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。
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)。
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。
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。
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) | 
