通信 工业和嵌入式光通信技术进步背后的推动力
作者: Carolyn Mathas
随着工业和嵌入式计算对通信距离、低功耗和小型配置需求的提高，对通信带宽也提出了更高的要求。而FPGA等特定使能技术以及收发器、连接器和接收器的进步也为光通信技术的快速发展提供了支持。
图1：带终端的光纤电缆
一般来说，光通信包括一个将信息编码成光信号的发射器、一个将信号传输到目的地的通道和一个从光信号中复制信息的接收器。光通信速度在很大程度上取决于信息信号与光纤分子相互作用所产生的失真度。传输速度越快，信号就越容易失真。当失真较大时，接收端就会出现检测错误。
不同于射频通信固有的局限性，如今的光解决方案可以在更高的带宽下运行，并通过比射频更小、更轻、功耗更低的封装来传输更多的数据，同时还可以在未受到管制的频谱内运行。
提高带宽对于工业和嵌入式环境来说非常重要，而光纤能够传输非常高的带宽信号，甚至达到数GHz，较低的带宽信号还可以复用到同一根电缆上进行传输。光纤本身就具有较强的抗噪能力，而以前的工业用电缆需要安装在导管保护套中。此外，在有爆炸危险的环境中，光纤链路不会储存足以引发爆炸的能量。
工业和嵌入式应用都需要提高安全性，而光通信在这方面则有其特有的优势。由于光纤不会产生外部传感器可以捕捉到的电磁干扰场，因此与传统铜缆相比，几乎不可能通过拼接光纤来“窃取”信号。
满足工业和嵌入式计算需求
虽然最初在电信和广域网中使用了很多年，但光纤在工业数据通信系统中也得到了普遍的应用。随着高数据传输速率能力、噪声抑制和电气隔离需求变得越来越重要，光纤技术在工业系统中的应用也愈发广泛。在这一领域，最常用的是点对点连接，因此光纤链路被用来扩展RS-232、RS-422/485和以太网系统的距离限制。
坚固耐用的嵌入式计算系统也需要高数据速率的输入/输出，而光纤正好可以满足这些需求。输入/输出可以是连接两个插入式模块的较短链路，也可以是较长的链路。在众多数据密集型应用中，光计算的优势发挥了巨大的作用。
在嵌入式和工业高速应用中，收发器可减少所需组件数、加快设计速度并节省成本。例如，Avago AFBR-59FxZ紧凑型650nm收发器可通过2.2mm护套的标准塑料光纤 (POF)，实现快速以太网 (100Mbps) 通信。
AFBR-59FxZ收发器可用于工厂自动化、工业视觉系统以及发电和配电系统。此收发器采用650nm LED，由完全集成的驱动器IC驱动。该IC是一个具有差分输入信号的线性集成LED驱动器，可将输入电压转换为LED的输出电流，工作电压为3.3V。
而Finisar的FTLX1x72x3BCL可插拔多速率SFP+收发器符合SFF-8431、SFF-8432和10GBASE-ER标准，支持10G SONET、SDH、OTN、IEEE 802.3ae、40k链路的8x/10x光纤通道和6.144G/9.83 CPRI。此系列收发器用于高达40km的G.652单模光纤的万兆多速率链路。
与1310nm 10GBASE-LR和OC-192 SR-1收发器相比，Finisar FTLX1772M3BCL收发器还具有更高的光发射功率和更好的接收器灵敏度，并支持17dB的光链路预算，以补偿40km G.652单模光纤在1310nm波长下较高的光纤衰减损耗。
在该解决方案中，根据SFF-8472的规定，可通过2线串行接口提供数字诊断功能。FTLX1772M3BCL收发器采用内部发射器和接收器重定时器IC，以满足SONET/SDH抖动的要求，并能增强主机卡的信号完整性。其应用包括10GBASE-ER/EW和10G光纤通道（FTLX1672D3BCL）、OTN G.709 OTU1e/2/2e FEC比特率、6.144G/9.83G CPRI、8.5Gb/s光纤通道、10G NRZ SONET、SDH、10G以太网和光纤通道以及G.709 OTN FEC比特率。
集成FPGA
为满足降低功耗和电信号路径长度的要求，可集成高速光收发器与可编程器件，进而大大缩短从芯片I/O焊盘到光收发器输入端的信号路径。 缩短路径还能降低电磁干扰（EMI）和抖动，提高信号完整性，减少寄生元件造成的数据误差。
Altera的光学FPGA技术突破了近年来在传输距离、功耗、端口密度、成本和电路板复杂性方面的限制。例如，该公司的Arria V GX 13688 LABs 704 IO系列便是一款综合型中端FPGA产品。Arria V器件非常适合于功耗敏感型无线基础设施设备、20G/50G桥接、交换及数据包处理应用、高清视频处理和图像处理、密集型数字信号处理（DSP）应用。它采用台积电28纳米工艺技术和硬知识产权 (IP) 模块，功耗比前几代产品低50%，是所有中端系列中功耗最低的收发器。
该系列在单个Arria V片上系统 (SoC) 中紧密集成了双核ARM Cortex-A9 MPCore处理器、硬IP和FPGA。它支持超过128 Gbps的峰值带宽，并能保持处理器和FPGA架构之间集成数据的一致性。
而Altera的28-nm Stratix V FPGA包括增强型内核架构、高达28.05Gbps的集成收发器和独特的集成硬知识产权 (IP) 块阵列等创新技术。这种组合使Stratix V FPGA能够提供一类应用特定的新型器件，这些器件针对带宽密集型的应用和协议进行了优化，包括PCI Express（PCIe）Gen3、40G/100G及以上的数据密集型应用，以及高性能、高精度数字信号处理 (DSP) 应用。
接收器
只要接收端能提供足够的信号电平，光纤系统便可产生极低的比特误码率 (BER)，而且由于光纤不会受到电磁干扰 (EMI)，因此相邻电缆上的信号不会耦合在一起。Avago Technologies的AFBR-25x1CZ光纤接收器由集成光电二极管的IC组成，可产生与TTL逻辑系列兼容的输出。在与Avago的AFBR-15x9Z或AFBR-16x9Z发射器配合使用时，可支持从DC到5MBd的任何类型信号，使用1mm 0.5NA POF时传输距离可达50米，使用200μm 0.37NA PCS时传输距离可达500米。该接收器有4个引脚，采用Versatile Link外壳。Versatile Link器件可以互连，从而极大地节省了空间，并能与全双工连接器建立双通道连接。
图2：Avago AFBR-25x1CZ光纤接收器推荐应用电路 （图源：数据手册）
Avago AFBR-25x1CZ光纤接收器可应用于5MBd及以下系统的光接收器、工业控制和工厂自动化、RS-232和RS-485扩展、高压隔离、消除接地回路，以及降低电压瞬变敏感度。
连接器
过去，光纤链路的端接需要耗费大量的人力，包括切割光纤、用环氧树脂浇注专用连接器，以及抛光光纤末端。这些操作需要特定的工具和测试设备，方能确保良好的连接。这种技术至今仍然占据着一定的市场份额，且用于切割、对齐和连接光纤的设备已得到改进和简化。此外，连接还会产生损耗，具体因连接类型而异，但通常在0.2dB至1dB之间。
例如，TE Connectivity (TE) 加固型光学背板互连系统提供背板/子板结构的高密度盲插光学互连。TE还提供了采用插座（背板）和配接插头（子卡）连接器的光学系统，该系统最多可连接两个MT套管，每个套管可容纳多达24条光纤路径， 其典型应用包括需要光学基础设施的恶劣环境和高带宽计算应用。这些连接器支持VITA 66.1标准，可最大限度地提高光学性能。
突破其他障碍
然而，光通信并非没有挑战。以光纤为例，当功率超过临界值时，额外增加的功率会对光缆中传输的信息造成不可挽回的篡改。
加州大学圣地亚哥分校的光子学研究人员声称，他们已经突破了限制光纤传输距离的关键障碍，使得信息在远距离传输时仍能被接收器准确破译。他们提高了光信号通过光纤传输的最大功率，从而提高了传输距离，这项研究成果发表在2015年6月26日出版的《科学》杂志上。
在实验室环境中，研究人员利用标准放大器，在不使用中继器的情况下，成功破译了通过光缆传输的信息，传输距离突破12,000公里（近7500英里）。这一突破消除了功率限制，扩大了信号在不使用中继器的情况下通过光纤传输的距离。在处理80到200个信道时，取消周期性电子再生可节省大量成本，并提高信息传输效率。
这一突破性技术利用宽带“频率梳”，来确保通过光纤长距离传输的捆绑信息流之间的信号失真或串扰是可预测的，最重要的是，在接收端是可逆的。频率梳可以防止随机失真，因为随机失真会导致接收端无法重新组合原始内容。
展望未来
近来光通信技术的进步主要体现在提高单个波长信道的带宽和每条光纤传输的波长数量上。未来将集中于支持各种新兴应用，即以灵活、低功耗和高成本效益的方式提供实时、按需和高数据速率功能。
虽然光通信仍面临着一些其他挑战， 如带宽扩展、传输距离、功率和集成方面的问题。但随着工业和嵌入式领域对通信性能、安全性和价格需求的不断提高，光学技术将继续提供合适的解决方案。
