关于光纤通信中电路设计的探讨

冷爽

（黑龙江工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

光纤通信同步数字体系是一种结合了高速大容量光纤传输技术和智能网络技术的传输体制，它能提供方便有效的数据复用和解复用功能，并能可靠地传输数据在90年代初SDH光纤通信设备主要依赖进口.近年来，国内的许多高科技企业、研究所，都相继投入自主知识产权的设备开发，但是.体现了核心技术的SDH专用集成电路却仍然进口这些芯片利润非常可观，当然其设计制作难度也很大主要体现在：首先需要非常专业的整机系统知识背景，需要消化国际电信联盟(ITU-T)建议，已经超出了单纯的电路设计概念.其次.这些芯片集成度高，往往达到和超过数十万门的规模，也非纯粹的整机开发人员所能承担.因此，要突破过个技术难点，需要集成电路设计和整机开发的有机结合。

1 光纤通信简介

晶体管以及相继出现的集成电路引发了数字电路和数字系统的蓬勃发展和数字通信的崛起，数字计算机的出现、发展和广泛应用对现代通信系统起到了双重的推动作用：一方面计算机与计算机或远程终端之间的数据交换导致了数据通信的兴起与发展；另一方面，计算机被应用于通信网络，大大地加强了对复杂信号的处理能力，提高了速度和对网络的有效管理，促进了电信、电视业的发展。

光纤与微波信道相比，载波的频率高出4--5个数量级，仅在1.55μm的光窗口处可用的信道容量高达10 Tb／s，加上光纤在1.3 μm光波长处还有一个窗口和一条光缆中可有几十根光纤，可以认为，光纤的频率资源几乎是取之不尽的。除此之外，光纤通信还具有保密性好，价格低廉等重要优点。所以，以光纤通信为主干道，构造“信息高速公路”，已在世界范围内成为方兴未艾的大事业。光纤不仅被应用于干线通信，也是构造城域网(MAN)和高速局域网。

2 光纤通信电路设计

2.1 主放大器

前端输出的信弓电压大约在几毫到几十毫伏，为达到时钟恢复和数据判决电路需要的几百到上千毫伏的信号幅度，需要接人一个30-50 dB增益的主放大器。它必须在输入信号幅度大范围变动的情况下提供幅度恒定的输出电压。有2类放大器可以用来实现这2个功能：自动增益控制(AGC)放大器和限幅放大器。前者广泛应用于模拟信号接收系统。后者在用于二进制数字信号的放大时，具有电路简单，易于设计的优点，且其限幅作用直接施加到信号的每一个脉冲，不存在AGC放大器中固有的时间常数选取问题。所以，在光数字通信接收机得到广泛应用。高灵敏度、大动态范围和高稳定度是设计限幅放大器的3大目标。作者设计的超高速限幅放大器砷化镓集成电路芯片可工作在大于20 Gb／s的数据速率上。

2.2 数据判决电路

数据判决电路的原理是：对数据信号按它的比特速率在最有利于判决的时刻进行取样，将取样值与判决电平进行比较，决出高低，即判决出“l”和“0”，然后以 2个明确无误的逻辑电平表示并保持到下一取样时刻。在超高速数据通信系统中，通常采用主从数据触发器即MS.DFF来实现数据判决的功能。利用 0.2μmGaAs-HEMT 工艺，作者已经研制出了工作速率超过30 Gb／s的数据判决电路。通过采用并行处理方法，工作速度可以进一步提高到40Gb/s以上。

2.3 时钟恢复电路

时钟恢复电路--特别是输入为非归零(1NRZ)格式的数据信号时--包含2个功能子电路：信号预处理和主处理电路。预处理电路的功能是从输入的数据信号中检测出数据流中的上升和下降沿.获得原始时钟信号的频率和相位信息。

主处理电路的功能在预处理电路产生的单级性脉冲序列作用下形成一个与发送端时钟同步的时钟信号。有4种主处理电路：（1）无源滤波器加限幅发达器。（2）锁相环（3）窄带再生分频环路。（4）4.注入振荡器。

无源滤波器无限幅放大器的方案具有电路简单、性能稳定的优点.，但在实现超高速的设计目标时受到限制，无法作2.5 Gb／s及以上数据速率的系统申加以考虑。

等效于高Q值有源滤波器的PLL在数据通信中得到广泛应用。其优点包括能够单片集成实现和可以通过在环路中加入分频器实现多种输出／输入倍频关系。缺点是电路复杂和存在失锁的危险性。作为超高速数据通信中时钟恢复电路用的PLL电路，其设计更为困难，原因在于缺乏高Q值稳频无源元件使得在芯片上的超高频、高稳定度压控振荡器(VC0)难于实现。作者利用全对称全集成的vc0专利电路，已经实现了19 Gb／s的时钟恢复电路。

窄带再生分频式时钟恢复方案的主要目的在于用l倍频率的滤波器和放大器从最高为2倍速率的数据信号中获得l倍频率的时钟，从而把滤波器和／或集或电路的工作上限速率提高l倍，同时，把滤波器的等效Q值提高数倍。特别是当这种方案同并联数据判决电路配合应用时，整个数据再生电路达到最优组合。在此方案的基础上，作者用多级级联的单调谐放大器取代原方案中无法单片集成的滤波器和宽带限幅放大器，发明了全集成的窄带再生分频式时钟恢复电路专利技术，并实现 r 10／20Gb／s 和 20／40 Gb／s2 种数据速率组合的单片集成电路。

2.4 光电集成电路与单片集成系统

光电集成电路与单片集成系统杠光电集成电路(0FJC)的研制方面，GaAs工艺已经趋于成熟。单片的光发射机和光接收机已经在10 Gb／s的超高数据速率上研制成功。作者参与研制成功的激光驱动器加激光二极管单片光发射机芯片，其最高工作速率已超过5 Gb/s。并在2.5 Gb/s上做出了10路发射列阵。

GaAs激光发射OEIC的一大缺憾在于其激光二极管发光波长在850 nm附近，只能用于短距离的光互连网络中。在远程光纤通信方面，InP成为主导材料，因为其发光器件的光波长恰好可以调到光纤的1.3和1.55μ m附近两个光窗口内。因此，InP材料一方面用于制作光纤通信用的发光和激光二极管，另一方面用于制作光纤通信用OEIC。

3 我国光纤通信用集成电路技术的现状和发展方向

我国在光纤通信的建设方面已经取得长足进步。已建成几十条光缆通信电路，总长度达 100000km。 在 光 纤 通 信 用 1.3μm 和1.55μm量子分布反馈激光器，光纤放大器(EDFA)，激光调制器和系统集成等技术方面已取得了瞩目成绩，OEIC的关键技术也已经获得突破。

然而，我国光纤通信技术的整体还是落后的。已建和在建的光纤通信干线系统几乎全都是从国外引进的，而在我国自己开发的系统中，大部分的器件和几乎全部的关键高速集成电路都是进口的。

为了改变我国集成电路研制的落后局面，我们一方面要继续完善和提高现有工艺线的技术水平和理电路和主处理电路。另一方面要多总结经验教训，进一步发展光纤通信技术。

4 结语

总之，若要光纤通信加快发展，发挥人才资源和智力资源方面的优势，提高集成电路设计水平，设计并实现具有自己知识产权、包括光纤通信在内的各种信息产业用集成电路。要以系统应用和市场需要带动研究和开发，走产学研结合的道路。只有这样，才能在建立国家信息基础设施的进程中，赶上世界潮流，为国家创造出巨大财富。

[1]石东海.单片机数据通信技术从入门到精通[M]西安：西安电子科技大学出版社.

[2]Y.齐维迪斯等编，石秉学等译.ISI电信电路设计[M].北京：人民邮电出版杜.