光收发器灯光秀的背后-电子发烧友网

本文通俗地说，解释了基于光纤的电信日益增长的重要性，并描述了用于实现该技术的各种标准（SDH、SONET 和 FDDI）。作为一种年轻的技术，可以进行改进，以提高技术的性能并降低制造过程中的成本。数字电位计提供了一种设置关键激光驱动器和反馈电路以获得最佳性能的方法。这些电位器内部的温度检测机制可用于监控和补偿这些电路，以应对温度函数中可能发生的任何参数变化。这些数字电位计还可用于使用机械电位计或精心挑选的固定电阻手动执行的生产校准程序自动化。这不仅降低了这些激光驱动器的生产成本，而且还可以通过消除校准过程中的人为错误因素来提高设备的可靠性和质量。达拉斯半导体公司讨论的电位器包括DS1845、DS1846、DS1847和DS1848。

近年来，有关通信网络技术的新闻似乎总是涉及对更多带宽的迫切需要的一些声明。事实仍然值得重复：越来越多的人使用电话、传真、调制解调器和计算机，通过交换数 TB 的数字化信息（视频、图像、建模程序以及数据和语音），要求更大的载波频谱份额。作为回应，依靠增长蓬勃发展的高科技通信公司正在竞相满足这种对带宽的需求。在过去的十年中，主要资源已用于开发光纤网络，其中光波通过比人类头发更细的光纤以每秒千兆比特的速度传输信息。

赌注非常高。在 2000 年 17 月的一份新闻稿中，IT 咨询公司 Aberdeen Group（马萨诸塞州波士顿）预测，“到 7 年，光网络市场（不包括 SONET 元素）将增长到 2003 亿美元。能够提供解决运营商面临的问题的技术的供应商将是成功的供应商。

在“供应商”和“技术”中使用复数形式突出了本文中的一个关键问题。蓬勃发展的通信网络非常复杂。虽然少数大公司倾向于主导光网络的全球部署，但在幕后，由多家公司开发的技术融合在一起，每家公司都拥有专业的技术专长。马克西姆属于后一类;我们设计了一系列可变电阻器，专门用于光收发器模块。Maxim的电阻器在通信网络宏伟方案中的位置，可以了解通信行业开发解决方案的方式。

识别大局

光收发器模块由各种制造商设计和制造。这些模块的应用包括同步光纤网络（SONET）和同步数字层次结构（SDH）、异步传输模式（ATM）、光纤分布式数据接口（FDDI）、光纤通道、快速以太网和千兆以太网。这些系统的名称反映了国际定义的传输协议和标准的范围。另一方面，模块本身最初是在没有明确物理特性的情况下开发的。

认识到一致性的必要性，如果他们的产品要成功，一组制造商联合起来，在1998年为收发器模块制定了多源协议（MSA）。该集团由AMP公司，惠普公司，朗讯科技微电子集团，北电（北方电信），西门子股份公司光纤和住友电气光波公司组成。这些各方同意将其模块的尺寸缩小一半（宽度为0.535英寸），并指定了一组模块封装和引脚布局，这些封装和引脚可以在高速光纤通道应用中使用的各种RJ-45型（包括双工LC，MT-RJ和SC / DC）光连接器之间互换。

目前，一个新的财团正在起草一份新的收发器模块MSA，反映了更大的制造商队伍和新一代模块。这些多源制造商现在包括安捷伦科技、Glaze Network Products、E2O Communications、Finisar、藤仓科技美国、日立电缆、英飞凌科技、IBM、朗讯科技、Molex、OCP、Picolight、Stratos Lightwave、住友电工光波和泰科电子。该模块规范现在称为小型可插拔（SFP），涵盖高达 5.0Gb/s 的预期传输速率。这些规范反映了业界对更小尺寸和更高速度的热插拔模块进行高密度信号传输的驱动力。

要找到我们的电阻器在哪里，了解收发器模块的一些基础知识会有所帮助。该模块将入射光波转换为电信号，将输出电信号转换回光。具有根本意义的是，光收发器基于半导体激光技术。该模块是印刷电路板（PCB），令人垂涎的带宽的光源是一个微小的半导体芯片：发光或激光二极管。在近红外光谱的频率下，激光器的输出可以调制为数十GHz，这是一个宽敞的带宽。

下面简要总结了通过收发器模块的信号路径。接收端口连接到传入的光光纤。光电探测器二极管将光转换为电信号，然后放大，以便时钟和数据信号可以通过电气接口恢复、解复用和发送。光电探测器需要一个自动功率控制的偏置电路来提供恒定的工作电压（见图1）。同时，在模块的发送侧，电子时钟和数据位信号被合成并锁存并发送到激光驱动器。最后，激光驱动器将信号作为电流发送到激光二极管，激光二极管将电子能量转换为光。

图1.典型的平均功率控制电路使用监视器光电二极管和可调电阻来设置偏置电流。

在一些使用激光二极管的设计中，光电探测器监控半导体激光管输出，并在反馈回路中将光重新转换回测量激光实际输出功率的电路。这种反馈稳定了激光输出功率。光学反馈是这种设计的一个复杂缺点。然而，最新的激光技术垂直腔面发射激光器（VCSEL）通常不需要光电探测器，因为电流极低。

激光驱动器必须做两件事：它必须保持一致的直流偏置电流来设置激光工作点，并且必须保持调制电流来传输信号。随着制造商努力提高收发器的信号吞吐量，必须仔细表征激光源的工作常数，以控制光输出。

激光二极管和VCSEL

法布里-珀罗型激光二极管从芯片的狭窄斜边发射相干光束，反射镜集成在边缘或位于芯片外部。然而，对于通信行业的未来，VCSEL是更有前途的激光源。顾名思义，VCSEL从芯片顶部（底部是未来的可能性）直径为5至25微米的圆形腔体垂直发射激光束。反射镜作为集成阵列集成在腔体的两端，这种设计被称为“分布式布拉格反射器”。未来，使用多元件VCSEL阵列的并行光互连可以实现TB级吞吐量。

学术和企业机构正在大力开发VCSEL设计，以便更广泛地部署。与边缘发射器相比，VCSEL需要的电流更少，激光阈值更低（1mA或2mA与30mA）。在这个水平上，简单的电流控制通常就足够了，无需额外的光电探测器来监控输出。VCSEL的发射孔径明显更大，这意味着输出光束的发散角（色散量度）明显更小。还有几个制造和加工优势。芯片要小得多，允许将更多的VCSEL封装在具有更多互连的晶圆上;整个晶圆上的所有VCSEL都可以一次测试。最后，VCSEL在操作上比半导体激光管更坚固，具有更长的预期寿命和更低的故障率。

无论是半导体激光管还是VCSEL，任何光收发器中的激光发射器都是半导体，其光电效应取决于电流、电压和电阻的相互作用。以下一些因素会影响安全性和性能：

激光输出对温度非常敏感。

激光功率输出往往会在激光器的使用寿命内发生变化，并且这种老化会随着温度的增加而增加。

由于VCSEL的工作功率和温度明显低于二极管，因此随着时间的推移，故障率也相应降低。

需要保护激光发射器免受随机功率瞬变以及上电和断电期间瞬变的影响。

尽管激光的近红外光对人类来说是不可见的，但进入眼睛的光束仍然聚焦在视网膜上，并可能造成永久性损伤。由于对人身安全和激光功能的潜在严重影响，法规要求激光功率输出限制在几百微瓦。

控制激光电流不仅是VCSEL和半导体激光管的安全问题，也是性能的一个因素。与半导体行为一致，VCSEL的最大输出功率随温度的降低线性增加;相反，输出波长随着温度的升高而增加。简而言之，根据温度控制电流对于控制性能非常重要。

从大局的角度来看，我们可以将积累的事实描述如下：

对带宽的爆炸式增长需求导致光学的发展网络。

光网络使用光收发器模块来物理转换光信号和电信号。

收发器模块制造商需要减小物理尺寸，并将信号吞吐量提高到每秒几千兆位。

收发器模块使用光电二极管接收光信号，使用激光二极管或VCSEL发送光信号。

随着数据速率的不断提高，模块的光主动组件需要更精确、更可靠的功率控制，以防止激光故障、延长预期寿命和/或在所需的输出参数内运行。

这最后把我们带到了Maxim的可变电阻。控制通过激光二极管和VCSEL的电流，从而控制功率输出的方法是控制电阻。有一次，一位人类技术人员有一份全职工作，手动调整“微调”电位器，试图获得良好的“眼睛模式”。这种控制和调谐问题的更好解决方案是电子编程设备，它可以响应温度变化。

利基行业

虽然严格意义上不是通信公司之一，但Maxim在多项相关技术方面拥有专业知识：数字控制可变电阻和电位器、EEPROM、温度传感器和超低功耗CMOS方法。为了满足千兆位光学技术的需求，Maxim推出了具有一系列新功能的产品系列。

达拉斯半导体公司（Maxim Integrated的全资子公司）凭借带EEPROM的DS1845双路电位器，设计了半导体行业首款集成存储器的电位器，专门用于可插拔千兆位收发器模块。DS1845集成了两个线性抽头电位器与MSA标准要求的256字节EEPROM。更高分辨率的256位电位计可用于控制调制电流，100位电位计可用于控制偏置电流。用户配置输出，并将游标设置和所需的串行ID数据存储在片内非易失性EEPROM存储器中，以便在工作期间参考。

在旨在缩小为SFP的模块中，将存储器和两个单独配置的电位计组合在一起的更密集集成的组件通过更换多个部件来节省空间。此外，DS1845的2线接口满足收发器生产商对在线可编程性的要求，并与现有的2线EEPROM兼容。

为了满足更多的特殊需求，达拉斯半导体公司开发了DS1846，它将三个线性锥度电位器与非易失性存储器和一个CPU监控器集成在简化的TSSOP封装中。这种在如此小的芯片中的集成度节省了电路板空间，减少了成本和采购延迟，从而加快了产品开发。与DS1845一样，非易失存储器用于配置和存储特定应用的校准数据。而且，为了控制每个电位计的游标设置，还有内存空间可用于用户特定的数据。

DS1846的片内微型监视器跟踪电压。检测到超出容差的电压电平时，微型监视器启动并保持系统复位，直到安全操作条件恢复。微型监视器可针对各种电压电平进行编程，并包括手动复位。

第三个电位计可用于监视另一个变量，或为其他电阻之一提供粗略调整。

DS1847和DS1848适用于要求苛刻的激光应用，可补偿激光器在整个温度范围内的热特性（见图2）。DS1848具有额外的128字节通用EEPROM;否则两者是相似的。芯片在板载查找表（LUT）中存储相对于温度的电阻特性。集成的温度传感器在激光操作期间持续测量和报告温度。DS1847或DS1848将读数与LUT中存储的值进行比较，并根据设计人员定义的电阻特性调整电阻。由温度传感器确定的值也存储在EEPROM中（每10毫秒更新一次），用户可通过2线总线获得。还应注意的是，DS1847和DS1848自动工作。当检测到温度变化时，控制电路会自动调整电阻以达到补偿电流值，而无需任何用户干预。