光接口技術的進步提高了性能水平，有助于滿足不斷增長的數據速率和信號帶寬。新規范定義了如何在開放的行業標準中部署這些光鏈路，從而提供改進的互操作性并支持未來的升級。與傳統的銅纜連接相比，光鏈路具有許多優勢，將提高數據速率，改善信號完整性和安全性，并大大延長系統組件之間的距離。

光鏈路具有許多優點

銅纜的一個主要缺點是信號損耗，這成為更高頻率信號和更長電纜長度的嚴重限制。在 100 米的跨度內，光纜可以保持比銅纜高 100 倍的數據速率。

由于銅纜輻射電磁能量，因此竊聽網絡電纜是一個主要的安全問題，不僅對軍事和政府客戶，而且對公司、銀行和金融機構也是如此。車輛和公文包中的高級信號嗅探器很難檢測和限制。光纜極難在不損壞光纜的情況下“竊聽”，導致立即檢測。

在銅電纜中流動的信號也容易受到附近電磁輻射源（如天線、發電機和電機）的污染。這對于軍用和商用飛機和船舶以及載人或無人駕駛車輛至關重要，這些車輛通常裝有數十種不同的電子有效載荷。光纜完全不受EMI［電磁干擾］甚至雷電放電的影響。

從物理上講，光纜比銅纜小得多，輕得多，對于武器、無人駕駛車輛和飛機等重量敏感的應用尤其重要。光纜在浸沒在海水中時也能正常工作，并且完全不受電氣短路的影響——在可能存在爆炸性蒸氣的情況下尤其重要。為了便于通過導管和通道進行安裝，光纜的直徑更小，可以承受比銅電纜高十倍的拉力。

在數據服務器、存儲網絡、電信系統以及家庭和辦公室互聯網和娛樂系統的巨大商業市場的推動下，光接口正在取代舊的銅纜連接，原因很充分：成本和性能。

隨著光纜的使用越來越普遍，單位長度的成本可能遠低于依賴于商品金屬定價的銅纜。通常情況下，工業、軍事和政府嵌入式系統現在正在利用這種快速發展的商業技術的諸多好處。

光纜

光纜是用于通過光纖傳播光的波導。它由一個中心磁芯組成，其復合材料具有比磁芯更高的折射率，以確保全內反射。光纜使用多模或單模傳輸。

多模電纜接受光線在軸的一定角度內進入核心。它們通過反復反射芯線和包層之間的介電邊界沿著電纜向下移動。磁芯直徑通常為 50 或 62.5 微米，光的波長通常為 850 nm。

單模電纜以電磁波的形式將光作為電磁波傳播，使用1310和1550 nm的典型波長直接沿著光纖向下傳播。磁芯直徑必須不大于光波長的十倍，通常為 8 到 10 微米。雖然單模電纜可以傳輸比多模長10到100倍的信號，但收發器更昂貴。

存在數百種不同類型的光纜連接器，每種連接器都針對特定的應用和環境。挑戰在于連接兩根光纜的末端，以保持光接口的最大保真度，盡管存在人為因素、公差、污染和環境。用于清潔每根光纖末端的特殊工具和套件對于可靠運行至關重要。

光收發器

將電信號耦合到光信號以通過光纜傳輸需要光收發器。大多數系統要求每個光鏈路采用全雙工操作，以支持流量控制和糾錯。一對光纖通常在同一根電纜中粘合在一起，支持以相反方向傳輸和接收數據。

雖然過去已經使用了幾種模擬光調制方案（包括AM和FM），但現在幾乎所有的收發器都使用數字調制。光發射器只是將數字邏輯電平轉換為激光束的開/關調制，而探測器將調制光轉換回數字信號。這個用于傳輸 1 和 0 的物理層接口可以支持任何協議。

最新的收發器使用激光發射器來支持 100 Gbits/s 或更高的數據速率，每一代都在穩步降低設備的功耗、尺寸和成本。發射器和探測器需要不同的技術，但兩者通常組合在一個產品中，以提供全雙工操作。

因此，光收發器在光纜和處理器、FPGA 和網絡適配器上的大量多千兆位電氣串行端口之間提供物理層接口。因此，光收發器對其支持的協議是透明的，使其適用于幾乎任何高速串行數字鏈路。

光收發器的電信號連接到端點設備，然后終端設備必須在物理層處理時鐘編碼和恢復、同步和線路平衡。數據鏈路層電路建立成幀，以便可以通過通道發送和接收數據字。

選擇正確的光學協議

協議定義了每種類型的系統鏈路支持的規則和功能，從原始數據的簡單傳輸到對分布式網絡的復雜多處理器支持、智能路由和強大的糾錯功能。當然，較重的協議總是意味著數據傳輸效率較低和延遲增加。通常，最好使用滿足給定系統要求的最簡單的協議。

作為輕量級協議的一個例子，Aurora for Xilinx FPGA 具有板載鏈路層引擎和高速串行收發器。Aurora 主要用于在兩個 FPGA 之間發送數據的點對點連接。它包括 8b/10b 或 64b/66b 通道編碼以平衡傳輸通道，并支持單工或全雙工操作。Aurora 幾乎可以處理任何字長，并支持將多個串行通道綁定到單個邏輯通道中，從而聚合單通道比特率以實現更高的數據吞吐量。每個串行通道的數據速率可以是 12.5 Gbits/s 或更高。Aurora 非常簡單且開銷最小，在模塊內的多個 FPGA 之間或背板上的模塊之間鏈接數據流方面非常高效。

復雜性的提高是VITA 17.1 中定義的串行 FPDP 協議。它滿足了嵌入式系統的幾個重要需求，包括避免數據溢出的流量控制，以及允許一個節點接收數據并將其轉發到另一個節點的復制模式。復制/循環模式支持多個節點的環最終完成閉環。每個通道的標稱數據速率為 2.5 Gb/s，但設備技術的進步現在支持的速度幾乎是該速度的兩倍。

Infiniband為數據存儲和服務器定義了靈活、低延遲、點對點互連結構，當前速率為14 Gbits/sec，未來幾年將上升到50 Gbits/sec。通過綁定 4 或 12 個通道形成邏輯通道，可以提高通道速度。

古老的以太網協議仍然主導著計算機網絡，現在各種計算機、交換機和適配器通常都支持 10 GbE。盡管以太網開銷很高，對于高數據速率、低延遲的應用來說有些麻煩，但其無處不在的存在實際上確保了兼容性。

審核編輯：郭婷