用下一代光收发器实现系统设计

LANk">光收发器和RF收发器是目前应用的两个热点，本期将从设计原理、技术和应用三方面集中讨论收发器技术，内容包括：下一代光收发器的设计，它从基本原理开始，阐述如何不通过中间光放大器就能使光信号传输距离达到100公里以上？

直接序列扩频增益的计算方法。目前，RF收发器所处的应用环境噪声源比较复杂，无论是采用滤波技术还是采用跳频技术，都不能较好地解决抗噪声问题，扩频通信中的增益控制技术通过调整直接序列扩频增益，能够提高无线通信系统抗噪声干扰的性能；

RF收发器通常与基带部分分离，开发周期比较长，在此介绍的单芯片收发器方案是包括RF收发器、基带处理和接口的一体化解决方案，因而能够加速蓝牙之类的产品开发。本专题文章跨越了光收发器、RF收发器及其相关的抗噪声技术，适合于中国从事光/RF收发器设计和应用的工程师参考。在今后的技术专题中，我们将针对读者的需求，就某一专题组织文章，深入讨论，欢迎中国设计工程师提供宝贵的建议。

网络容量需求的急剧增长促进了光通信技术的发展，目前光通信已经存在多种光源、光纤传输介质和光传输技术，但是如何选择合适的技术实现所需的通信系统呢？本文将从光通信中的光源、不同的光纤介质和传输技术阐述如何用下一代光收发器实现系统设计。

从上世纪九十年代末开始，使用铜线传输的数据通信方式在局域网(LAN)中就已经显得力不从心了。随着千兆以太网的发展，这种情况越来越明显，用铜质电缆来实现千兆以太网在技术上比较困难，因而迟迟没有推出铜缆千兆以太网标准，而是通过了用光缆来实现千兆以太网的标准，这使光收发器得以首次在LAN中大范围使用。此外，IEEE决定在其10G以太网标准中将不再包含任何针对铜质电缆的接口标准。于是，光连接便成了实现LAN骨干网的首选技术。

网络容量需求的急剧增加刺激了交换机和路由器向高于太比特的方向发展，这种高容量的交换机和路由器大多用于多机架系统，各机架间有数以千计的连接，而每个连接的容量又高于10Gbps。显然，基于铜介质的技术无法实现这样的要求，因此产生了一类全新的专门针对大容量应用的光收发器。

对网络容量的需求在不断增加，但光器件的成本却在不断地降低，所以，通信公司和地方政府，甚至一些大公司都开始采用光连接技术来构建城域网。过去，光连接技术仅限于远距离组网和一些高端骨干网应用，但现在几乎已经成了整个网络结构的首选技术。然而，光连接应用的迅速增多也对光收发器提出了各种各样的要求，其中有些要求甚至互相冲突。

收发器应用

如今的光网络铺设距离越来越远，这要求远程收发器来与之匹配。典型的远程收发器信号在未经放大的条件下至少能传输100公里，放大后则更远。基于传输距离上的考虑，很多远程收发器都选择了1,550波段(波长范围约为1,530到1,565nm)作为工作波段，因为光波在该范围内传输时损耗最小，而且可用的光放大器都是工作在该波段。除了光波的波长范围外，色散效应(由于不同波长信号在光纤中传输速度不同引起的脉冲展宽效应)也会限制高速信号的传输距离。因此，为了减小色散，还要求远程光收发器采用光线窄的光源(小于0.04nm)。这些要求需要远程光收发器采用分布式反馈布拉格(DFB)激光作为光源，并使用外部调制器使啁啾(由激光调制电流引起的激光波长变化)降到最低。

与远程光收发器不同，城域网(MAN)光收发器的工作距离则短很多，一般不超过40公里。因此，光波在传输过程中的损耗对整个系统而言并不重要，也不需要放大，可用的激光波长范围宽(可以采用1,300nm)，光线宽也可以更宽，最大可到2nm，而且，在传输距离小于10公里时不必使用放大器。由于以上原因，典型的MAN光收发器比远程光收发器成本低很多。但是，如果将MAN光收发器用于交换设备中，则必需考虑端口密度和功耗问题。此时，MAN光收发器必须比远程光收发器的体积小，并且比远程光收发器的功耗低。

相对于远程光收发器和MAN光收发器而言，LAN光收发器的传输距离更短，通常在同一座建筑物内部或校园内不同的建筑物之间，最远距离为2公里。在LAN中大多数连接的作用距离都在100米以内，在这样的连接中就应使用多模光纤。通过使用多模光纤，LAN光收发器可以采用波长为850nm的激光，这样可以降低成本。LAN设备中，大多数光收发器都在用户端，因此这种光收发器必须价格低廉、体积小，并且功耗非常低。而且，由于这些光收发器是用于建立用户端口，并连接在用户设备卡上，因此占用的空间越小越好，其设计应尽量降低电磁干扰。这种用户端的光收发器必须具有热拔插的特点，而上述LAN和MAN光收发器则需要安装者有一定的工程知识才能正确配置。

用户端背板上的光收发器只能在传输距离很短时用(不超过100米)，与LAN光收发器相比有下面两点差异：背板收发器用于实现内部连接，故不需标准；背板光收发器必须满足最大绝对带宽密度(收发器的数据速度除以其带宽)的要求，这对背板应用而言十分重要，因为一个给定设备的用户带宽通常受背板连接的最大带宽限制，而背板连接的带宽则经常受网卡上背板光收发器的可用带宽限制。

收发器技术

前面讲到激光收发器种类复杂化的一个原因是其应用场合的增多，另外一个原因是可以用来实现它的技术也越来越多。光收发器中常用的三种激光有：Fabry-Perot(FP)、DFB和垂直腔面反射激光(VCSEL)，常用的三个波长为850nm、1,300nm和1,550nm，常用的四种传输技术有串行、并行、密集波分复用(DWDM)和宽波长间隔波分复用(coarse WDM, CWDM)。即使不考虑光纤连接器类型和收发器形状因素，仅仅以上这些技术就可以构成72种不同的光收发器。

激光技术

在常用的三种激光中，FP激光比DFB激光容易产生，但FP激光的光线较宽(>1nm)，波长的温度漂移也较大(0.5nm/℃)，因此不适用于高速和/或远程应用。而DFB激光的光线则相对较窄(<0.04nm)，波长对温度的漂移也较小(0.1nm/℃)，因此就比较适合高性能的通信应用。

但DFB激光也有缺陷。首先，它工作在1500nm波段时很容易产生啁啾，因此通常需要外加调制器(在1300nm波段此局限并不重要)；其次，它没有FP或VCSEL激光那样容易产生，而且所需的电流也比VCSEL激光大。因此，DFB激光对很多LAN应用和大多数背板应用都不合适。

VCSEL激光的优点是线宽较窄(0.35nm)且波长对温度漂移较小(0.06nm/℃)。另外，VCSEL激光的阈值电流也较小(1mA)，在相同的输出功率下，它比DFB激光和FP激光的效率更高，而且不象DFB激光那样容易产生啁啾。因而，即使速度为10Gbps的数据也可以直接采用VCSEL激光调制。由此可见，VCSEL激光比其它激光更容易产生也更容易使用，因此产生了基于VCSEL激光的低成本收发器。

但是，VCSEL激光并不是高性能通信应用的最佳解决方案，它有两个不容忽视的缺点：首先，要产生波长在1300到1550nm范围的VCSEL激光并具有合理的功率相当困难，这就使得VCSEL激光只能用于多模光纤上；其次，尽管VCSEL激光比DFB激光功效更高，但采用VCSEL激光的部件所能提供的功率却比采用DFB激光的相应部件所提供的功率低。这两个弱点限制了VCSEL激光的应用，目前VCSEL激光只限于距离相对较短的LAN应用和背板应用。

波长范围

在常用的三个波长范围中，850nm(770到860nm)光的特点是衰减较大(在旧有的光纤上衰减可达3.75dB/km)，使用多模光纤时色散较大，并且在不使用开放光纤控制时，考虑到激光安全性，最大功率不能超过-4dB。另外，工作于850nm波段的收发器不能使用单模光纤，因为标准的9微米单模光纤不能工作在1260nm以下的波长范围。这些缺陷限制了850nm光收发器的作用距离，在数据率为10Gbps时其最大作用距离低于30米。但是，由于850nm波段光收发器的成本较低，在背板应用和LAN应用中仍然很受欢迎。

1,300nm光波(1,270到1,355nm)的特点是衰减较小(使用多模光纤时为1.5dB/km，使用单模光纤时为0.5dB/km)，色散较小(不同种类的光纤色散不同，标准光纤的零色散波长在1295到1,365nm范围内)，而且对激光安全性要求也不是很高(一类激光运行中最大功率不超过2dB)。1,300nm波段的收发器可与单模光纤配套使用，其作用距离可达10公里。即使采用最差的多模光纤，该波段的收发器在数据率为10Gbps时作用距离也可以超过85米。因此，1,300nm波段的收发器适合于很多LAN应用和某些MAN应用。

在各种波长中，1,500nm光波(1,530到1,565nm)的衰减最小(采用单模光纤时为0.36 dB/km)。而且在该波长范围内还可以使用光放大器，这就在很大程度上延伸了收发器的作用距离。因此，该波长范围非常适合远程应用和距离跨度较大的MAN应用。由于要产生该范围的激光成本太高，LAN或背板应用一般不采用该波长范围。

光纤类型

通常，在所有大于500米的通信应用中都采用单模光纤。而且，由于单模光纤很容易就能达到比多模光纤更高的数据率，所以有些人认为不论距离远或近，数据率高或低，在所有的光通信应用中都应该采用单模光纤。但是，采用单模光纤要求收发器内实现很高的准直要求(精确到1微米或更小)，提高了制造难度。此外，单模收发器不能使用价格低廉的850nm波长范围的VCSEL激光，因为单模光纤不能工作在该波段。因此，多模光纤仍然有一定的应用价值。

很多LAN运营者仍然乐意采用多模光纤，因为大多旧有线路是采用多模光纤，而且多模光纤比单模光纤更方便使用。另外，一般情况下，数据中心之间的骨干网连接距离并不远，多模光纤的传输能力完全能满足需求，数据传输速度甚至可以高达10Gbps，所以支持已有的多模光纤网络结构的低价收发器仍然具有市场空间。

传输技术

10年以前，串行传输技术就是光纤通信中使用的一种重要的传输技术。其优点是光学结构原理简单，在传输的一端只需要一个光源，另一端只需要一个检测器，不需要复用和解复用设备。但是，随着带宽需求的增长，串行传输技术的两个局限开始变得明显：首先，每根光纤上只传输一个数据流显然并未充分利用光纤可以提供的带宽；其次，随着数据率的不断提高，实现低成本的光、电器件的设计和生产越来越困难。

采用DWDM技术可以实现在一根光纤上传输多个数据流，各数据流使用不同的波长。为了适应光放大器的要求，DWDM技术在光纤上传输数据流时使用的波长限制在1,530到1,565nm范围内。在这个范围内有100个可用波长，每个波长的数据流以10Gbps的速度传输。这样，采用DWDM技术在一根光纤上每秒可以传输超过1太比特的信息，但要达到这样的性能就必需使用很窄的激光源，否则无法提供精确的波长。

为了减小波长漂移，必需控制激光源的温度，同时，为了减小啁啾，DWDM技术要求采用外部调制激光，同时，还必须采用精确的滤波技术使接收处准确地选择某数据流所使用的波长。此外，如果是远距离传输，还需要使用光放大器和色散补偿器。这些要求使得DWDM的成本变得很高，每个信道(或波长)就要花费2万美元。所以DWDM系统和DWDM收发器一般只能用在远程通信系统中，因为在远程通信系统中，重新敷设光纤的困难程度和所需耗费的财力及时间成本远高于DWDM设备的成本。

CWDM也能实现在同一根光纤上用不同的波长传输多个数据流，但该技术要求每个单独的波长间要有10到25nm的间距，这就使每根光纤上所能传输的波长数最多只能有8个。但这种宽波长间隔也在很大程度上简化了光学系统的设计，因为此时可以使用简单的光滤波器，而且既不需要波长很精确还不需要控制激光光源的温度。由于可用通道数受限， CWDM收发器使用的光学器件都很简单，其封装可以做得很小。此外，因为CWDM收发器一般用于距离较短的连接应用(小于10公里)，所以还可以采用包括VCSEL激光在内的那些价格适中并可以直接调制的激光光源。因此，一台4波长或8波长的CWDM收发器的售价低于1,000美元。除了价格低廉，CWDM收发器的封装尺寸还可以做得与串行收发器和转发器相同。

并行光纤收发器通过一条光缆传输数据，这条光缆中汇集了12根光纤，但其几何尺寸比传统的双工光缆还小。在该系统中每一条光纤用作一个数据通道，因此如一个并行光纤收发器的每根光纤以2.5Gbps的速度传输数据，则该收发器的总数据传输速度可以达到30Gbps。而且，并行光纤收发器的光纤装配部件和连接部件体积都很小，所以实际上这种收发器比传输速度为10Gbps的传统收发器还要小，因此很适合于对体积要求较严格的背板应用。

并行光纤技术最主要的缺点是光纤和光纤连接器的成本太高。单光纤应用中每米光纤只需要30美分，每个终端只要10到20美元，而并行光纤每米光缆要4到5美元，每个终端70美元。而且并行光纤很难在现场端接，因此，并行光纤收发器一般只用于背板应用。在这种应用中，带宽密度比较重要，而且光纤的作用距离相对较短，也易预测。

混合型收发器

现在有一种新的光收发器正在研究中，这种收发器将CWDM技术和并行光纤技术结合起来(如图所示)，在单个连接上实现高达120Gbps的数据传输速度。并行光纤技术中每根带状并行光缆内有12根光纤，通过使用CWDM技术将4种波长的光信号复用到每一根光纤上，12根光纤上就可以传输48种波长的光信号，因此将两种技术结合的结构能够使系统同时容纳48个数据通道。如果每个通道的数据传输速度为2.5Gbps，那么该系统总的数据传输速度可以达到120Gbps。再将单光纤的数据传输速度提高到10Gbps，并将单光纤上复用的波长数增加到8个，这种混合技术所能达到的单条并行光缆上的数据传输速度为960Gbps。显然，这种混合技术不但能够大大提高背板应用中收发器的性能，而且同时还能够减少该应用中所必需的高价带状光缆连接器的个数，从而降低成本。

本文小结：

本文所谈到的这些新的收发器实现技术对光收发器市场进行了细化，这些新技术实现了很多在过去根本不可能实现或由于价格太高而无法实现的应用。如上所述，光通信技术应用的范围越来越广，而不同应用对收发器又有各种各样不同的要求，正是这些要求刺激了光收发器的发展。

作者：KEN HERRITY

总工程师

Blaze Network Products公司