【漏风书场】光通信科普

只看该作者 · 2021-6-8 21:55

本帖最后由 wolfe_yu 于 2021-6-10 11:05 编辑

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科普贴——光模块演绎及PAM-4简介

前言
随着大数据、云计算和物联网时代的到来，人们对数据的流量的需求急剧增长，传统的光通信技术已经远远无法满足人们的需求，这就让人们不断的寻求新的传输协议。
于是，从最早的串口通信，发展到后面的以10M/100M以太网，再到更后面的光通信……

光通信起源
光通信，顾名思义是通过光信号的变化来传输信息，达到数据通信的目的，最早的光通信，可以追溯到中国的商周时期，那时候没有先进的通信设施，军队调动，主要依靠点燃烽火来做敌情信号的传输。[size=14.6667px]

烽火传输，有个优点，传输速度快，有一缺点，信息量少，只能告诉你有情况，快支援，其他啥信息没有，极有可能是，主帅整顿大部队到达战场，发现就抓了几个游击。后来被废弃。

光模块基本原理

到了近现代，随着串口通信协议和速率的不断提高，光模块得到突飞猛进的发展，从最初的155M、622M到后面的100G、200G等。

光模块的大致工作原理如下图所示：

发端把电信号通过控制激光二极管通断，把电信号通过调制转换成光信号，同时，收端把光信号再解调为电信号的过程，就是光模块的简单工作原理。

在实际光收发一体模块设计，会涉及到光的调制解调、发端驱动、收端放大等，所以，实际的光模块大致框图如下图所示：

光模块关键部件

Ø 调制解调

在高速信号的收发过程中，为了节约成本，我们通常的做法是通过码元传输数据，时钟信号通常是隐藏在码元之中，在接收端有一个无法避免的话，就是时钟同步问题，时钟同步技术有很多种，大致分为：插入导频法、平方提取法、科斯塔斯（Costas）环法，由于科斯塔斯环法不需要信号预先做平方处理，导频分量，开销最低，所以，大部分CDR都是采用基于科斯塔斯环法来实现的，科斯塔斯环法框图大致如下：

CDR除了提取时钟信息之外，还会把在传输过程中变形的码元信息重构一次，完整的CDR大致框图如下图所示：

Ø 光接收组件

光电探测器PD是光接收组件(ROSA)的最核心，一般来说，PD大致可以分为两大类：PIN管和APD，另外还有诸如MSM、UTC-PD、WD-PD等。

PIN二极管主要是在P和N层之间加入一个I层，作为耗尽层，可以吸收绝大多数光子，形成光电流。特点：需要施加的偏压小，噪声小，无电压倍增作用；

雪崩二极管（APD）是利用雪崩倍增效应，使光电流得到倍增的高灵敏度探测器，APD能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成高电场区。特点：能提供内部增益，工作速度高，施加偏压大。

TIA是Trans-ImpedanceAmplifier，跨阻放大器的缩写，用来把电流信号转换成电压信号。

Ø 光发射组件

TOSA里面最核心的就是Laser（激光器），激光器分为两类，一类是边沿发射激光器Edge Emitter Laser(EEL)，另一类是垂直表面腔激光器VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)

激光器有一个PI曲线，随着激光器温度升高，以前同样的调制电流输入到激光器后，平均光功率Pavg和消光比ER都会变差，因此，设计Transceiver的时候需要做必要的温度补偿，所以，我们会在Laser中加入TEC做温度补偿。

在光发射组件中，Driver是另一个非常重要的部分，Driver芯片里面有两个电流源，一个是偏置电流源IBias控制平均光功率，一个是调制电流源Imod控制消光比ER。Transceiver输入端的电压信号，0或者1就控制上图的那个开关切换到哪个位置。

开关切换到位置1，流过激光器的电流是Ibias+Imod，电流大，所以激光器发出强光，开关切换到位置0，流过激光器的电流是Ibias，电流小，所以激光器发出弱光，这样，就完成了电压信号到光强光弱的转换，从而完成了信号的调制。

新的挑战及PAM-4

Ø 传输速率瓶颈

许多串行链路受带宽限制，在任何长度的铜线上移动都难以超过28 Gb/s，所以，我们想要做到更高的传输速率，就必须突破现有技术，寻求新的技术方向。

Ø PAM-4技术简介

PAM4是脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation)的一种，是继NRZ(Non-Return-to-Zero)后的热门信号传输技术，当前已被广泛应用在高速信号互连领域。

NRZ和PAM4信号的典型区别在于：每个时钟周期，NRZ输出两个状态，传输1Bit逻辑，PAM4为可以输出4个状态，传输2Bit逻辑。在同样波特率条件下，PAM-4信号比特速率是NRZ信号的2倍，传输效率提高一倍。

PAM-4架构如下图所示，发端将两路1 bit NRZ信号合并成一路2 bit PAM-4信号，下图为PAM-4的系统架构图。

PAM-4和传统NRZ码元传输的最大差别在于，PAM-4必须依赖于DSP做抽样判断，发端通过DSP-DAC转换发射码元，收端放大整形之后，通过DSP-ADC判断码元，核心框图如下。

Ø PAM-4技术未来趋势

从目前看来，PAM-4还会采用DSP的方式做码元处理，但是从未来可操作性和成本角度考虑，新的CDR技术可以很容易的替代现有的DSP方案，最终实现低成本。

Microchip解决方案

一直以来，Microchip深耕光模块市场，成功Design Win了很多物料，也帮客户做到比较优化的设计。

Ø Microchip主要机会

Ø MCU

ATSAML21J18B-UNUT
优势：
a、128KBytes<20ms，Microchip集成RWW 64 Bytes FLASH模拟EEPROM；
b、Microchip集成PLA/CCL，I/O复用；
c、温度等级，Microchip的温度等级可以支持到125℃（高）；
d、I2C擦写速度最高可达3.4M;
e、封装，Microchip支持小封装；
f、低功耗（中）；
g、低成本。
Ø  Memory
SPI Flash  SST25PF040CT-40I/NP
优势：
a、非易失性，高可靠性；
b、擦写速度快。
EEPROM  AT25M02-U1UM0B-T
优势：
非易失性，高可靠性。
Ø  DC/DC
DCDC  LX7180A-01CLQ-TR
优势：
a、电流输出4A；
b、QFN，小封装，不易碎。
Ø  Clock
Oscillators  VC-830-ECE-KAAN-156M25
优势：
a、低抖动；
b、高性能频率稳定性。

Oscillators DSC1222DL3-156M2500

优势：
a、小体积；
b、高性能频率稳定性。

Fanout Buffer SY89311UMG-TR