光纖收發器是什么?什么用的
閱讀：5250發布時間：2015-3-20
隨著信息化建設的突飛猛進，人們對于數據、語音、圖像等多媒體通信的需求日益旺盛，以太網寬帶接入方式因此被提到了越來越重要的位置。但是傳統的5類線電纜只能將以太網電信號傳輸100米，在傳輸距離和覆蓋范圍方面已不能適應實際網絡環境的需要。與此同時，光纖通信以其信息容量大、保密性好、重量輕、體積小、無中繼、傳輸距離長等優點在廣域網等大型網絡中得到了廣泛的應用。在一些規模較大的企業，網絡建設時直接使用光纖為傳輸介質建立骨干網，而內部局域網的傳輸介質一般為銅線，如何實現局域網同光纖主干網相連呢？這就需要在不同端口、不同線形、不同光纖間進行轉換并保證鏈接質量。光纖收發器的出現，將雙絞線電信號和光信號進行相互轉換，確保了數據包在兩個網絡間順暢傳輸。同時它將網絡的傳輸距離極限從銅線的100米擴展到100公里（單模光纖）。
什么是光纖收發器
許多用戶認為將網絡升級到光纖網絡需要拆除現有銅線基礎設施的想法是一種錯誤的概念，它阻礙了許多用戶升級到光纖網絡。有了將銅線纜上的信號轉換為光纖上傳輸信號的光纖收發器使用戶無需進行其他設置，就可將光纖引入到網絡中。
光纖收發器是一種將短距離的雙絞線電信號和長距離的光信號進行互換的以太網傳輸媒體轉換單元，在很多地方也被稱之為光電轉換器或光纖轉換器（FiberConverter）。為了保證與網卡、中繼器、集線器和交換機等網絡設備的*兼容，光纖收發器產品嚴格符合10Base-T、100Base-TX、100Base-FX、IEEE802.3和IEEE802.3u等以太網標準。
光纖收發器一般應用在以太網電纜無法覆蓋、必須使用光纖來延長傳輸距離的實際網絡環境中；同時在幫助把光纖zui后一公里線路連接到城域網和更外層的網絡上也發揮了巨大的作用。有了光纖收發器，也為需要將系統從銅線升級到光纖，但缺少資金、人力或時間的用戶提供了一種廉價的方案。
光纖收發器分類
按速率來分，光纖收發器可以分為單10M、100M的光纖收發器、10/100M自適應的光纖收發器和1000M光纖收發器。
10M和100M的收發器產品工作在物理層，在這一層工作的收發器產品是按位來轉發數據。該轉發方式具有轉發速度快、通透率高、時延低等方面的優勢，在兼容性和穩定性方面較好，適合應用于速率固定的鏈路上。而10/100M光纖收發器是工作在數據鏈路層，在這一層光纖收發器使用存儲轉發的機制，這樣轉發機制對接收到的每一個數據包都要讀取它的源MAC地址、目的MAC地址和數據凈荷，并在完成CRC循環冗余校驗以后才將該數據包轉發出去。存儲轉發的好處一來可以防止一些錯誤的幀在網絡中傳播，占用寶貴的網絡資源，同時還可以很好地防止由于網絡擁塞造成的數據包丟失，當數據鏈路飽和時存儲轉發可以將無法轉發的數據先放在收發器的緩存中，等待網絡空閑時再進行轉發。這樣既減少了數據沖突的可能又保證了數據傳輸的可靠性，因此10/100M的光纖收發器適合于工作在速率不固定的鏈路上。
按結構來分，可以分為桌面式（獨立式）光纖收發器和機架式光纖收發器。桌面式光纖收發器適合于單個用戶使用，如滿足樓道中單臺交換機的上聯。機架式光纖收發器適用于多用戶的匯聚，如小區的中心機房必須滿足小區內所有交換機的上聯，使用機架便于實現對所有模塊型光纖收發器的統一管理和統一供電。
按光纖來分，可以分為多模光纖收發器和單模光纖收發器。由于使用的光纖不同，收發器所能傳輸的距離也不一樣，多模收發器一般的傳輸距離在2公里到5公里之間，而單模收發器覆蓋的范圍可以從20公里至120公里。需要指出的是因傳輸距離的不同，光纖收發器本身的發射功率、接收靈敏度和使用波長也會不一樣。5公里光纖收發器的發射功率一般在-20～-14db之間，接收靈敏度為-30db，使用1310nm的波長；而120公里光纖收發器的發射功率多在-5～0dB之間，接收靈敏度為-38dB，使用1550nm的波長。
按光纖數量來分，可以分為單纖光纖收發器和雙纖光纖收發器。顧名思義，單纖設備可以節省一半的光纖，即在一根光纖上實現數據的接收和發送，在光纖資源緊張的地方十分適用。這類產品采用了波分復用的技術，使用的波長多為1310nm和1550nm。但由于單纖收發器產品沒有統一標準，因此不同廠商產品在互聯互通時可能會存在不兼容的情況。另外由于使用了波分復用，單纖收發器產品普遍存在信號衰耗大的特點。目前市面上的光纖收發器多為雙纖產品，此類產品較為成熟和穩定。
按網管來分，可以分為網管型光纖收發器和非網管型光纖收發器。隨著網絡向著可運營可管理的方向發展，大多數運營商都希望自己網絡中的所有設備均能做到可遠程網管的程度，光纖收發器產品與交換機、路由器一樣也逐步向這個方向發展。目前大多數廠商的網管系統都是基于SNMP網絡協議上開發的，支持包括Web、net、CLI等多種管理方式。管理內容多包括配置光纖收發器的工作模式，監視光纖收發器的模塊類型、工作狀態、機箱溫度、電源狀態、輸出電壓和輸出光功率等等。隨著運營商對設備網管的需求愈來愈多，相信光纖收發器的網管將日趨實用和智能。
光纖收發器在數據傳輸上打破了以太網電纜的百米局限性，依靠高性能的交換芯片和大容量的緩存，在真正實現無阻塞傳輸交換性能的同時，還提供了平衡流量、隔離沖突和檢測差錯等功能，保證數據傳輸時的高安全性和穩定性。因此在很長一段時間內光纖收發器產品仍將是實際網絡組建中*的一部分，相信今后的光纖收發器會朝著高智能、高穩定性、可網管、低成本的方向繼續發展。
光纖收發器的發展
隨著對網絡容量的需求急劇增大，光收發器種類和復雜程度都在以驚人的速度發展。IEEE已經為未來10G以太網標準批準了4種光接口；光網絡論壇也為OC-192VSR標準通過了4種光接口(也許zui終會有第5個)；負責光纖網絡的美國國家信息技術標準委員會的T11為它提出的10G標準規定了5種光接口。而且，對于光背板產品，也有多種多樣的解決方案。光收發器應用的急劇增加導致了多樣性，需要不斷發展相關技術滿足這種應用需求。
上個世紀九十年代末期，LAN中基于銅的數據通信開始停滯不前，隨著G級以太網絡的發展，這種趨勢更為明顯。由于技術困難，銅版本標準被擱置，而光纖版本則得以通過。結果光收發器被大規模應用于LAN，而且在提出的10G以太網絡標準中，IEEE特意沒有包括任何銅接口。因此，光互連已經成為主干LAN的技術。
同時，網絡容量需求的急速增加導致發展大于Tb的交換機和路由器，典型應用于多機架鏈路，機架之間的鏈路可多達數千個，而每一個鏈路都不會小于10Gb/s。銅技術不能完成該任務，需要設計全新一族光收發器以適應這種應用。
由于光纖技術成本下降和容量要求的提高，眾多電信公司、地方政府、甚至大的企業集團已經開始將光纖技術應用于城市區域網絡(MAN)應用。因此，曾一度局限于遠距離和骨干網絡的光纖鏈接技術現已遍及網絡設施的每一角落。但是，光纖鏈路應用數量的急速增加也導致了品種繁多，有時甚至互相矛盾的光收發器。
遠程收發器的需求在于遠距離，收發器必須在沒有放大器的情況下，能夠運行100Km，如果有放大設備，則應更遠。這種收發器一般工作在1550nm波段(1530～1565nm)，此范圍內光能量損失較低而且光放大比較容易，因此該波段為。遠程收發器也要求較窄的線寬(小于0.04nm），以減少色散(由于不同波長傳播速度不同而造成的脈沖加寬)，高速率數據傳送時色散限制了傳送距離。要滿足上述要求，需要用遠程收發器配合分布反饋(distributed-feed-back）Bragg激光和外部調制器降低啁啾聲(chirp,由于激光調制電流而導致的激光波長的變化)。
MAN收發器一般工作在較短距離(zui大40Km），因此光纖損失并不重要，同時不需要光放大，這樣就拓寬了激光波長范圍(1300nm即可以使用)，降低了激光光源限制(線寬可放寬到2nm）。對于距離不到10Km的鏈路，外部調制也不重要。MAN收發器比遠程收發器便宜很多，但由于要應用于對信道密度和功耗都很敏感的轉換設備，因此應比遠程收發器做的更小，有更低功耗。
LAN收發器工作在距離較近的鏈路，通常是位于一個建筑物內或大學校園不同建筑物之間，zui大距離要求一般是2Km。這種環境下，大多數鏈路之間的距離都不到100m，需要用多模光纖鏈路，所以LAN收發器能夠和便宜的850nm激光使用。由于LAN收發器為用戶端口設備的大部分，因此這些器件必須低成本、小型化、低功耗。而且，它們主要用于設計用戶卡可以接入的端口，應盡量小并且降低電磁干擾(EMI）。LAN收發器還必須是即插即用型，不同于上面提到的各種收發器。
背板收發器必須工作在很短距離內(不大于100m），除了兩個重要的區別外，和LAN收發器具備同樣的要求。由于背板收發器用于專有內部鏈路，盡管對于特定收發器而言，多種貨源也很重要，但不需要什么標準。背板收發器必須具備大的帶寬密度（收發器數據速率除以帶寬），這一點對于光背板應用尤其重要，因為用戶帶寬由背板收發器鏈路帶寬所限制，而背板帶寬通常由用戶卡邊緣給背板收發器留下的空間所決定。
驅使收發器急劇增長的其它因素包括光纖收發器的各種技術。目前使用的有三種不同類型激光：Fabry-Perot(FP)，DFB和垂直腔面發射激光(vertical-cavitysurface-emitting-lasers,VCSELS），三個波長范圍(850nm，1300nm，和1550nm)，兩種光纖類型(單模和多模)，四種不同的傳輸技術(串行、并行、DWDM和CWDM）。如果考慮到各種組合，不計算光纖鏈路類型和形狀因數(Formfactor)引起的不同，可以有72種不同的收發器。
FP激光比起DFB更容易制造，但是由于具有相對較大的線寬（大于1nm)和溫度造成的波長漂移(0.5nm/℃)，不適合于高速或遠距離應用。而DFB激光具有線寬較窄(小于0.04nm)，波長隨溫度變化的漂移較小(0.1nm/℃)的優勢，*適合于高性能通信應用。但是，DFB激光也有局限。*，工作于1500nm波段的激光對于chirp非常敏感，通常需要一個外部調制器(這種限制在1300nm波段時并不特別明顯)。第二，生產DFB激光比起FP激光或VCSEL更加困難。zui后，DFB激光需要更大的電流。這些特性使得DFB激光不適合于許多LAN應用和大多數光背板應用。VCSEL有相對較窄的線寬(0.35nm)和非常低的波長漂移(0.06nm/℃)，低電流閾值(1mA)比FP和DFB激光在輸出同樣功率時效能更高，而且沒有DFB激光那樣高的啁啾聲。因此，VCSEL甚至在10Gb/s時都可直接調制。zui后，比起其它激光，制造和調整準直VCSEL都比較容易，這樣就能夠生產低成本基于VCSEL的收發器。這些特性看起來足以使VCSEL成為高性能通信應用的理想解決方案。但是，目前它仍有兩個顯著的弱點。*，實踐證明，生產能夠工作在1300～1500nm波段適當功率水平的VCSEL非常困難，限制了VCSEL應用于多模光纖。第二，即使比起DFB激光更為有效，但問題在于它們不能產生DFB激光那樣大的功率。這些弱點以及波長的局限使VCSEL目前僅僅應用于較短距離的LAN應用和光背板應用。
850nm波段（770～860nm）的明顯特征是具有大的衰減（在老式光纖中有3.75dB/Km）、多模光纖中的高模態和色散、以及激光安全方面的擔心，如果沒有對開放光纖控制到-4dBm或更高，就會限制激光zui大功率的使用。工作在850nm波段的收發器不能用于單模光纖(標準9mm單模光纖不支持1260nm以下的單模)。這些局限可將850nm波段收發器的工作距離在10Gb/s時減小到不足30m，具體取決于光纖類型。然而，由于其低成本，850nm收發器在光背板和LAN應用中仍很普遍。
1300nm波段(1270～1355nm)的明顯特征是具有較低的衰減(在多模光纖中為1.5dB/Km，單模光纖中為0.5dB/Km)、更少的色散(對于標準光纖，零色散波長在1295～1365nm范圍內，隨光纖類型而有所不同)和較低的激光安全問題考慮(一級運行可達2dB)。而且，1300nm收發器可和標準單模光纖一起使用，因此即使用zui差的多模光纖，在10Gb/s時1300nm收發器的工作距離可達85m，如果用單模光纖，工作距離可達10Km。因此，1300nm收發器能夠理想應用于許多LAN和一些MAN。
1500nm波段(1530～1565nm)具有zui低的光衰減(在單模光纖中為0.36dB/Km)，而且在此波段也可以用光放大顯著提高工作距離，因此該波段可以很好地用于遠距離應用和較遠距離的MAN。但一般情況，此波段不用于光背板和LAN，因為此范圍的激光運行費用極其昂貴。
對于所有大于500m的通信應用，單模光纖是類型。單模光纖比多模光纖能夠更容易地支持高數據傳輸率，但不能認為單模可適于所有的光纖應用。單模技術需要在收發器內有更為的準直(不到1mm），這使其生產極其困難。而且單模收發器不能使用低成本的850nmVCSEL，因為這些器件不能運行單模光纖。因此，在未來更換網絡時，如果光纖成本低于昂貴的單模收發器，多模光纖將大有可為。
對于許多LAN經營者來說，由于已有網絡的既成事實和比單模光纖更容易運行等因素，多模光纖仍是。而且，大多數骨干網鏈路都和數據中心很近，10Gb/s也在多模光纖容量之內，因此這種用于數據中心鏈路并*支持現有網絡設施的低成本多模.
大約十年前，串行傳輸是僅有的光纖通信技術，該技術具有簡易光學(一端是光源，另一端是探測器，不需要光學復用及解復用)和簡易電子學的優勢。但是當帶寬需要增加時，這種技術的兩種局限就非常明顯。*，每一光纖的數據流不能充分利用光纖的實際容量；第二，在高數據速率時，所需要的光電元器件很難設計和制造具備較高性價比的產品。
使用多種波長，DWDM允許在單個光纖內傳輸多個數據流(一個波長對應一個數據流)，波長被壓縮在1530～1565nm范圍內，以滿足光放大器的需要，已經有100多種波長被壓縮到這個范圍內，每一個波長都工作在10Gb/s，這樣，DWDM就能夠在單個光纖內傳輸大于1Tb的信息量。但是，這種能力需要線寬非常窄的特定波長激光。而且，這種激光必須能夠控制溫度以消除波長漂移。DWDM需要外部調制的激光來消除chirp，需要濾波技術選擇接收器的波長，對于極遠距離的傳輸則需要光放大器和色散補償器。因此，在一個DWDM系統中，單一信道(波長)成本可高達2萬美元。這樣高的成本，使DWDM系統和收發器一般僅僅局限于遠距離系統，在這樣的應用中，鋪設光纜的費用、困難和時間很容易超過DWDM設備的費用。
同樣用多種波長，CWDM（CoarseWDM）也可在單個光纖內傳輸多個數據流。但波長之間的間隔是10～25nm，這樣大的波長間隔使單個光纖僅能容納8個波長。但大波長間隔倒是簡化了光學系統的設計，因為不再需要對波長和溫度都調節的激光器，簡單的光學濾波即可。由于信道數量有限，CWDM收發器可使用簡易光學系統，做入一小的封裝內。zui后，由于CWDM收發器是典型應用于近距離鏈接(不超過10Km)，可使用包括VCSEL在內的便宜、直接調制的激光。所有這些特性使4～8個波長的CWDM收發器市場售價不到1000美元。此外，CWDM收發器還可以被做成同樣大小的封裝，應用于串行收發器或轉發器。
并行光纖收發器在12條光纖中傳輸數據，該光纖組形成一個比傳統雙光纖纜線還小的光纜，每一個光纖構成一個數據信道。因此，對于每一個光纖都工作在2.5Gb/s的并行光纖收發器，其綜合數據傳輸速率可達30Gb/s。因并行光纖光纜以及鏈接器都很小，其收發器比傳統工作在10Gb/s的收發器要小。因此，并行光纖收發器已經成為構建光背板的可選技術。
并行光纖技術的主要缺點在于光纖和鏈接器成本高，并行光纖大約為4～5美元/米，終端成本為70美元/每端(單束光纖大約為30美分/米，終端成本為10～12美元/每端)。此外，并行光纖難以在現場架設，由此，并行光纖收發器一般只局限于光背板應用，其中帶寬密度非常關鍵，光纖長度相對較短，而且比較固定。
目前正在研發的收發器將CWDM和并行光纖技術結合在一起，使用并行光纖可以在單一鏈路中達到120Gb/s的傳輸速率。主要技術是用CWDM將四種波長的激光復用到12條光纖的每一個上，這種結構使系統能夠同時傳輸48個信道的數據，每一個信道數據傳輸速率為2.5Gb/s，總速率可達120Gb/s。如果數據傳輸速率增加到10Gb/s，每一個光纖的波長數量增加到8個，這種復用技術在單個并行光纖傳輸數據，速率可達960Gb/s。非常明顯，這些技術的結合能夠提高光背板的性能，同時減少所需光纖鏈路的數量。
該項混合技術在市場上已經占有了一席之地，使以前根本不可能或極其昂貴的應用成為現實。隨著光纖技術被應用到更多領域，*特色的應用需求帶動了收發器種類的增加。但關鍵在于要明確新收發器的容量，然后再和相應的使用要求匹配。
