本文通俗地說，解釋了基于光纖的電信日益增長的重要性，并描述了用于實現(xiàn)該技術(shù)的各種標(biāo)準(zhǔn)（SDH、SONET 和 FDDI）。作為一種年輕的技術(shù)，可以進(jìn)行改進(jìn)，以提高技術(shù)的性能并降低制造過程中的成本。數(shù)字電位計提供了一種設(shè)置關(guān)鍵激光驅(qū)動器和反饋電路以獲得最佳性能的方法。這些電位器內(nèi)部的溫度檢測機(jī)制可用于監(jiān)控和補(bǔ)償這些電路，以應(yīng)對溫度函數(shù)中可能發(fā)生的任何參數(shù)變化。這些數(shù)字電位計還可用于使用機(jī)械電位計或精心挑選的固定電阻手動執(zhí)行的生產(chǎn)校準(zhǔn)程序自動化。這不僅降低了這些激光驅(qū)動器的生產(chǎn)成本，而且還可以通過消除校準(zhǔn)過程中的人為錯誤因素來提高設(shè)備的可靠性和質(zhì)量。達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司討論的電位器包括DS1845、DS1846、DS1847和DS1848。

近年來，有關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新聞似乎總是涉及對更多帶寬的迫切需要的一些聲明。事實仍然值得重復(fù)：越來越多的人使用電話、傳真、調(diào)制解調(diào)器和計算機(jī)，通過交換數(shù) TB 的數(shù)字化信息（視頻、圖像、建模程序以及數(shù)據(jù)和語音），要求更大的載波頻譜份額。作為回應(yīng)，依靠增長蓬勃發(fā)展的高科技通信公司正在競相滿足這種對帶寬的需求。在過去的十年中，主要資源已用于開發(fā)光纖網(wǎng)絡(luò)，其中光波通過比人類頭發(fā)更細(xì)的光纖以每秒千兆比特的速度傳輸信息。

賭注非常高。在 2000 年 17 月的一份新聞稿中，IT 咨詢公司 Aberdeen Group（馬薩諸塞州波士頓）預(yù)測，“到 7 年，光網(wǎng)絡(luò)市場（不包括 SONET 元素）將增長到 2003 億美元。能夠提供解決運(yùn)營商面臨的問題的技術(shù)的供應(yīng)商將是成功的供應(yīng)商。

在“供應(yīng)商”和“技術(shù)”中使用復(fù)數(shù)形式突出了本文中的一個關(guān)鍵問題。蓬勃發(fā)展的通信網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜。雖然少數(shù)大公司傾向于主導(dǎo)光網(wǎng)絡(luò)的全球部署，但在幕后，由多家公司開發(fā)的技術(shù)融合在一起，每家公司都擁有專業(yè)的技術(shù)專長。馬克西姆屬于后一類;我們設(shè)計了一系列可變電阻器，專門用于光收發(fā)器模塊。Maxim的電阻器在通信網(wǎng)絡(luò)宏偉方案中的位置，可以了解通信行業(yè)開發(fā)解決方案的方式。

識別大局

光收發(fā)器模塊由各種制造商設(shè)計和制造。這些模塊的應(yīng)用包括同步光纖網(wǎng)絡(luò) （SONET） 和同步數(shù)字層次結(jié)構(gòu) （SDH）、異步傳輸模式 （ATM）、光纖分布式數(shù)據(jù)接口 （FDDI）、光纖通道、快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)。這些系統(tǒng)的名稱反映了國際定義的傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的范圍。另一方面，模塊本身最初是在沒有明確物理特性的情況下開發(fā)的。

認(rèn)識到一致性的必要性，如果他們的產(chǎn)品要成功，一組制造商聯(lián)合起來，在1998年為收發(fā)器模塊制定了多源協(xié)議（MSA）。該集團(tuán)由AMP公司，惠普公司，朗訊科技微電子集團(tuán)，北電（北方電信），西門子股份公司光纖和住友電氣光波公司組成。這些各方同意將其模塊的尺寸縮小一半（寬度為0.535英寸），并指定了一組模塊封裝和引腳布局，這些封裝和引腳可以在高速光纖通道應(yīng)用中使用的各種RJ-45型（包括雙工LC，MT-RJ和SC / DC）光連接器之間互換。

目前，一個新的財團(tuán)正在起草一份新的收發(fā)器模塊MSA，反映了更大的制造商隊伍和新一代模塊。這些多源制造商現(xiàn)在包括安捷倫科技、Glaze Network Products、E2O Communications、Finisar、藤倉科技美國、日立電纜、英飛凌科技、IBM、朗訊科技、Molex、OCP、Picolight、Stratos Lightwave、住友電工光波和泰科電子。該模塊規(guī)范現(xiàn)在稱為小型可插拔 （SFP），涵蓋高達(dá) 5.0Gb/s 的預(yù)期傳輸速率。這些規(guī)范反映了業(yè)界對更小尺寸和更高速度的熱插拔模塊進(jìn)行高密度信號傳輸?shù)尿?qū)動力。

要找到我們的電阻器在哪里，了解收發(fā)器模塊的一些基礎(chǔ)知識會有所幫助。該模塊將入射光波轉(zhuǎn)換為電信號，將輸出電信號轉(zhuǎn)換回光。具有根本意義的是，光收發(fā)器基于半導(dǎo)體激光技術(shù)。該模塊是印刷電路板（PCB），令人垂涎的帶寬的光源是一個微小的半導(dǎo)體芯片：發(fā)光或激光二極管。在近紅外光譜的頻率下，激光器的輸出可以調(diào)制為數(shù)十GHz，這是一個寬敞的帶寬。

下面簡要總結(jié)了通過收發(fā)器模塊的信號路徑。接收端口連接到傳入的光光纖。光電探測器二極管將光轉(zhuǎn)換為電信號，然后放大，以便時鐘和數(shù)據(jù)信號可以通過電氣接口恢復(fù)、解復(fù)用和發(fā)送。光電探測器需要一個自動功率控制的偏置電路來提供恒定的工作電壓（見圖1）。同時，在模塊的發(fā)送側(cè)，電子時鐘和數(shù)據(jù)位信號被合成并鎖存并發(fā)送到激光驅(qū)動器。最后，激光驅(qū)動器將信號作為電流發(fā)送到激光二極管，激光二極管將電子能量轉(zhuǎn)換為光。

圖1.典型的平均功率控制電路使用監(jiān)視器光電二極管和可調(diào)電阻來設(shè)置偏置電流。

在一些使用激光二極管的設(shè)計中，光電探測器監(jiān)控半導(dǎo)體激光管輸出，并在反饋回路中將光重新轉(zhuǎn)換回測量激光實際輸出功率的電路。這種反饋穩(wěn)定了激光輸出功率。光學(xué)反饋是這種設(shè)計的一個復(fù)雜缺點。然而，最新的激光技術(shù)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）通常不需要光電探測器，因為電流極低。

激光驅(qū)動器必須做兩件事：它必須保持一致的直流偏置電流來設(shè)置激光工作點，并且必須保持調(diào)制電流來傳輸信號。隨著制造商努力提高收發(fā)器的信號吞吐量，必須仔細(xì)表征激光源的工作常數(shù)，以控制光輸出。

激光二極管和VCSEL

法布里-珀羅型激光二極管從芯片的狹窄斜邊發(fā)射相干光束，反射鏡集成在邊緣或位于芯片外部。然而，對于通信行業(yè)的未來，VCSEL是更有前途的激光源。顧名思義，VCSEL從芯片頂部（底部是未來的可能性）直徑為5至25微米的圓形腔體垂直發(fā)射激光束。反射鏡作為集成陣列集成在腔體的兩端，這種設(shè)計被稱為“分布式布拉格反射器”。未來，使用多元件VCSEL陣列的并行光互連可以實現(xiàn)TB級吞吐量。

學(xué)術(shù)和企業(yè)機(jī)構(gòu)正在大力開發(fā)VCSEL設(shè)計，以便更廣泛地部署。與邊緣發(fā)射器相比，VCSEL需要的電流更少，激光閾值更低（1mA或2mA與30mA）。在這個水平上，簡單的電流控制通常就足夠了，無需額外的光電探測器來監(jiān)控輸出。VCSEL的發(fā)射孔徑明顯更大，這意味著輸出光束的發(fā)散角（色散量度）明顯更小。還有幾個制造和加工優(yōu)勢。芯片要小得多，允許將更多的VCSEL封裝在具有更多互連的晶圓上;整個晶圓上的所有VCSEL都可以一次測試。最后，VCSEL在操作上比半導(dǎo)體激光管更堅固，具有更長的預(yù)期壽命和更低的故障率。

無論是半導(dǎo)體激光管還是VCSEL，任何光收發(fā)器中的激光發(fā)射器都是半導(dǎo)體，其光電效應(yīng)取決于電流、電壓和電阻的相互作用。以下一些因素會影響安全性和性能：

激光輸出對溫度非常敏感。

激光功率輸出往往會在激光器的使用壽命內(nèi)發(fā)生變化，并且這種老化會隨著溫度的增加而增加。

由于VCSEL的工作功率和溫度明顯低于二極管，因此隨著時間的推移，故障率也相應(yīng)降低。

需要保護(hù)激光發(fā)射器免受隨機(jī)功率瞬變以及上電和斷電期間瞬變的影響。

盡管激光的近紅外光對人類來說是不可見的，但進(jìn)入眼睛的光束仍然聚焦在視網(wǎng)膜上，并可能造成永久性損傷。由于對人身安全和激光功能的潛在嚴(yán)重影響，法規(guī)要求激光功率輸出限制在幾百微瓦。

控制激光電流不僅是VCSEL和半導(dǎo)體激光管的安全問題，也是性能的一個因素。與半導(dǎo)體行為一致，VCSEL的最大輸出功率隨溫度的降低線性增加;相反，輸出波長隨著溫度的升高而增加。簡而言之，根據(jù)溫度控制電流對于控制性能非常重要。

從大局的角度來看，我們可以將積累的事實描述如下：

對帶寬的爆炸式增長需求導(dǎo)致光學(xué)的發(fā)展 網(wǎng)絡(luò)。

光網(wǎng)絡(luò)使用光收發(fā)器模塊來物理轉(zhuǎn)換光信號和電信號。

收發(fā)器模塊制造商需要減小物理尺寸，并將信號吞吐量提高到每秒幾千兆位。

收發(fā)器模塊使用光電二極管接收光信號，使用激光二極管或VCSEL發(fā)送光信號。

隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提高，模塊的光主動組件需要更精確、更可靠的功率控制，以防止激光故障、延長預(yù)期壽命和/或在所需的輸出參數(shù)內(nèi)運(yùn)行。

這最后把我們帶到了Maxim的可變電阻?？刂仆ㄟ^激光二極管和VCSEL的電流，從而控制功率輸出的方法是控制電阻。有一次，一位人類技術(shù)人員有一份全職工作，手動調(diào)整“微調(diào)”電位器，試圖獲得良好的“眼睛模式”。這種控制和調(diào)諧問題的更好解決方案是電子編程設(shè)備，它可以響應(yīng)溫度變化。

利基行業(yè)

雖然嚴(yán)格意義上不是通信公司之一，但Maxim在多項相關(guān)技術(shù)方面擁有專業(yè)知識：數(shù)字控制可變電阻和電位器、EEPROM、溫度傳感器和超低功耗CMOS方法。為了滿足千兆位光學(xué)技術(shù)的需求，Maxim推出了具有一系列新功能的產(chǎn)品系列。

達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司（Maxim Integrated的全資子公司）憑借帶EEPROM的DS1845雙路電位器，設(shè)計了半導(dǎo)體行業(yè)首款集成存儲器的電位器，專門用于可插拔千兆位收發(fā)器模塊。DS1845集成了兩個線性抽頭電位器與MSA標(biāo)準(zhǔn)要求的256字節(jié)EEPROM。更高分辨率的256位電位計可用于控制調(diào)制電流，100位電位計可用于控制偏置電流。用戶配置輸出，并將游標(biāo)設(shè)置和所需的串行ID數(shù)據(jù)存儲在片內(nèi)非易失性EEPROM存儲器中，以便在工作期間參考。

在旨在縮小為SFP的模塊中，將存儲器和兩個單獨配置的電位計組合在一起的更密集集成的組件通過更換多個部件來節(jié)省空間。此外，DS1845的2線接口滿足收發(fā)器生產(chǎn)商對在線可編程性的要求，并與現(xiàn)有的2線EEPROM兼容。

為了滿足更多的特殊需求，達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司開發(fā)了DS1846，它將三個線性錐度電位器與非易失性存儲器和一個CPU監(jiān)控器集成在簡化的TSSOP封裝中。這種在如此小的芯片中的集成度節(jié)省了電路板空間，減少了成本和采購延遲，從而加快了產(chǎn)品開發(fā)。與DS1845一樣，非易失存儲器用于配置和存儲特定應(yīng)用的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。而且，為了控制每個電位計的游標(biāo)設(shè)置，還有內(nèi)存空間可用于用戶特定的數(shù)據(jù)。

DS1846的片內(nèi)微型監(jiān)視器跟蹤電壓。檢測到超出容差的電壓電平時，微型監(jiān)視器啟動并保持系統(tǒng)復(fù)位，直到安全操作條件恢復(fù)。微型監(jiān)視器可針對各種電壓電平進(jìn)行編程，并包括手動復(fù)位。

第三個電位計可用于監(jiān)視另一個變量，或為其他電阻之一提供粗略調(diào)整。

DS1847和DS1848適用于要求苛刻的激光應(yīng)用，可補(bǔ)償激光器在整個溫度范圍內(nèi)的熱特性（見圖2）。DS1848具有額外的128字節(jié)通用EEPROM;否則兩者是相似的。芯片在板載查找表（LUT）中存儲相對于溫度的電阻特性。集成的溫度傳感器在激光操作期間持續(xù)測量和報告溫度。DS1847或DS1848將讀數(shù)與LUT中存儲的值進(jìn)行比較，并根據(jù)設(shè)計人員定義的電阻特性調(diào)整電阻。由溫度傳感器確定的值也存儲在EEPROM中（每10毫秒更新一次），用戶可通過2線總線獲得。還應(yīng)注意的是，DS1847和DS1848自動工作。當(dāng)檢測到溫度變化時，控制電路會自動調(diào)整電阻以達(dá)到補(bǔ)償電流值，而無需任何用戶干預(yù)。

圖2.可變電阻器專為像這樣的光收發(fā)器而設(shè)計，比舊的機(jī)械調(diào)整電位計更準(zhǔn)確地自動校準(zhǔn)每個二極管。

總體而言，所有Maxim電路均采用低功耗CMOS技術(shù)，有助于降低敏感的功率預(yù)算。所有電路均在整個工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作，并采用 3V 和 5V 電源供電。

顯然，在像光通信網(wǎng)絡(luò)這樣龐大、復(fù)雜、驅(qū)動的市場中，許多參與者都在多個層面上運(yùn)作。激光的成功，一種新的異國情調(diào)技術(shù)的明星，可以取決于一個相對古老和熟悉的參與者，謙虛的電阻器。當(dāng)然，馬克西姆對這個寓言寓意的警告是，“它不再是你祖父的抵抗者了。

審核編輯：郭婷