摘要
5G 的到來預示著物聯網（IoT）時代的降臨。雖然末端使用者是以無線方式連接網路，但網路核心仍需穩定可靠的有線連接，因此光纖通訊是典型的互連方式。
本文描述了如何使用 Maxim 的微控制器來設計光模組，這是光纖通訊中不可或缺的重要部分。
5G 是當今的熱門話題，它的到來預示著「物聯網」新時代。實現這一目標的 5G 網路非常龐大，包含許多以無線方式連接網路的終端裝置。然而，區域網路仍需透過有線方式連接網際網路，光纖通訊即是典型的互連方法，而光模組則是其中極其重要且關鍵的部分。本文探討了微型、低功耗微控制器（MCU）在此類應用中扮演的重要角色。
Maxim Integrated 的 MAX32660 具備以下特性與功能，非常適合當今的光模組設計：
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高性能：
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內建 96MHz 時脈源
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Arm® Cortex®-M4F 核心
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內部 256kB Flash
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96kB SRAM，支援低功耗模式下的資料留存（Retention）
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16kB 指令快取（Instruction Cache）
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記憶體保護單元 (MPU)
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0.9V 至 1.1V 核心電壓
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1.7V 至 3.6V GPIO 工作範圍
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整合型 LDO，支援單電源供電
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工業級工作溫度：-40°C 至 +105°C
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選配式 I2C、SPI 與 UART Bootloader
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低功耗：
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從 Flash 執行時，主動功耗僅 85µA/MHz
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在 VDD = 1.8V 的備份模式（Backup Mode）下，全記憶體留存功耗僅 2µA
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RTC 功耗在 VDD = 1.8V 時僅 570nA
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內部 80kHz 環形振盪器（Ring Oscillator）
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優化的周邊裝置：
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多達 14 個 GPIO
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多達兩組 SPI 連接
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多達兩組 UART
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多達兩組 I2C 連接，支援 3.4Mbps 高速模式
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I2C 介面
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四通道標準 DMA 控制器
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三個 32 位元計時器
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看門狗計時器 (Watchdog Timer)
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CMOS 位準的 32.768kHz RTC 輸出
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圖 1：MCU 內部方塊圖。
從內部方塊圖（圖 1）與上述說明可以看出，MAX32660 的主要優勢在於高性能、低功耗與微型封裝，這使其非常適合光模組設計。光模組通常需要兩組 I2C 介面：一組作為連向外部的 I2C 從機（Secondary/Slave）介面，另一組則作為與類比前端（AFE）通訊的 I2C 主機（Primary/Master）介面。
雖然 MAX32660 是 Maxim MCU 家族中封裝最小、GPIO 最少的成員，但這並不代表它功能薄弱。與其他擁有豐富周邊的 MCU 一樣，它具備 96MHz 的高時脈頻率與 Cortex-M4F 核心；通常客戶會發現它非常適合用於需要運行私有演算法且周邊需求較少的應用。然而在光模組中，微控制器除了核心處理速度外，還必須具備如 I2C 等常用周邊。雖然 MAX32660 的 I/O 埠較少，但它已針對所有常用介面進行了優化。
光模組的工作原理
光模組由光電子元件、功能電路與光學介面組成。光電子元件包含發射與接收模式。簡而言之，光模組的功能是光電轉換：發射端將電訊號轉換為光訊號，接收端則在光訊號經由光纖傳輸後，將其轉換回電訊號。
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發射過程中： 具有特定位元速率（Bit Rate）的電訊號輸入後，由內部驅動晶片處理，驅動半導體雷射（LD）或發光二極體（LED）發射出相對應速率的調變光訊號。此外，內部設有光功率自動控制電路（APC），以保持輸出光訊號功率的穩定。
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接收模式下： 具特定位元速率的光訊號輸入模組後，由光偵測二極體轉換為電訊號，再經前置放大器放大，輸出相對應速率的電訊號。
對於低階光模組，訊號直接進行光電轉換，輸出電訊號的位元速率與光訊號相同。而許多高速光模組則會將多個電訊號轉換為一個光訊號。此時會使用耗電量較高的 DSP 裝置來處理數據橋接。
圖 2：典型光模組內部方塊圖。
如先前圖示，MCU 透過 I2C 管理眾多週邊設備，同時扮演 I2C 從機（Secondary）的角色與主機（Host）進行通訊。MAX32660 支援高達 3.4Mbps 的 I2C 速率，能滿足絕大多數主機對通訊速度的要求。
MAX32660 與 Maxim Integrated 的配套 AFE（類比前端）晶片搭配得天衣無縫。該 MCU 透過 I2C、SPI 或 UART 埠操作，控制 AFE 的 ADC、TEC 驅動器等元件。
TEC 代表致冷器（Thermal Electronic Cooler），可視為晶片級的冷卻劑，在光模組中扮演關鍵角色。在光模組的發射部分，雷射器發射光訊號時需要在運行過程中進行冷卻以確保穩定性。在雷射器運作時，輸入的電流與電壓訊號必須準確，並由 ADC 進行監控。
MCU 是整個系統的核心；由於它需要與其他設備協調，因此必須具備相對較高的處理能力與特定的週邊介面。MCU 需要設定並監控各個功能電路的正常運行。例如，MCU 支援與 DSP 和 AFE 晶片的即時通訊，監控 DSP 與雷射器的溫度、電壓與電流，並即時回應主機通訊。
Maxim Integrated 的 MCU 擁有相對較高的頻率，而 Cortex-M4F 核心能確保這些事務得以即時處理。同時，光模組客戶通常需要 MCU 具備線上升級功能，以便主機透過 I2C 介面在線升級 MCU。Maxim Integrated 已開發出可透過 I2C、UART 或 SPI 通訊的啟動程式（Bootloader），並提供客戶 Bootloader 原始碼以便實作。這讓客戶可以選擇使用 Maxim Integrated 的 Bootloader，或是設計專屬的版本。
為滿足光模組不斷升級與功能增強的需求，Maxim Integrated 在 MAX32660 的基礎上推出了 MAX32670，它整合了更多記憶體（Flash/SRAM），並啟用了錯誤修正碼（ECC），適用於運作可靠性至關重要且需要更多記憶體密集型演算法的應用。此外，MAX32670 還整合了全套安全功能與安全啟動程式（Secure Bootloader）。
總結來說，值得注意的是 Maxim Integrated 在光模組領域擁有多年經驗及對產業的深刻理解。Maxim Integrated 提供種類繁多的光模組產品，如 MCU、光學 AFE、ADC、DAC、DC-DC、TEC 驅動器等——這一切都讓產品整合變得更簡單、更快速。
Arm 與 Cortex 為 Arm Limited 的註冊商標。
