距離、低功耗及小型配置的條件對於工業及嵌入式運算環境都相當重要，此環境也需要不斷提升的通訊寬頻；現場可編程輯閘陣列(FPGA)等特定促成科技以及收發器、連接器及接收器的進步是光學通訊快速發展的重大支柱。
光學通訊是透過把訊號編碼為光訊號的發送器、把訊號傳送到目的地的通道，以及重製光訊號訊息的接收器所組成。而傳輸速度越高，訊號就越可能失真；失真程度高時，接收端就會偵測錯誤(圖1)。此外，受射頻通訊天生限制的影響，目前光學方案以較高的頻寬運作，比射頻更小、更輕、更低功耗的封裝承載更多資料，並同時在非管制頻譜中運作。
圖1 附端子光纖電纜
有鑑於工業及嵌入式環境中提高頻寬的關鍵性質，光纖能將非常寬的頻寬訊號傳輸到GHz範圍內，並且將較低頻寬的訊號多工處理到同一條電纜上。光纖在工業應用中提供了抗雜訊能力，相比以往需封裝在導管內的保護套裡，才具備這樣的效果。而且在可能產生爆炸的環境中，光纖鏈路儲存的能量無法引發爆炸。
工業及嵌入式應用都需要提高安全性，而光學通訊正具有此優勢。光纖與傳統銅線相比，所產生的電磁干擾場不會被外部感測器偵測到；因此，連接到光纖時，要「竊取」訊號幾乎是不可能的任務。
光纖通訊技術滿足工業/嵌入式運算需求
雖然光纖用於電信及廣域網路許多年，但現今越來越常應用在工業資料通訊系統。由於高資料速率能力、雜訊排除及電氣絕緣的重要性日增，光纖科技成為工業系統越來越理想的選擇。在這個細分市場中，最常用於點對點連線的光纖連結，被用來擴充RS-232、RS-422/485及乙太網路系統的距離限制。
堅固耐用的嵌入式運算系統也需要高資料速率輸入/輸出，因此光纖是較理想的選擇。輸入/輸出連接的兩個插件模組，該模組可以是較短的連結，也可以是較長的距離。於此來說，在為數眾多資料密集型應用中，光學運算技術的優勢帶來了許多好處。
嵌入式及工業高速應用常採用收發器的原因，來自於能減少元件、加速設計，及降低成本。例如，Avago AFBR-59FxZ精巧型650奈米收發器，可透過2.2毫米附外殼的標準塑膠光纖(POF)實現高速乙太網路通訊(100Mbps)。
AFBR-59FxZ收發器可應用於工廠自動化、工業視覺系統以及發電及配電系統等領域。這款收發器配有650奈米LED，由完全整合的驅動IC驅動，LED驅動器工作電壓則為3.3伏特。此外，該IC是具有差動輸入訊號的線性整合LED驅動器，可將輸入電壓轉換為LED的輸出電流。
相較之下，Finisar的FTLX1x72x3BCL可插拔多速率SFP+收發器符合SFF-8431及SFF-8432、10GBASE-ER標準，同時支援10G SONET、SDH、OTN、IEEE 802.3ae、4G/40k連結的8x/10x光纖通道及6.144G/9.83通用公共無線介面。這些收發器設計用於長達40公里的G.652單模光纖10Gb多速率連結。
另外，Finisar FTLX1772M3BCL收發器的光學傳輸功率也比1,310奈米10GBASE-LR及OC-192 SR-1收發器更高，接收器也更靈敏。同時，它們支援17dB的光學連結預算，以補償1,310奈米在超過40公里G.652單模光纖所出現的高光纖衰減損耗。在這項解決方案中，可透過SFF-8472指定的兩線式串列介面使用數位診斷功能，上述收發器使用內部發送器及接收器重計時器IC以符合SONET/SDH的抖動，並強化主機卡的訊號完整性。其應用包括10GBASE-ER/EW和10G光纖通道、OTN G.709 OTU1e/2/2e FEC位元率、6.144G/9.83G CPRI、8.5Gbps光纖通道、10G NRZ SONET、SDH、10G乙太網路以及光纖通道及G.709 OTN FEC位元率。
整合FPGA降低功率突破功耗等多重限制
為因應重要的功率降低及電訊路徑長度規定，高速光學收發器及可程式設備的整合大幅減少了從晶片輸入/輸出墊到光學收發器輸入的訊號路徑。由於路徑較短，因此降低電磁干擾及抖動，提高訊號完整性，並減少寄生元件造成的資料錯誤。
Altera光學FPGA科技突破了近期的覆蓋範圍、功率、埠密度、成本及電路板複雜性的限制，如該公司推出的新品為功率敏感型無線基礎設施設備、20G/50G橋接、交換及封包處理應用、高畫質影片處理及圖片處理，以及密集型數位訊號處理(DSP)應用打造，採用台積電28奈米處理科技及硬智慧財產權(IP)模組，功耗比前幾代降低50%。
該系列將雙核心ARM Cortex-A9 MPCore處理器、硬智慧財產權及FPGA緊密整合到單一Arria V系統單晶片(SoC)中。在尖峰頻寬超過128Gbps時，它在處理器及FPGA架構之間能達成整合資料一致性。
相較之下，Altera的28奈米Stratix V FPGA將諸如增強型核心架構、高達28.05Gbps的整合收發器，及一系列整合硬IP模組等予以整合。這種組合允許Stratix V FPGA針對以頻寬為中心的應用及協定進行最佳化，提供全新種類的應用目標裝置。這些應用及協定包括PCI Express(PCIe)Gen3、40G/100G以上的資料密集型應用，以及高性能、高精度數位訊號處理(DSP)應用。
光纖接收器減少元件空間有效提供雙重連線
在接收端時，只要設計宗旨為提供足夠的訊號位準，光纖系統可提供極低的位元錯誤率(BER)，同時，由於光纖不會受到電磁干擾(EMI)，因此相鄰電纜的訊號不會耦合。例如Avago的AFBR-25x1CZ光纖接收器由帶有整合光電二極體的IC組成，提供與輸出相容的電晶體－電晶體邏輯系列。
除了Avago的AFBR-15x9Z或AFBR-16x9Z發送器之外，它也支援從DC到5MBd等所有類型的訊號，使用1毫米0.5NA塑膠光纖，最遠距離達50公尺。使用200μm 0.37NA PCS時，距離可達500公尺，4Pin裝置封裝在Versatile Link的外殼中。而Versatile Link元件可以互鎖和有效減少空間，同時又能以雙工連接器提供雙重連線(圖2)。其應用包括用於5MBd系統以下的光學接收器、工業控制及工廠自動化、RS-232及RS-485的延伸、高壓絕緣、消除接地迴路並降低電壓暫態耐受性。
圖2 建議的 Avago AFBR-25x1CZ 光纖接收器應用電路
新連接器互連設計提高光學性能
過去光纖連結屬於勞力密集型產業，牽涉到切割光纖，以及為特殊連接器塗上環氧樹脂及光纖末端拋光，這種作業需要特定工具及測試設備，以確保連結順暢。雖然市面上仍在使用這種科技，但切割、對齊及連結光纖的設備已大幅改進及簡化。連線損耗視連線類型而異，但通常在0.2dB到1dB之間。
舉例來說，泰科電子(TE)堅固光學背板互連系統，可在背板/子卡配置中提供高密度盲插光學互連。TE在插座(背板)及配對插頭(子卡)連接器中提供的光學系統，其中的連接器最多可互連兩個盲插套圈，每個套圈最多可再容納24條光纖路徑。其典型應用是需要光學基礎設施的不利環境及高頻寬運算應用。該連接器支援VITA 66.1標準，可有效提高光學性能。
學界率先突破高功率光纖電纜傳輸障礙
然而，光學通訊也面臨一些挑戰，例如超過功率等級門檻值的光纖，功率的增加，將會無可挽回地扭曲光纖電纜傳輸的資訊。
加州大學聖地牙哥分校光子學研究人員宣布，該團隊已突破限制光纖電纜資訊傳輸距離的關鍵障礙，而且接收器仍可準確加以解譯，此研究在2015年6月26日的《科學》(Science)雜誌上發表。這項研究提高了光學訊號可藉由光纖發送的最大功率，因此也拉長了距離。
研究人員在實驗室環境中成功解譯藉由具備標準放大器的光纖電纜，傳輸12,000公里(7,456英里)，但未使用中繼器的資訊。這項突破消除了這項功率限制，也延伸了訊號在沒有中繼器時藉由光纖傳輸的距離，而在處理80到200個通道時消除週期性電子再生，可以大量節省成本且有效傳輸資訊。
這項突破採用寬頻「頻率梳」(Frequency Combs)，確保透過光纖遠距傳輸匯集資訊流之間的訊號失真或串音可事先預測，最重要的是，在接收端屬於可逆。而頻率梳可防止無法於接收器重新組合原始內容的隨機失真。
因應高速通訊傳輸需求光學技術朝彈性/低成本著手
近來光學通訊的進展聚焦於提高單一波長頻道的頻寬，及每根光纖傳輸的波長數量，業界持續的進展鎖定在支援各種以靈活、低功率及具成本效益的方式，提供即時、隨選及高資料速率功能的新興應用。
光學通訊並非全無挑戰，頻寬擴充、距離、功率及整合仍有待努力。由於工業及嵌入式領域繼續需要更快速的通訊能力、更嚴密的安全性及更低的價格，光學技術也將會繼續提供解決方案。
(本文由貿澤電子提供)