光通信网络中的光收发模块和数字可变电阻及其应用

本文介绍光通信网络中光收发模块和数字非易失可变电阻的技术与应用,并着重分析新型数字非易失可变电阻DS1847/8在激光技术中对系统参数自动调节的设计及应用。

光收发模块伴随光纤通信网络发展应运而生

近年来，从关于通信网络技术的信息中发现,它总是和越来越高的频带宽需求有关。事实上,这种情况还在继续,即数量不断增长的电话、传真、调制解调器和计算机,它们对带宽的需求越来越高，以用来传送太比特数字化信息(视频、图像、建模程序以及数据和语音等)。与此同时，那些快速成长的高科技通信公司正在为满足宽带的需求而努力。在过去的十年，主要力量已经投人到开发光纤网络中，在光网络里，光波通过比头发丝还要细的光纤，以千兆位/秒的速度传输信息。

仍处于发展中的通信网络具有高度的复杂性。少数几个大公司试图主宰全球光网络市场，在此背景下,则是多家公司所开发的技术的融合,而每一种都包含了特殊的专门技术。DallasSemiconductor公司则属于后者,即特殊的专门技术;它们已设计了一系列的可变电阻，尤其适合于光收发模块。现在,概述一下Dallas的可变电位器所应用于宏大的通信网络方案，以便揭示出一些有关通信网络工业的解决方案。值此应先对关于光收发模块在技术、标准与应用方面作此分折。

概述光收发模块

光收发模块应用

当今,许多制造商都设计和生产光收发模块。而光收发模块的应用在下列几个方面,即同步光纤网络(SONET)和同步数字体系(SDH)、异步传输模式(ATM)、光纤分布数据接口(FDDI)、光纤通道、快速以太网和千兆位以太网等系统。这些系统的名称代表传输协议和标准的国际定义。另一方面，光收发模块自身在早期开发时并没有规定标准的物理特性。

关于兼容性问题

由于认识到产品想进一步取得成功，就必须考虑兼容性的要求，在1998年，一些制造商联合起来，制订了一个收发模块的多源协议(MSA)。该联合体包括： AMP incorporated，Hewlett-Packard Company和Lucent Technologies Microelectronics Group等等公司。这些公司同意将模块的尺寸减小一半(宽度减至0.535英寸)以及规定了一套模块的封装和引脚排列,它们能够在大量的、用于高速光纤通道的RJ-45类(包括双工LC、MT-RJ和SC/DC)光连接器之间互换。

目前，一个新的协会正在起草一份新的光收发模块多源协议(MSA)，代表了一个更大的制造商联合体和新一代的模块。这种多源制造商现在包括Agilent Technologies，Hitachi cabl，IBM，Molex等均15家著名公司。模块规范现在被称为小外型可插拔(SFP)并有望达到5.0Gb/s的传输速率。该规范反映了业界对于在更小体积、更高速度的热插拔模块内实现高密度信号传送的追求。

光收发模块概念

找到可变电阻(特殊专门技术的电位器)在光收发模块技术中的位置，将有助于理解关于收发模块的一些基础知识。模块先将输入的光波转变为电信号，同时将输出的电信号转变为光信号。而从根本上来讲，光收发器模块是基于半导体激光技术。模块是一块印刷电路板(PCB)，它具有一定带宽的光源,其光源来自一个细小的半导体芯片,即一个发光二极管或激光二极管。而光源频率在红外谱近处，可调制以数十GHz信号，提供一个宽广的带宽。

光收发模块的信号通道与设计

模块接收端的接收口接至输人光纤，光电检测二极管将光信号转变为电信号，接着被放大，以便将时钟和数据恢复并解复用,以及通过电接口输出。光电检测器要求一个自动控制功率的偏置电路，以提供恒定的工作电压,见图1所示。同样,在模块发送端，时钟和数据位的电信号经过同步、锁存后，被送至激光驱动器。最后，激光驱动器将信号以电流方式调制激光二极管，将电能转变为光。

在采用激光二极管的设计中，采用一只光电检测器监测激光二极管的输出，而后，通过反馈环路，再将光信号回馈给电路，以测量激光管的实际输出功率.这种反馈能够稳定激光管输出功率。但光反馈是这种设计中的一个缺陷。如今己采用一种新的激光技术,即垂直腔体表面发射激光器(VCSEL),由于它只需极低的驱动电流而通常不需要光电检测器。

值此要说明的是,激光驱动器必须做两件事情：首先它必须保持一个恒定的DC偏置，以设定激光器的工作点;另外它还必须提供—个调制电流来承载信号。随着制造商努力增加收发器的信号吞吐率，激光源的工作常数必须检仔细地加以规范，以更好地控制光输出。

关于激光二极管和VCSEL(垂直腔体表面发射激光器)

Fabu-Perot类型的激光二极管从芯片狭窄的边沿发出相干光线,且反射镜处于边缘或安装在芯片的外部。不管怎样，对于未来的通信工业，更有前途的激光源是VCSEL。就如同其名称所述，VCSEL从位于芯片顶端(未来可能采用底部)的一个直径5至25微米的圆形腔体上垂直地发出激光光柱。反射镜排列在腔体的两端称为“分布式布喇格反射器”。将来,采用多元VCSEL阵列的并行光互连将达到兆兆字节的吞吐率。

目前各研究机构正在开发更普及应用的VCSEL设计。与边沿发射器相比，VCSEL需要的电流更小,具有更低的发射激光门限(1mA或2mA对比30mA)。在这种情况下，简单的电流控制通常就足以满足要求，而无需光电检测器监测输出。VCSEL发射孔径相当大，这就意味着输出光柱的散射角(发散程度)相当小，当然，这也存在生产和加工方面的几个优点：首先，VCSEL的片芯更小,从而允许更多的VCSEL安排到同一个晶片上;其次，处于整个晶片上的所有VCSEL能够立即得到测试;最后，VCSEL在工作中比激光二极管更为牢靠，具有更长的寿命和更低的失效率。

无沦是激光二极管还是VCSEL，在任何一个光收发器中的激光发射器都是半导体，其光电效应都依赖于电流、电压和阻抗的相互作用，下列的一些因素都会影响到安全性和性能：

.激光输出对温度过于敏感;

.激光输出功率随着激光的寿命而变化，并且温度的升高将加快老化;

.由于VCSEL比激光二极管工作时的电流和湿度都要低，因此，其故障率也成比例地降低;

.激光发射器需要保护，以防止功率的随机跳变以及电源上电和断电过程的跳变带来的破坏;

.尽管人类看不见激光器的近红外光，但是，进入眼睛内的光柱还是会聚焦在视网模上,此种能够引起永久性的伤害，再加上激光器功能,这二者均对人体安全均存在着严重的潜在影响，为此要求激光功率输出必须限制在几百毫瓦以内。

控制VCSEL和激光二极管中的激光电流不仅仅是安全问题，还有性能上的考虑。同半导体的表现一致，VCSEL的最大输出功率随着温度的降低而线性地增加，输出的波长随着温度的增加而增加。总而言之,随温度变化而控制电流在保证性能方面是非常重要的。

对光收发模块及其相关技术提出新的要求及实现

对光收发模块及其相关技术提出新的要求

.由带宽的巨大需求引导出光网络的发展;光网络采用光收发模块，将光信号转换为电信号;

.收发模块的制造商不断降低几何尺寸，提高信号吞吐率至数吉比特每秒;

.收发模块采用光电二极管接收光信号,采用激光二极管或VCSEL发送光信号;

.随着数据速率持续增长，光收发模块的有源光电元件需要更为精密、更为可靠的功率控制，以阻止激光故障,延长寿命期限并且工作应在期望的输出参数内。

实现与达到上述的要求-数字控制可变电阻的应用

这最终将转向Dallas Semiconductor的可变电阻。要控制流过激光二极管和VCSEL的电流，从而控制功率输出的方法是通过控制电阻来实现的。之前,在相当有一段时间内，技术人员专职于手动调节“校准电位器”,以试图得到一个好的“眼图”,但效果不佳。而这种控制和调校问题的更好解决方法应该是采用一个电可编程的器件-新型数字控制的可变电阻和电位器，因为它能够响应温度的变化。为此,下面要着重分析新型数字控制的可变电阻和电位器与应用。

新型数字控制的可变电阻开发与应用势在必行

虽然不是一个严格意义上的通信公司，但在一些相关技术领域，Dallas SemicGnductor公司仍可发挥其专长：数字控制的可变电阻和电位器、EEPROM、温度传感器和超低功耗的CMOS工艺。顺应了千兆位光技术的需求，Dallas公司已经生产了一系列产品，并带有一些新的特性。

DSl845是带有EEPROM的双电位器，它是半导体业内第一款内置存储器的电位器，尤其适合应用了可插拔于兆位收发端模块中，DSl845将两个线性抽头的电位器和256字节的EEPROM结合在一起，其中后者EEPROM是MSA标准所需的。而较高分辨率的256级电位器能够用于控制调制电流，而100级的电位器用于控制偏置电流。用户能够配置两个输出,并存储抽头位置以及产品系列ID号在片内的非易失性EEPROM存储器中，以作为工作过程中的参考信息。

对于那些要缩小为SFP封装的模块,可通过采用更高密度集成的元件(包括存储器和两个独立可配置的电位器)来取代多个元件，从而减小空间。进一步来说，DSl845的2线接口能够满足收发器制造商的在线编程要求，并且兼容现有的2线EEPROM。

为了满足更多的特殊要求，Dallas公司还开发了DSl846，在一个缩小的TSSOP(簿型小外形封装)内集成了3个线性递变的电位器、非易失性存储器和一个CPU监控电路，在一个如此小的芯片内,这种级别的集成节省了板面,减少了成本,缩短了供货期,加快了产品的开发。对于DSl845，其非易失性存储器器来配置和存储特殊应用的校准数据，以及控制每个电位器的柚头位置，另外，还备有用户特殊数据的存储空间。

DSl846的片内微监测器检测电压放变化，一旦检测到超出电压容差范围，微监测器立即复位,并保持复位状态，直至回到安全的工作条件为止。微监测器能够设定为几个电压复位门限，还包括一个手动复位。而第三个电位器可用于监视其它变量，或用来对另外两个电阻之一进行粗调。

具有集成温度补偿的数字可变电阻的DSl847和DSl848旨在用于日益膨胀的激光应用，它们能够在整个温度范围内补偿激光器的温度特性,其内部结构组成见图2所示。

DSl848包含额外的、128字节的通用(用户)EEPROM;除此之外两者是相似的。它们在片内的查寻表(LUT)内存储对应于温度的阻抗特征值，集成的温度传感器在激光器工作期间不断地测量和报告温度值，DSl847或DSl848则将温度读数与LUT表内的值进行比较，再按照设计者定义的阻抗特征调整阻抗。温度传感器输出的温度也存储在EEPROM中(每l0ms更新一次)，也可以通过2线总线提供给用户。也就是说,为了对一给定系统的温度变化的温度变化进行补偿，设计人员可以在整个温度范围内以2℃为间隔确定所期望的电阻值，井将数据存储在芯片的EEPROM查询表内。工作期间，器件会测量温度。井据此读取EEPROM查询表，并自动调节电阻。利用这种方案，DSl847/DS1848能够在温度变化叫自动调节系统参数，使系统工作在最佳状态。

还应该说明的是，DSl847和DSl848是自动工作的。当检测到温度发生变化时,控制电路自动地调整阻抗,以实现电流的补偿,而无须用户干预。图2中A0、A1、A2地址线是地址选择引脚允许在串行总线上连接最多8个器件。 14引脚的DSl847/DS1848封装形式(TSSOP)见图2右侧。

所有的Dallas电路都采用低功耗CMOS技术，有助于保持在一个较低的功率预算。所有电路工作于整个工业级温度范围，以及3V和5.5V两种电源。

结束语

由上分析,在宽带需求愈来愈高的今天,光网络通信是最好的途径,而光网络通信的实现必需要用光收发模块,然而基于激光技术的光收发模块的安全和性能保证是要由更深层次的数字控制的DSl84x系列可变电阻和电位器来调节校准参数作为支撑。当然这一切光网络通信技术均属于激光新技术中的明星。

从而也可看出,激光-新技术中的明星,其兴旺发达在某种程度上需要依赖于新型数字控制的DSl84x系列可变电阻和电位器，“而不再需要古老的电阻”。

显然，象通信网络这样的一个巨大、复杂、发展、强劲的市场，不同的对手应工作于不同的级别。