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注：主動式光纖纜線，即有源光纜(AOC，Active Optical Cable) 文 湯金寬/蘇怡安 隨著技術不斷地更新換代和發展，周邊接口傳輸速度已不斷提升，如第三代通用串行總線(USB 3.0)接口由USB 2.0的480Mbit/s通訊速度提高到5Gbit/s。超高速的傳輸速度，為人們的生活帶來巨大的便利，但是同時也對承載高速數據傳輸的線材提出更高的需求。 與此同時，在電信(Telecom)及數據中心(Data Center)被大量采用的光纖通訊技術已越來越成熟，成本也越來越低，光纖通訊技術逐漸走進計算機周邊及消費類電子等相關產品中。USB 3.0主動式光纖纜線(AOC)能滿足高速通訊接口的各項需求，幫助各種新型的高速接口被廣泛采用。 USB 3.0主動式光纖纜線的結構，如圖1所示。USB 3.0主動式光纖纜線會在USB 3.0的兩邊接頭中，完成光電及電光的轉換，而接頭中間則采用光纖傳輸高速光學訊號。正是由于光電/電光轉換已在接頭中完成，用戶在使用USB 3.0主動式光纖纜線時，會感覺和使用普通銅線電纜無異。 
圖1 USB 3.0主動式光纖纜線結構圖 USB 3.0光纖纜線接頭內主要包括三個組件，其一為激光器，通常使用垂直共振腔表面放射雷射(VCSEL)，用于將電訊號轉換成雷射訊號；其次為光電接收器，用于將光訊號轉換成電訊號；最后是光電收發器，用于驅動激光器及放大光電接收器輸出的訊號。同時，USB 3.0主動式光纖纜線中采用的光電收發器，還將把高速的電傳輸訊號轉換成與USB 3.0接口完全兼容的電訊號。本文將分析USB 3.0主動式光纖纜線在高速周邊通訊接口上，相對于普通被動式銅線線纜或是主動式銅線線纜的優劣勢。 光纖纜線助跑 USB 3.0 AOC沖向百米 傳輸距離是高速通訊接口遇到的最大問題，例如USB 2.0規定線纜長度最長為5公尺，但是到了USB 3.0，最大長度則縮短到3公尺，而且實際上，在市面可看到常見配線長度通常在1公尺左右；即使是USB 3.0主動式銅線線纜最長距離也不過15公尺，如目前在蘋果(Apple)Store銷售的Thunderbolt纜線長度僅為2公尺，而且該纜線是主動式銅線，內部共采用六顆芯片之多。 傳輸距離極大限制很多應用的拓展和使用領域。微軟(Microsoft)推出的Zero-Client系統，由于采用USB線纜進行連接，導致所有的用戶必須圍坐在主機附近，這種限制讓該系統難以在更多的場合推廣，例如小型辦公室、會議室及圖書館等。 然而，傳輸距離卻是光纖通訊線纜的最大優勢。傳統多模光纖傳輸5Gbit/s或10Gbit/s的訊號，可輕松達到100公尺甚至300公尺的長度，如果采用多模光纖，距離更是可達到公里級。因此，如果采用主動式光纖纜線來傳輸高速接口的訊號，距離對于很多應用的限制將變得不存在。 目前USB 3.0主動式光纖纜線的解決方案，將USB 3.0接口距離擴展至100公尺，使得目前已相當普及的USB應用可被更為廣泛采用，這是傳統銅線傳輸所望塵莫及的事。以Zero-Client應用為例，所有用戶位置可按照需求排布，因此這種非常方便、低成本的方案可進一步應用于更多的場合(圖2)。
圖2 使用USB 3.0主動式光纖纜線的Zero-Client應用，所有用戶的位置可按照需求進行排列。 光纖直徑小于3mm USB 3.0 AOC便攜性高 為保證5Gbit/s的訊號質量，同時還須兼顧電磁干擾(EMI)等問題考慮，USB 3.0纜線(銅線)須用到九根AWG26?34的線材，然而采用特殊的繞線編排方式，使USB 3.0線纜非常厚重，攜帶及布線都十分不便。同時，由于USB 3.0線纜比較粗，所以不易彎曲和繞線。目前筆記本電腦(Laptop)朝向越來越輕薄趨勢，例如Mac Air等等，因此用戶沒有更多的空間去攜帶USB 3.0纜線。 如果筆記本電腦需要超過USB 3.0 Spec規定的3公尺最長長度，則須使用主動式驅動芯片來加強訊號，同時還須使用更高規格、更粗的線纜(圖3)，這使得攜帶及根據應用布線變得更加困難。
圖3 如果筆電需要超過USB 3.0 Spec規定的3公尺最長長度，則須使用主動式驅動芯片來加強訊號，同時還須使用如圖所示更高規格、更粗的線纜。 USB 3.0主動式光纖纜線可解決這個問題。首先，USB 3.0主動式光纖纜線的直徑完全不會隨著傳輸距離的增加而增加；其次，由于采用多模光纖，每條光纖的真實纖徑只有62.5微米(μm)，整條光纖的直徑小于3毫米(mm)，非常柔軟輕便，容易攜帶和布線。如圖4所示，是一卷50公尺USB 3.0主動式光纖纜線產品。
圖4 50公尺USB 3.0主動式光纖纜線產品 不對外輻射電磁波 USB 3.0 AOC相對干擾少 隨著傳輸速度不斷地提高，線纜的電磁兼容性及電磁干擾問題變得越來越重要。USB 3.0接口傳輸速度達到雙向的5Gbit/s，工作中的纜線在傳送訊號時，就會向外輻射大量的電磁訊號。 同時，在很多特別的工作環境中，例如工業應用或室外應用等，本來就存在很多的電磁干擾，這些干擾極易干擾到USB 3.0的訊號傳輸，使得數據傳輸出錯，因此USB 3.0可應用的范圍容易受到限制。 USB 3.0主動式光纖纜線則可大大減輕電磁干擾的問題，由于訊號傳輸采用光纖，整條線纜在傳輸過程中，完全不會對外輻射任何的電磁波或受到其他電磁波的干擾。所有的光電訊號轉換均在兩個USB 3.0接頭內完成，只須要對接頭部分電路加以適當的控制，USB 3.0主動式光纖纜線的電磁兼容性及電磁抗干擾能力，將會得到極大的提高。 光纖模塊價格降 USB 3.0 AOC與銅線成本拉近 隨著光纖技術不斷發展及數量不斷增加，光學模塊里面最重要的零件成本也急遽下降。例如多模傳輸用的激光器——VCSEL及光電接收器——光電二極管(Photo diode)成本和售價都在不斷下降。同時光學模塊的組裝成本，隨著目前機器自動化不斷提高及光學模塊數量急遽下滑，單元成本也越來越便宜。 此外，光纖成本相較于普通銅線成本更具成本優勢；特別是銅線成本不斷走高，然光纖成本卻不斷下降。目前每公尺光纖的售價，已經低于每公尺銅線的售價，并且之間的差距變得越來越大。 若是較長距離的USB 3.0主動式光纖纜線，其光學模塊成本會分擔到每公尺光纖線纜，因此每公尺單位成本也隨著長度的增加不斷下滑，當到達某個臨界點后，單位成本將會低于普通USB 3.0銅線的成本。 綜上所述，USB 3.0主動式光纖纜線可讓USB 3.0接口進入更多原來無法進入的領域，并隨著光學零件及光學模塊的組裝成本下滑，USB 3.0主動式光纖纜線會被更多的應用和場合所采用。 (本文作者任職于威鋒電子) |
