Оптични предаватели, приемници и приемо-предаватели. Оптични комуникационни компоненти. Част II.

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9/2015 • 06.01.2016

Оптични предаватели, приемници и приемо-предаватели. Оптични комуникационни компоненти. Част II.
Оптични предаватели, приемници и приемо-предаватели. Оптични комуникационни компоненти. Част II.
Оптични предаватели, приемници и приемо-предаватели. Оптични комуникационни компоненти. Част II.
Оптични комуникационни компоненти. Част II. Оптични предаватели, приемници и приемо-предаватели.
Оптични комуникационни компоненти. Част II. Оптични предаватели, приемници и приемо-предаватели.
Оптични комуникационни компоненти. Част II. Оптични предаватели, приемници и приемо-предаватели.
Оптични комуникационни компоненти. Част II. Оптични предаватели, приемници и приемо-предаватели.
Оптични комуникационни компоненти. Част II. Оптични предаватели, приемници и приемо-предаватели.
Оптични комуникационни компоненти. Част II. Оптични предаватели, приемници и приемо-предаватели.
Оптични комуникационни компоненти. Част II. Оптични предаватели, приемници и приемо-предаватели.

В предишния брой на сп. Инженеринг ревю бяха разгледани структурните особености на оптичните комуникационни мрежи, както и дискретните прибори за реализацията им – драйвери, източници и приемници на светлина. Тук продължаваме с

Оптичните предаватели
Обикновено те са в модулно изпълнение с масово използвано наименование Transmitter Optical Sub-Assembly (TOSA), а поради своето естество са за осигуряване на еднопосочни връзки (Simplex Transmission). В структурата на предлаганите от различните производители има значителни различия, но с известно приближение те се свеждат до опростената блокова схема на фиг. 1. Данните от диференциалния вход IN преминават през изравнителя EQ за осигуряване на практически еднакво ниво на сигналите в целия честотен обхват. Блокът CDR (от Clock and Data Recovery) осигурява обработката на данните и необходимите за целта тактови импулси, който в някои модели (без това да е задължително) се управлява от микроконтролера UC, обикновено свързан към някой от масово използваните интерфейси (например I2C).

Един от разпространените начини за реализация на CDR е като самостоятелна ИС, пример за каквато е GN2425 на Semtech, предназначена за обхвата 25-28 Gbps. Друг типичен случай е EQ и CDR да са самостоятелна ИС, например ADN2927 на Analog Devices. Накрая е драйверът DD за захранване на LD или LED, от който заедно с куплунга зависи с какви видове оптични влакна може да работи предавателят. Техният диаметър OFЖ е един от параметрите на предавателите, като не трябва да се забравя, че по-голям диаметър означава възможност за подаване към него на по-голяма Ро и съответно увеличаване на дължината на връзката.

Типични схеми за свързване на предавателите обикновено се дават в документацията им. В колони 4 и 5 на табл. 1 са основните оптични параметри на типични предаватели, като l е максималната дължина на установяване на връзка, а в колона 6 са електрическите параметри, като VIL и VIH са логическите нива на входа съответно за „0” и „1”, а ZIN е импедансът между изводите на IN. Предавателите на редове 1 и 2 работят с приемниците на същите редове в табл. 4, като тези на редове 2 имат 12 паралелни канала, всеки от които с дадената DR. Това обяснява приложенията в мрежи 100 Gbps. Особеност на предавателя на ред 2 е и установяването на 8 вида изравняване чрез 3-битово число, подавано на EQ от UC. Специално предназначен за тестване на видеосистеми е предавателят на ред 3, като всички операции се извършват чрез интерфейса I2C. С подобно предназначение е предавателят на ред 4, но той е двуканален.

Сравнително редки са модулите, работещи в широки граници на околната температура (с възможност за използване и в автомобили), каквито са дадени на последните два реда на табл. 1, а този на ред 5 работи с приемника TORX1300(F). Практическа особеност е, че двойките предавател-приемник обикновено са с еднакво външно оформление.

Оптични приемници
Аналогично на предавателите, те също се реализират като модули и имат различия в структурата и съответно приложенията си. Масово използвана е блоковата схема от фиг. 2, на чийто IN постъпва токът от LD. За усилването и преобразуването му в напрежение се използва усилвателят на импеданс (Transimpedance Amplifier) TIA, който е самостоятелна ИС и съвкупността му с LD обикновено се означава като ROSA (от Receiver Optical Sub-Assembly). Напрежението от диференциалния му изход постъпва на усилвателя с ограничение (Limiting Amplifier) LA, понякога наричан Post Amplifier и Limiting Post Amplifier. Освен допълнително усилване той осигурява контрол на напрежението от TIA и чрез блока си LOS (от Loss-Off-Signal) изключва приемането при напрежение под определен праг (в част от LA прагът се регулира чрез външно управление). Втората функция на LA е премахване (Offset Cancelation) на нежеланата постоянна съставка във входното напрежение, а реализацията също е чрез ИС. Вече споменатият блок CDR има различия от този в предавателите, тук се нарича Receive Signal Conditioner и също е отделна ИС. Пример за такъв CDR е ADN2926 на Analog Devices.

Усилватели на импеданс. Наименованието им се дължи на това, че вместо коефициент на усилване по напрежение имат като параметър предавателен импеданс Zt (или Z21) като отношение на изходното напрежение Uo и входния ток Ii. Действието им изисква да имат малко входно и изходно съпротивление, имат множество други приложения извън оптичните комуникации, а мерната единица на Zt е W (или V/A). Основните параметри на популярни TIA са в табл. 2, като Ii,p-p е токът от връх до връх, Ro е изходното съпротивление и Uomax е максималното изходно напрежение. Дадените на редове 1, 2, 5 и 6 се предлагат като кристал без корпус.

Усилватели с ограничение. Те също са ИС със специфични основни параметри коефициент на усилване по напрежение (Small Signal Gain) G, минимално входно напрежение от връх до връх Ui,p-p (означавано от някои производители като Differential Input Sensitivity) и изходни напрежения на лог.0 (VoL) и лог.1 (VoH), вместо или заедно с които понякога се дава изходното напрежение от връх до връх (Voltage Swing) Vo,p-p. При тези усилватели tr и tf са фронтовете на изходните им електрически импулси, а основни сведения за типични усилватели с ограничение има в табл. 3. За практиката е полезно да се знае, че в документацията често се дава свързването на LA с подходящ TIA, пример за което е фиг. 3.

Съществуват ИС, съдържащи TIA и LA (Limiting Transimpedance Amplifier), пример за каквато е ONET8541T на Texas Instruments c Zt=4 kW, BW=30 kHz-9 GHz и DR=11,3 Gbps с приложения в 10G Ethernet, 10G EPON, SONET OC-192 и 6G CPRI.

Модули на оптични приемници. Типични модули с основните им параметри са дадени в табл. 4, като често те се предлагат в комбинация с предаватели със съвместими параметри, а почти винаги и със същия външен вид и размери – например приемниците на редове 1, 2, 5, 6 и 8 в табл. 4 работят съответно с предавателите на редове 1, 2, 3, 4 и 5 на табл. 1. Приемникът от ред 4 е за работа с “многомодови” кабели (Multimode Fiber), в случая с 4 влакна, всяко от които е за лъч с определена lp. Схемата на модула е дадена на фиг. 4 и показва, че за всеки от лъчите има отделен PIN фотодиод и комбинация от TIA и LA, а изходите (Lane 0 – Lane 3) са диференциални. За диагностични цели са приемниците на редове 5 и 6, като последният е двоен – единият му канал е за lp= 1310 nm, а другият е за 1550 nm. Последният от характерните приемници на ред 8 е главно за прибори с батерийно захранване и малки размери и се съединява чрез POF.

Специфична категория са приемниците за прибори с дистанционно управление чрез инфрачервени лъчи, пример за какъвто е TSOP6236FTR на Vishay, който е с lp=980 nm.

Оптични приемо-предаватели
Основната част от оптичните приемо-предаватели (Optical Transceiver) са под формата на модули за двупосочна връзка, като за едновременния обмен в двете посоки ползват отделни оптични влакна с еднаква или различна lp за приемане и предаване. Освен това връзките може да са от обект до множество обекти (Point to Multipoint), а предаването и приемането да са съответно в пакетен (Burst) и постоянен режим (Continuous Mode). Например такъв е модулът на ред 1 в табл. 5, която съдържа основните параметри на типични модули на приемо-предаватели. Полезно е да се има предвид, че нараства относителният дял на модули за работа с POF, какъвто е даденият на ред 2. В колона 4 са общите параметри на модулите, в колони 5 и 6 са оптичните и електрическите на предавателя и в следващите две – тези на приемника. Типична структура на приемо-предавател е дадена на фиг. 5 и тя показва практически задължителните диференциален вход и изход за данните, контролния изход за регистриране на приемане и вида на куплунга за връзка към оптичния кабел.

С усъвършенстване на технологиите се увеличава количеството на ИС на приемо-предаватели, но те все още не включват всички блокове на модулите. Първият типичен пример е ADN2928 на Analog Devices с опростена схема на свързване на фиг. 6. Приемането става чрез PD и TIA, а предаването е с помощта на драйвера LDD и LD. Стойността на DR е между 9,953 и 11,1 Gbps, а основните приложения са в мрежи 10 Gb Ethernet и SONET ОC-192. С вграден LDD (ползва само външен TIA) е SY88432L на Micrel за DR=155 Mbps-4,25 Gbps и приложения в SONET OC3/12/24/48. Подобна е серията от десет ИС на Semtech за работа с различни видове LD и вграден LA и LDD. Предназначени са за DR между 2,5 и 11,3 Gbps и имат приложения в EPON, GPON, 10GEPON и 10 Gb Ethernet. От тях характерен е GN7354 с допълнителен блок за CDR и съдържащ предавател до 2,5 Gbps и приемник до 10,3 Gbps.
Подобни на приемо-предавателите, но с разширени възможности, са модулите с наименования Fiber Duplexer и Fiber Duplex Module, които могат да осигуряват двупосочна връзка едновременно по два независими канала (един във всяка посока) чрез едно или две оптични влакна. Типичен пример е модулът HOD2135-142/GB на Honeywell с различни lp (850 и 1300 nm) на каналите, който осигурява DR=25 Mbps и l=2 km.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top