而基于激光技術(shù)的光收發(fā)模塊的安全和性能保證是要由更深層次的數(shù)字控制的DSl84x系列可變電阻和電位器來(lái)調(diào)節(jié)校準(zhǔn)參數(shù)作為支撐。當(dāng)然這一切光網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)均屬于激光新技術(shù)中的明星。

從而也可看出,激光-新技術(shù)中的明星,其興旺發(fā)達(dá)在某種程度上需要依賴(lài)于新型數(shù)字控制的DSl84x系列可變電阻和電位器，“而不再需要古老的電阻”。

顯然，象通信網(wǎng)絡(luò)這樣的一個(gè)巨大、復(fù)雜、發(fā)展、強(qiáng)勁的市場(chǎng)，不同的對(duì)手應(yīng)工作于不同的級(jí)別。