主动式光纤缆线添翼 USB 3.0传输距离大跃进

发布时间:2013-3-10 21:10    发布者:1770309616
关键词: 光纤 , 有源光缆 , USB , 光纤传输
  注:主动式光纤缆线,即有源光缆(AOC,Active Optical Cable)
  文 汤金宽/苏怡安
  随着技术不断地更新换代和发展,周边接口传输速度已不断提升,如第三代通用串行总线(USB 3.0)接口由USB 2.0的480Mbit/s通讯速度提高到5Gbit/s。超高速的传输速度,为人们的生活带来巨大的便利,但是同时也对承载高速数据传输的线材提出更高的需求。
  与此同时,在电信(Telecom)及数据中心(Data Center)被大量采用的光纤通讯技术已越来越成熟,成本也越来越低,光纤通讯技术逐渐走进计算机周边及消费类电子等相关产品中。USB 3.0主动式光纤缆线(AOC)能满足高速通讯接口的各项需求,帮助各种新型的高速接口被广泛采用。
  USB 3.0主动式光纤缆线的结构,如图1所示。USB 3.0主动式光纤缆线会在USB 3.0的两边接头中,完成光电及电光的转换,而接头中间则采用光纤传输高速光学讯号。正是由于光电/电光转换已在接头中完成,用户在使用USB 3.0主动式光纤缆线时,会感觉和使用普通铜线电缆无异。
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图1 USB 3.0主动式光纤缆线结构图
  USB 3.0光纤缆线接头内主要包括三个组件,其一为激光器,通常使用垂直共振腔表面放射雷射(VCSEL),用于将电讯号转换成雷射讯号;其次为光电接收器,用于将光讯号转换成电讯号;最后是光电收发器,用于驱动激光器及放大光电接收器输出的讯号。同时,USB 3.0主动式光纤缆线中采用的光电收发器,还将把高速的电传输讯号转换成与USB 3.0接口完全兼容的电讯号。
  本文将分析USB 3.0主动式光纤缆线在高速周边通讯接口上,相对于普通被动式铜线线缆或是主动式铜线线缆的优劣势。  光纤缆线助跑 USB 3.0 AOC冲向百米
  传输距离是高速通讯接口遇到的最大问题,例如USB 2.0规定线缆长度最长为5公尺,但是到了USB 3.0,最大长度则缩短到3公尺,而且实际上,在市面可看到常见配线长度通常在1公尺左右;即使是USB 3.0主动式铜线线缆最长距离也不过15公尺,如目前在苹果(Apple)Store销售的Thunderbolt缆线长度仅为2公尺,而且该缆线是主动式铜线,内部共采用六颗芯片之多。
  传输距离极大限制很多应用的拓展和使用领域。微软(Microsoft)推出的Zero-Client系统,由于采用USB线缆进行连接,导致所有的用户必须围坐在主机附近,这种限制让该系统难以在更多的场合推广,例如小型办公室、会议室及图书馆等。
  然而,传输距离却是光纤通讯线缆的最大优势。传统多模光纤传输5Gbit/s或10Gbit/s的讯号,可轻松达到100公尺甚至300公尺的长度,如果采用多模光纤,距离更是可达到公里级。因此,如果采用主动式光纤缆线来传输高速接口的讯号,距离对于很多应用的限制将变得不存在。
  目前USB 3.0主动式光纤缆线的解决方案,将USB 3.0接口距离扩展至100公尺,使得目前已相当普及的USB应用可被更为广泛采用,这是传统铜线传输所望尘莫及的事。以Zero-Client应用为例,所有用户位置可按照需求排布,因此这种非常方便、低成本的方案可进一步应用于更多的场合(图2)。
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图2 使用USB 3.0主动式光纤缆线的Zero-Client应用,所有用户的位置可按照需求进行排列。  光纤直径小于3mm USB 3.0 AOC便携性高
  为保证5Gbit/s的讯号质量,同时还须兼顾电磁干扰(EMI)等问题考虑,USB 3.0缆线(铜线)须用到九根AWG26?34的线材,然而采用特殊的绕线编排方式,使USB 3.0线缆非常厚重,携带及布线都十分不便。同时,由于USB 3.0线缆比较粗,所以不易弯曲和绕线。目前笔记本电脑(Laptop)朝向越来越轻薄趋势,例如Mac Air等等,因此用户没有更多的空间去携带USB 3.0缆线。
  如果笔记本电脑需要超过USB 3.0 Spec规定的3公尺最长长度,则须使用主动式驱动芯片来加强讯号,同时还须使用更高规格、更粗的线缆(图3),这使得携带及根据应用布线变得更加困难。
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图3 如果笔电需要超过USB 3.0 Spec规定的3公尺最长长度,则须使用主动式驱动芯片来加强讯号,同时还须使用如图所示更高规格、更粗的线缆。
  USB 3.0主动式光纤缆线可解决这个问题。首先,USB 3.0主动式光纤缆线的直径完全不会随着传输距离的增加而增加;其次,由于采用多模光纤,每条光纤的真实纤径只有62.5微米(μm),整条光纤的直径小于3毫米(mm),非常柔软轻便,容易携带和布线。如图4所示,是一卷50公尺USB 3.0主动式光纤缆线产品。
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图4 50公尺USB 3.0主动式光纤缆线产品  不对外辐射电磁波 USB 3.0 AOC相对干扰少
  随着传输速度不断地提高,线缆的电磁兼容性及电磁干扰问题变得越来越重要。USB 3.0接口传输速度达到双向的5Gbit/s,工作中的缆线在传送讯号时,就会向外辐射大量的电磁讯号。
  同时,在很多特别的工作环境中,例如工业应用或室外应用等,本来就存在很多的电磁干扰,这些干扰极易干扰到USB 3.0的讯号传输,使得数据传输出错,因此USB 3.0可应用的范围容易受到限制。
  USB 3.0主动式光纤缆线则可大大减轻电磁干扰的问题,由于讯号传输采用光纤,整条线缆在传输过程中,完全不会对外辐射任何的电磁波或受到其他电磁波的干扰。所有的光电讯号转换均在两个USB 3.0接头内完成,只须要对接头部分电路加以适当的控制,USB 3.0主动式光纤缆线的电磁兼容性及电磁抗干扰能力,将会得到极大的提高。
  光纤模块价格降 USB 3.0 AOC与铜线成本拉近
  随着光纤技术不断发展及数量不断增加,光学模块里面最重要的零件成本也急遽下降。例如多模传输用的激光器——VCSEL及光电接收器——光电二极管(Photo diode)成本和售价都在不断下降。同时光学模块的组装成本,随着目前机器自动化不断提高及光学模块数量急遽下滑,单元成本也越来越便宜。
  此外,光纤成本相较于普通铜线成本更具成本优势;特别是铜线成本不断走高,然光纤成本却不断下降。目前每公尺光纤的售价,已经低于每公尺铜线的售价,并且之间的差距变得越来越大。
  若是较长距离的USB 3.0主动式光纤缆线,其光学模块成本会分担到每公尺光纤线缆,因此每公尺单位成本也随着长度的增加不断下滑,当到达某个临界点后,单位成本将会低于普通USB 3.0铜线的成本。
  综上所述,USB 3.0主动式光纤缆线可让USB 3.0接口进入更多原来无法进入的领域,并随着光学零件及光学模块的组装成本下滑,USB 3.0主动式光纤缆线会被更多的应用和场合所采用。
  (本文作者任职于威锋电子)
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