下一代光收发器...

　　随着对网络容量的需求急剧增大，光收发器种类和复杂程度都在以惊人的速度发展。IEEE已经为未来10G以太网标准批准了4种光接口；光网络论坛也为OC-192 VSR标准通过了4种光接口(也许最终会有第5个)；负责光纤网络的美国国家信息技术标准委员会的T11为它提出的10G标准规定了5种光接口。而且，对于专用光背板产品，也有多种多样的解决方案。光收发器应用的急剧增加导致了多样性，需要不断发展相关技术满足这种应用需求。 　　上个世纪九十年代末期，LAN中基于铜的数据通信开始停滞不前，随着G级以太网络的发展，这种趋势更为明显。由于技术困难，铜版本标准被搁置，而光纤版本则得以通过。结果光收发器首次被大规模应用于LAN，而且在提出的10G以太网络标准中，IEEE特意没有包括任何铜接口。因此，光互连已经成为主干LAN的首选技术。　　同时，网络容量需求的急速增加导致发展大于Tb的交换机和路由器，典型应用于多机架链路，机架之间的链路可多达数千个，而每一个链路都不会小于10Gb/s。铜技术不能完成该任务，需要设计全新一族光收发器以适应这种应用。 　　由于光纤技术成本下降和容量要求的提高，众多电信公司、地方政府、甚至大的企业集团已经开始将光纤技术应用于城市区域网络(MAN)应用。因此，曾一度局限于远距离和高端骨干网络的光纤链接技术现已遍及网络设施的每一角落。但是，光纤链路应用数量的急速增加也导致了品种繁多，有时甚至互相矛盾的光收发器。　　远程收发器的需求在于远距离，收发器必须在没有放大器的情况下，能够运行100Km，如果有放大设备，则应更远。这种收发器一般工作在1550nm波段(1530～1565nm)，此范围内光能量损失较低而且光放大比较容易，因此该波段为首选。远程收发器也要求较窄的线宽(小于0.04nm），以减少色散(由于不同波长传播速度不同而造成的脉冲加宽)，高速率数据传送时色散限制了传送距离。要满足上述要求，需要用远程收发器配合分布反馈(distributed-feed-back）Bragg激光和外部调制器降低啁啾声(chirp,由于激光调制电流而导致的激光波长的变化)。 　　MAN收发器一般工作在较短距离(最大40Km），因此光纤损失并不重要，同时不需要光放大，这样就拓宽了激光波长范围(1300nm即可以使用)，降低了激光光源限制(线宽可放宽到2nm）。对于距离不到10Km的链路，外部调制也不重要。MAN收发器比远程收发器便宜很多，但由于要应用于对信道密度和功耗都很敏感的转换设备，因此应比远程收发器做的更小，有更低功耗。 　　LAN收发器工作在距离较近的链路，通常是位于一个建筑物内或大学校园不同建筑物之间，最大距离要求一般是2Km。这种环境下，大多数链路之间的距离都不到100m，需要用多模光纤链路，所以LAN收发器能够和便宜的850nm激光使用。由于LAN收发器为用户端口设备的大部分，因此这些器件必须低成本、小型化、低功耗。而且，它们主要用于设计用户卡可以接入的端口，应尽量小并且降低电磁干扰(EMI）。LAN收发器还必须是即插即用型，不同于上面提到的各种收发器。 　　背板收发器必须工作在很短距离内(不大于100m），除了两个重要的区别外，和LAN收发器具备同样的要求。由于背板收发器用于专有内部链路，尽管对于特定收发器而言，多种货源也很重要，但不需要什么标准。背板收发器必须具备绝对大的带宽密度（收发器数据速率除以带宽），这一点对于光背板应用尤其重要，因为用户带宽由背板收发器链路带宽所限制，而背板带宽通常由用户卡边缘给背板收发器留下的空间所决定。 　　驱使收发器急剧增长的其它因素包括光纤收发器的各种技术。目前使用的有三种不同类型激光：Fabry-Perot(FP)，DFB和垂直腔面发射激光(vertical-cavity surface-emitting-lasers, VCSELS），三个波长范围(850 nm，1300 nm，和1550nm)，两种光纤类型(单模和多模)，四种不同的传输技术(串行、并行、DWDM和CWDM）。如果考虑到各种组合，不计算光纤链路类型和形状因数(Form factor)引起的不同，可以有72种不同的收发器。 　　FP激光比起DFB更容易制造，但是由于具有相对较大的线宽（大于1nm)和温度造成的波长漂移(0.5nm/℃)，不适合于高速或远距离应用。而DFB激光具有线宽较窄(小于0.04nm)，波长随温度变化的漂移较小(0.1nm/℃)的优势，完全适合于高性能通信应用。但是，DFB激光也有局限。第一，工作于1500nm波段的激光对于chirp非常敏感，通常需要一个外部调制器(这种限制在1300nm波段时并不特别明显)。第二，生产DFB激光比起FP激光或VCSEL更加困难。最后，DFB激光需要更大的电流。这些特性使得DFB激光不适合于许多LAN应用和大多数光背板应用。VCSEL有相对较窄的线宽(0.35nm)和非常低的波长漂移(0.06nm/℃)，低电流阈值(1mA)比FP和DFB激光在输出同样功率时效能更高，而且没有DFB激光那样高的啁啾声。因此，VCSEL甚至在10Gb/s时都可直接调制。最后，比起其它激光，制造和调整准直VCSEL都比较容易，这样就能够生产低成本基于VCSEL的收发器。这些特性看起来足以使VCSEL成为高性能通信应用的理想解决方案。但是，目前它仍有两个显著的弱点。 　　第一，实践证明，生产能够工作在1300～1500nm波段适当功率水平的VCSEL非常困难，限制了VCSEL应用于多模光纤。第二，即使比起DFB激光更为有效，但问题在于它们不能产生DFB激光那样大的功率。这些弱点以及波长的局限使VCSEL目前仅仅应用于较短距离的LAN应用和光背板应用。 　　850nm波段（770～860nm）的明显特征是具有大的衰减（在老式光纤中有3.75dB/Km）、多模光纤中的高模态和色散、以及激光安全方面的担心，如果没有对开放光纤控制到-4dBm或更高，就会限制激光最大功率的使用。工作在850nm波段的收发器不能用于单模光纤(标准9mm单模光纤不支持1260nm以下的单模)。这些局限可将850nm波段收发器的工作距离在10Gb/s时减小到不足30m，具体取决于光纤类型。然而，由于其低成本，850nm收发器在光背板和LAN应用中仍很普遍。 　　1300nm波段(1270～1355nm)的明显特征是具有较低的衰减(在多模光纤中为1.5dB/Km，单模光纤中为0.5dB/Km)、更少的色散(对于标准光纤，零色散波长在1295～1365nm范围内，随光纤类型而有所不同)和较低的激光安全问题考虑(一级运行可达2dB)。而且，1300nm收发器可和标准单模光纤一起使用，因此即使用最差的多模光纤，在10Gb/s时1300nm收发器的工作距离可达85m，如果用单模光纤，工作距离可达10Km。因此，1300nm收发器能够理想应用于许多LAN和一些MAN。 　　1500nm波段(1530～1565nm)具有最低的光衰减(在单模光纤中为0.36dB/Km)，而且在此波段也可以用光放大显著提高工作距离，因此该波段可以很好地用于远距离应用和较远距离的MAN。但一般情况，此波段不用于光背板和LAN，因为此范围的激光运行费用极其昂贵。 　　对于所有大于500m的通信应用，单模光纤是首选类型。单模光纤比多模光纤能够更容易地支持高数据传输率，但不能认为单模可适于所有的光纤应用。单模技术需要在收发器内有更为精确的准直(不到1mm），这使其生产极其困难。而且单模收发器不能使用低成本的850nm VCSEL，因为这些器件不能运行单模光纤。因此，在未来更换网络时，如果光纤成本低于昂贵的单模收发器，多模光纤将大有可为。 　　对于许多LAN经营者来说，由于已有网络的既成事实和比单模光纤更容易运行等因素，多模光纤仍是首选。而且，大多数骨干网链路都和数据中心很近，10Gb/s也在多模光纤容量之内，因此这种用于数据中心链路并完全支持现有网络设施的低成本多模. 　　收发器仍很重要 　　大约十年前，串行传输是仅有的光纤通信技术，该技术具有简易光学(一端是光源，另一端是探测器，不需要光学复用及解复用)和简易电子学的优势。但是当带宽需要增加时，这种技术的两种局限就非常明显。第一，每一光纤的数据流不能充分利用光纤的实际容量；第二，在高数据速率时，所需要的光电元器件很难设计和制造具备较高性价比的产品。 　　使用多种波长，DWDM允许在单个光纤内传输多个数据流(一个波长对应一个数据流)，波长被压缩在1530～1565nm范围内，以满足光放大器的需要，已经有100多种波长被压缩到这个范围内，每一个波长都工作在10Gb/s，这样，DWDM就能够在单个光纤内传输大于1Tb的信息量。但是，这种能力需要线宽非常窄的特定波长激光。而且，这种激光必须能够控制温度以消除波长漂移。DWDM需要外部调制的激光来消除chirp，需要精确滤波技术选择接收器的波长，对于极远距离的传输则需要光放大器和色散补偿器。因此，在一个DWDM系统中，单一信道(波长)成本可高达2万美元。这样高的成本，使DWDM系统和收发器一般仅仅局限于远距离系统，在这样的应用中，铺设光缆的费用、困难和时间很容易超过DWDM设备的费用。 　　同样用多种波长，CWDM（Coarse WDM）也可在单个光纤内传输多个数据流。但波长之间的间隔是10～25nm，这样大的波长间隔使单个光纤仅能容纳8个波长。但大波长间隔倒是简化了光学系统的设计，因为不再需要对波长和温度都精确调节的激光器，简单的光学滤波即可。由于信道数量有限，CWDM收发器可使用简易光学系统，做入一小的封装内。最后，由于CWDM收发器是典型应用于近距离链接(不超过10Km)，可使用包括VCSEL在内的便宜、直接调制的激光。所有这些特性使4～8个波长的CWDM收发器市场售价不到1000美元。此外，CWDM收发器还可以被做成同样大小的封装，应用于串行收发器或转发器。 　　并行光纤收发器在12条光纤中传输数据，该光纤组形成一个比传统双光纤缆线还小的光缆，每一个光纤构成一个数据信道。因此，对于每一个光纤都工作在2.5Gb/s的并行光纤收发器，其综合数据传输速率可达30Gb/s。因并行光纤光缆以及链接器都很小，其收发器比传统工作在10 Gb/s的收发器要小。因此，并行光纤收发器已经成为构建光背板的可选技术。 　　并行光纤技术的主要缺点在于光纤和链接器成本高，并行光纤大约为4～5美元/米，终端成本为70美元/每端(单束光纤大约为30美分/米，终端成本为10～12美元/每端)。此外，并行光纤难以在现场架设，由此，并行光纤收发器一般只局限于光背板应用，其中带宽密度非常关键，光纤长度相对较短，而且比较固定。 　　目前正在研发的收发器将CWDM和并行光纤技术结合在一起，使用并行光纤可以在单一链路中达到120 Gb/s的传输速率。主要技术是用CWDM将四种波长的激光复用到12条光纤的每一个上，这种结构使系统能够同时传输48个信道的数据，每一个信道数据传输速率为2.5Gb/s，总速率可达120Gb/s。如果数据传输速率增加到10Gb/s，每一个光纤的波长数量增加到8个，这种复用技术在单个并行光纤传输数据，速率可达960Gb/s。非常明显，这些技术的结合能够提高光背板的性能，同时减少所需光纤链路的数量。 　　该项混合技术在市场上已经占有了一席之地，使以前根本不可能或极其昂贵的应用成为现实。就象本文前面提到的，随着光纤技术被应用到更多领域，独具特色的应用需求带动了收发器种类的增加。但关键在于要明确新收发器的容量，然后再和相应的使用要求匹配。

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