光通信網(wǎng)絡中的光收發(fā)模塊和數(shù)字可變電阻及其應用

本文介紹光通信網(wǎng)絡中光收發(fā)模塊和數(shù)字非易失可變電阻的技術與應用,并著重分析新型數(shù)字非易失可變電阻DS1847/8在激光技術中對系統(tǒng)參數(shù)自動調節(jié)的設計及應用。

光收發(fā)模塊伴隨光纖通信網(wǎng)絡發(fā)展應運而生

近年來，從關于通信網(wǎng)絡技術的信息中發(fā)現(xiàn),它總是和越來越高的頻帶寬需求有關。事實上,這種情況還在繼續(xù),即數(shù)量不斷增長的電話、傳真、調制解調器和計算機,它們對帶寬的需求越來越高，以用來傳送太比特數(shù)字化信息(視頻、圖像、建模程序以及數(shù)據(jù)和語音等)。與此同時，那些快速成長的高科技通信公司正在為滿足寬帶的需求而努力。在過去的十年，主要力量已經(jīng)投人到開發(fā)光纖網(wǎng)絡中，在光網(wǎng)絡里，光波通過比頭發(fā)絲還要細的光纖，以千兆位/秒的速度傳輸信息。

仍處于發(fā)展中的通信網(wǎng)絡具有高度的復雜性。少數(shù)幾個大公司試圖主宰全球光網(wǎng)絡市場，在此背景下,則是多家公司所開發(fā)的技術的融合,而每一種都包含了特殊的專門技術。DallasSemiconductor公司則屬于后者,即特殊的專門技術;它們已設計了一系列的可變電阻，尤其適合于光收發(fā)模塊?，F(xiàn)在,概述一下Dallas的可變電位器所應用于宏大的通信網(wǎng)絡方案，以便揭示出一些有關通信網(wǎng)絡工業(yè)的解決方案。值此應先對關于光收發(fā)模塊在技術、標準與應用方面作此分折。

概述光收發(fā)模塊

光收發(fā)模塊應用

當今,許多制造商都設計和生產(chǎn)光收發(fā)模塊。而光收發(fā)模塊的應用在下列幾個方面,即同步光纖網(wǎng)絡(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)的名稱代表傳輸協(xié)議和標準的國際定義。另一方面，光收發(fā)模塊自身在早期開發(fā)時并沒有規(guī)定標準的物理特性。

關于兼容性問題

由于認識到產(chǎn)品想進一步取得成功，就必須考慮兼容性的要求，在1998年，一些制造商聯(lián)合起來，制訂了一個收發(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(包括雙工LC、MT-RJ和SC/DC)光連接器之間互換。

目前，一個新的協(xié)會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)在被稱為小外型可插拔(SFP)并有望達到5.0Gb/s的傳輸速率。該規(guī)范反映了業(yè)界對于在更小體積、更高速度的熱插拔模塊內實現(xiàn)高密度信號傳送的追求。

光收發(fā)模塊概念

找到可變電阻(特殊專門技術的電位器)在光收發(fā)模塊技術中的位置，將有助于理解關于收發(fā)模塊的一些基礎知識。模塊先將輸入的光波轉變?yōu)殡娦盘?，同時將輸出的電信號轉變?yōu)楣庑盘?。而從根本上來講，光收發(fā)器模塊是基于半導體激光技術。模塊是一塊印刷電路板(PCB)，它具有一定帶寬的光源,其光源來自一個細小的半導體芯片,即一個發(fā)光二極管或激光二極管。而光源頻率在紅外譜近處，可調制以數(shù)十GHz信號，提供一個寬廣的帶寬。

光收發(fā)模塊的信號通道與設計

模塊接收端的接收口接至輸人光纖，光電檢測二極管將光信號轉變?yōu)殡娦盘枺又环糯?，以便將時鐘和數(shù)據(jù)恢復并解復用,以及通過電接口輸出。光電檢測器要求一個自動控制功率的偏置電路，以提供恒定的工作電壓,見圖1所示。同樣,在模塊發(fā)送端，時鐘和數(shù)據(jù)位的電信號經(jīng)過同步、鎖存后，被送至激光驅動器。最后，激光驅動器將信號以電流方式調制激光二極管，將電能轉變?yōu)楣狻?/p>

在采用激光二極管的設計中，采用一只光電檢測器監(jiān)測激光二極管的輸出，而后，通過反饋環(huán)路，再將光信號回饋給電路，以測量激光管的實際輸出功率.這種反饋能夠穩(wěn)定激光管輸出功率。但光反饋是這種設計中的一個缺陷。如今己采用一種新的激光技術,即垂直腔體表面發(fā)射激光器(VCSEL),由于它只需極低的驅動電流而通常不需要光電檢測器。

值此要說明的是,激光驅動器必須做兩件事情：首先它必須保持一個恒定的DC偏置，以設定激光器的工作點;另外它還必須提供—個調制電流來承載信號。隨著制造商努力增加收發(fā)器的信號吞吐率，激光源的工作常數(shù)必須檢仔細地加以規(guī)范，以更好地控制光輸出。

關于激光二極管和VCSEL(垂直腔體表面發(fā)射激光器)

Fabu-Perot類型的激光二極管從芯片狹窄的邊沿發(fā)出相干光線,且反射鏡處于邊緣或安裝在芯片的外部。不管怎樣，對于未來的通信工業(yè)，更有前途的激光源是VCSEL。就如同其名稱所述，VCSEL從位于芯片頂端(未來可能采用底部)的一個直徑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為“分布式布喇格反射器”。將來,采用多元VCSEL陣列的并行光互連將達到兆兆字節(jié)的吞吐率。

目前各研究機構正在開發(fā)更普及應用的VCSEL設計。與邊沿發(fā)射器相比，VCSEL需要的電流更小,具有更低的發(fā)射激光門限(1mA或2mA對比30mA)。在這種情況下，簡單的電流控制通常就足以滿足要求，而無需光電檢測器監(jiān)測輸出。VCSEL發(fā)射孔徑相當大，這就意味著輸出光柱的散射角(發(fā)散程度)相當小，當然，這也存在生產(chǎn)和加工方面的幾個優(yōu)點：首先，VCSEL的片芯更小,從而允許更多的VCSEL安排到同一個晶片上;其次，處于整個晶片上的所有VCSEL能夠立即得到測試;最后，VCSEL在工作中比激光二極管更為牢靠，具有更長的壽命和更低的失效率。

無淪是激光二極管還是VCSEL，在任何一個光收發(fā)器中的激光發(fā)射器都是半導體，其光電效應都依賴于電流、電壓和阻抗的相互作用，下列的一些因素都會影響到安全性和性能：

.激光輸出對溫度過于敏感;

.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，以防止功率的隨機跳變以及電源上電和斷電過程的跳變帶來的破壞;