摘要
很多光收发器厂商已经根据10G光纤通道标准开发10G产品。850nm的10G光器件的研制将是短距离通信以及企业网多模光纤链路收发器的又一突破。高性价比链路由短波长VCSEL和与多模光纤匹配的PIN二极管光器件组成。垂直共振腔面射型激光器（VCSEL）和PIN二极管都可以以芯片级量产，低功率衰耗且封装简单，而多模光纤通过调整光波阵列提供性价比。实验已证明了500米高带宽多模光纤以及100米50μm阶段光纤的优越性能。
光器件为收发器厂商提供了高速光芯片的光电接口，从而简化、加速光收发器的开发。下面的论文以Honeywell的产品为例，重点介绍了光器件方案，并举例说明它们可以满足用户、标准和多源协议规定的各种要求。
引言
从20世纪90时代，光链路就开始大规模采用在长距离通信中，但在企业网中还没有普及。随着局域网（LANs）和存储区域网（SANs）对Gbps数据速率的要求，以及受新的光纤通道和吉比特以太网标准驱使，很多人意识到铜缆在10-100米范围LANs和SANs中应用起来过于复杂且成本高。于是人们开始关注光链路的开发。
但企业网市场的开拓需要有示例性的例子。在长途通信应用中，目标是最大化光纤链路的距离和带宽。设备厂商和业务提供商希望收发器有更多的功能从而提高利用率。在LANs和SANs则不同，最长传输距离往往限制在几百米范围，关键是开发一种光纤收发器使得采用光缆的成本低于铜缆。850nm发射波长的VCSELs是90时代中期出现的商业产品，提供了性能、可靠性和成本方面的综合优势，非常适合于吉比特LANs和SANs光纤链路。
在90时代初期，几家公司试图从性价比着手开发适用于50-300米范围的1Gbps及更高速率的收发器。但1310nm侧射型激光器和单模光纤结合成本高昂。一些公司开始转向新的方案——采用低成本的侧射型780nm激光器以及多模光纤。增大的光纤直径（50-60μm多模光纤vs 8-9μm单模光纤）疏松了阵列间距，因此可采用低成本的材料和阵列技术。激光器元件本身成本低，但方案本身还存在问题。但当这些厂家试图用这些激光器满足速度和可靠性要求时，激光器可靠性成为企业网光纤链路的主要威胁。
850nm VCSELs的及时商业化促进了LANs和SANs的光纤链路快速成长。VCSELs从一开始就将带宽扩展到1Gbps，尽管其生产量比CD激光器少但性价比更高。新技术最终得到推广的关键是，Honeywell开发了高性价比的VCSEL，为技术团体提供了大量的详细数据，使得设备可靠度很容易满足甚至超过市场要求。
随着10Gbps以太网标准和光纤通道10Gps标准的正式批准，出现了10Gbps光纤链路在SAN和LAN中的大力推广应用。850nm VCSEL和标准多模光纤的结合是距离超过100米的数据通信链路的最具性价比的方案。而且，高带宽多模光纤的研制将10Gbps信号传播距离延伸到300米以上。但是一个好的方案不但需要高性能的芯片，还需要好的光电封装技术以保证收发器厂商再加工的简单和产品的性能。
VCSEL在数据通信应用中的优势
图1说明了VCSEL的优势。最明显的优势是垂直发射增强了所有的处理进程功能，可对所有的晶片表面进行测试，从而使VCSEL制造更像IC而不同于传统的侧射型激光器。设备可对晶片生产、分类，因此减小了坏芯片封装的浪费。此外还有其它的小优势也同样重要。VCSEL的对称性和窄发射比侧射型激光器更便于和光纤耦合。低阀值电流（激光器开始发光的最低电流）降低了激光器本身及IC功耗。相对平坦的阀值电流变化有利于激光器的温度补偿。频带宽度比多模侧射型激光器窄意味着高速信号的传送距离更远（在相同的中心波长情况下）。
VCSEL最关键的性能是高可靠性。图2量化了两种不同型号的VCSEL性能。该图显示了一组设备的出现故障的时间比率。设备在室温下运行几百万小时或100多年才可能出现故障。但大多数用户却对1％或更小的故障几率感兴趣，而这些故障一般会在几百万小时后出现。更另外这些故障分布比较集中，因此第一次故障出现时间并不会比平均故障时间早很多。
短波长10Gbps数据通信应用
IEEE 803.2ae标准（即10G以太网）的批准大大推动了10Gb光纤技术的发展。10G建议也是从光纤通道（ANSI）标准发展而来。10G以太网标准适应于各种通信结构，包括LAN、MAN和WAN。但与多模光纤兼容的短波长方案在企业网应用中受到限制。当前，标准多模光纤链路一般安装在65米外。新兴的高带宽多模光纤支持10G数据速率，传送距离也延长到300米，可满足大多数LAN和SAN情况。
10G以太网在LAN的最初应用是骨干网，利用10Mbps或100 Mbps接口连接工作组交换机。再通过1Gbps以太网链路连接到骨干网，单根1Gbps以太网链路可提供更高的带宽。无需另外铺设安装光纤，不需更多的空间安装多收发器，也不需要在狭小的配线中内置卡。
10G还可应用在网络附连储存（NAS）或存储区域网（SANs）中，改善了各种功能比如文件备份、故障恢复和数据映射应用。另外促进企业网网络带宽发展到10G水平的因素是PC制造商如戴尔、苹果及惠普都在桌面产品内置了吉比特以太局域网底板收发器。例如，戴尔准备在商业PCs中集成10/100/1000Base T-ports。随着用户对其在数据速率的优势体验，他们对网络高速连接的需求也将越来越高。
随着标准的颁布，将有越来越多的产品支持10G。2002年在亚力山大Supercomm会议上，有24家公司表示合作演示各种不同配置的10G以太产品、系统的互连互通。
10Gbps 850nm光纤子系统要求
为了阐明相关术语，下面的材料和封装组成一个典型的物理链路媒介（见图3）：
a)光电子芯片如VCSEL或光电探测器；b)光电器件，和芯片一起封装，为芯片提供电接口。对于VCSEL，器件还包括一反向检测二级管，而对接收器而言，器件包括一光电检测器和一转阻放大器（TIA）；c)光纤子系统（OSA）为器件提供光接口。由套管、插芯还可能包括内置透镜组成。发射机方面包括光发射套管TOSA。接收机方面包括光接受套管ROSA；d)收发器将TOSA、ROSA和驱动器、接收器IC结合起来，封装加上开关装置就组成了光连接器和电连接器。
这些收发器再集成到一块板中，通过永久装置或可调接口实现。本文中讨论的主要是OSA产品。TOSA和ROSA的价值是为收发器厂商提供光/电接口。
多源行业协议为TOSAs和ROSAs规定了很多机械和环境方面的要求，比如10G以太网和光纤通道标准确定了互连互通性和性能方面的要求。基于VCSEL的TOSA的关键性能需求包括调制速率，耦合效率，环型通量（encircled flux）需求管理，耦合功率分配，中心波长以及频谱带宽。光调制振幅、中心波长和频率带宽三者是平衡折中关系。ROSA的关键性能特征是有效波长范围，信号速率以及接受灵敏度。在整个运行温度范围内要满足所有的性能要求。运行温度范围通常在0-85°C。
XENPAK和XPAK多源协议（MSAs）规定了SC光电连接器，而X2和XFP MSAs规定了小封装LC连接器。多源协议还限制了TOSA和ROSA的物理尺寸。相关的轨迹定义了集中多源协议，如图4所示。多源协议定义的收发器高度和宽度成为光电子系统的直径的约束。
IEEE 802.3ae标准中关于多模光纤短波长方案在10BASE-S中有具体说明。该规范要求TOSA的发射波长范围在840nm-860nm，同时接收器也要在相同的波长范围内处理。LAN应用中的信号速率要求为10.31 GBd +/-100ppm（10GBASE-SR），在WAN应用中信号速率为9.95GBd +/-20ppm以确保和Sonet帧的兼容性。由于信号的特征，比如上升时间、下降时间、信号过冲、抖动等，确定了这些速率下数据的完整性，标准规定了滤镜可应用于发射机的输出眼图。如果滤镜中没有比特丢失，则认为性能满足要求。IEEE 802.3ae关于滤镜的说明如图5。
耦合到光纤内的最大光功率受限于眼图的1级安全。最低要求取决于中心波长、频率带宽和光调制振幅（OMA）的权衡，三者折中曲线见表3。最小的OMA范围：-4.3dBm、中心频率860nm、RMS频率带宽<0.05nm，到-2.8dBm、中心频率840nm，RMS频率带宽为0.4-0.45nm。很明显RMS频宽应该最小化。
另外，限模注入法（RML）说明了耦合到光纤的功率分配情况，在50/125微米多模光纤上，19微米直径的环型流量大于或等于86％，而4.5微米直径的环型流量低于30％。耦合要求保证了不同距离的指定光纤可支持10Gbps带宽。相关多模光纤变动的传输距离如表4。
IEEE 802.3ae标准还对接收器灵敏度作了一些说明。它指出“受限接收器灵敏度”在误码率为10-12时OMA等于0.18mW或者-7.5 dBm，并对在眼图闭合和正弦抖动器件定义的最坏波长情况下实现一定的误码率所需的功率要求作了说明。当将这些要求应用在接收器上时，光子系统ROSA的适当的条件可通过波形以及眼图闭合来实现。
对于用户而言最重要的产品的可靠性。一般说来，用户希望产品在正常运行温度下故障率低于1％。此外，用户还希望满足Telcordia标准规定的湿度容忍（85°C，85％相对湿度），振动。
10 Gbps光电子系统设计方案和性能
随着10 Gbps光电芯片的设计，相应的光电接口配置也需要进一步提高。10Gbps封装就是RF设计问题。为了满足环型流量的要求需要高价的光电设计。TOSAs和ROSAs对VCSEL和p-i-n光电探测器芯片的高速光电接口进行管理。电接口提供高带宽、低噪声以及与用户板块的良好兼容，而光纤插针是插入到连接器插座上，确保了光接口和光纤的耦合。
芯片性能
Honeywell TOSA和ROSA产品的核心是VCSEL和p-i-n光电探测器芯片。这些芯片经过了性能、可靠性和可生产性的最优化设计。VCSELs的阀值电流约1mA，系列容忍度大约为50 ohms。光电探测器响应约为0.6 A/W，从DC到10GHz，有利于实现高接收器灵敏度。
正如上面的要求说明，VCSEL的可靠性是光纤链路应用的关键因素。在10Gbps中尤为重要，因为在设计上有很多权衡，为了实现高性能常常对可靠性有一定负面影响。两个导致激光器故障的因素是温度和驱动设备的电流密度。另一方面，对于给定的设计，利用高电流密度可改善数据速率。但问题是高速率设备会降低可靠性。因此，设计的关键是减小电流密度来提供可靠性，并尽可能地实现高速率。
TOSA/ROSA设计和高速性能
由图6可知，TOSA由透明盖子的密封陶瓷封装组成，包括VCSEL和用来监视VCSEL输出的光电二极管。封装的背部有焊接衬底便于电连接。另外，封装还具有电线环路附件，可连接到板块上也可为光纤子系统和板块提供机械独立。可选择封装尺寸以便与各种相关多源协议（MSA）兼容。陶瓷封装可阵列或附加到精密塑模连接器插座上。一个单元包含一个集成的透镜，用来确保和光纤更好地耦合。法兰腔的内径和光纤套筒要良好匹配，确保光纤阵列可重复插拨。
ROSA有类似的设计，只是芯片内封装的是p-i-n光电探测器和转阻放大器（TIA）。相对TOSA，ROSA与SC或LC精密塑模连接器插座的连接采用焊接衬底无铅封装或电路环路。
IEEE 802.3ae标准还有关于光纤规范的说明，是为了保证高速信号在多模光纤的传输距离。三方折中曲线调整了波长、RMS频率带宽和OMA之间的关系，将频率带宽限制在0.45nm，如果频宽更窄则功率要求更低。
为保证链路距离的适当性能，光纤规范对耦合到光纤的光功率的环路流量做了一定说明。图7总结了10个单元的环路流量数据，显示了在4.5微米、19微米半径范围光损失比例，很明显，小半径范围损失要小的多，为30％，而大半径范围光损失了86％。通过调整集成在连接器内的透镜配件可实现。调整后的光信号传播距离可超过IEEE802.3ae规范说明。实验证明：调整后，500MHz-km 50μm/125μm多模光纤传输距离可超过100米，比标准的65米传输距离具有更好的性能；高带宽（2Ghz-km）单模光纤传输距离可长达510米，超过了标准的300米。
此外，影响ROSA性能的因素包括光电探测器、TIA以及封装设计。封装的电设计又是一个RF问题，而光设计的需求更直接，也就是将尽可能多的能量耦合到光电探测器。
以上的数据说明了TOSA和ROSA通过光电接口为用户提供高性能方案，现已应用于收发器开发，并还将继续推动更有效的收发器方案的出现。
未来方向
虽然多模光纤链路的短波长TOSA/ROSA技术可为企业网提供很多高性价比的应用，但目前10Gbps链路还只大规模应用在MANs和WANs领域。更长距离的链路一般使用单模光纤并配合使用长波长激光器，比如1310nm和1550nm激光器。这些波长段的VCSELs在好些厂商都有生产。VCSELs比传统侧射型激光器有低功率散射优势，比Fabry-Perot侧射型激光器有更窄的频谱宽度优势，比DFB激光设备有价格优势。
另外本文也介绍了10G设备系列。VCSEL的关键优势还表现在易于封装在单芯片上。因此单光纤子系统在250μm 间距内可划分为4或12信道，提供了更高的卡边密度。基本设备很容易转化为层状结构。此外，设计尽量减小电信号间的相互干扰（cross-talk）并便于光信号排列。
总结
10G以太标准的颁布以及技术的成熟是10Gbps光纤链路在企业网广泛应用的前提条件。基于短波长（850nm）的收发器光电设备结合多模光纤可为0-65米（使用标准500MHz-km光纤）或0-300米（使用扩展带宽2GHz-km光纤）距离范围提供最具性价比的方案。
基于850nm VCSELs的TOSAs和基于850nm p-i-n光电二极管的ROSAs为收发器光芯片设计提供了良好的光电接口，从而大大加快了方案的发展。
摘自 光纤新闻网
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