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(guī)范定義了如何在開放的行業(yè)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(tǒng)的銅纜連接相比，光鏈路具有許多優(yōu)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(tǒng)組件之間的距離。

光鏈路具有許多優(yōu)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(fā)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(tǒng)以及家庭和辦公室互聯網和娛樂系統(tǒng)的巨大商業(yè)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(yè)、軍事和政府嵌入式系統(tǒng)現在正在利用這種快速發(fā)展的商業(yè)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(fā)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(huán)境。挑戰(zhàn)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(huán)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(fā)器

將電信號耦合到光信號以通過光纜傳輸需要光收發(fā)器。大多數系統(tǒng)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(fā)器都使用數字調制。光發(fā)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(fā)器使用激光發(fā)射器來支持 100 Gbits/s 或更高的數據速率，每一代都在穩(wěn)步降低設備的功耗、尺寸和成本。發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)鏈路支持的規(guī)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(tǒng)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(fā)器。Aurora 主要用于在兩個 FPGA 之間發(fā)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(tǒng)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(jié)點接收數據并將其轉發(fā)到另一個節(jié)點的復制模式。復制/循環(huán)模式支持多個節(jié)點的環(huán)最終完成閉環(huán)。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