光模塊介紹 簡介要領(lǐng)

1、光模塊基本原理,主要內(nèi)容,光模塊簡介,光模塊內(nèi)部主要元器件,光模塊調(diào)制方式,光模塊的特點及應(yīng)用,光模塊原理框圖,光模塊主要性能指標(biāo),光模塊接口電平,光模塊定義,以光器件為核心增加一些電路部分和結(jié)構(gòu)件等完成相應(yīng)功能的單元,光模塊分類,按速率劃分：155Mb/s 622Mb/s 1.25Gb/s 2.5Gb/s 10Gb/s 等按功能劃分：發(fā)射模塊，接收模塊，收發(fā)合一模塊(transceiver,)按封裝劃分：1×9/

2、 2×9/SFF/GBIC/SFP/XFP/300pin等按使用條件劃分：熱插拔 (GBIC/SFP/XFP) 帶插針 (1×9/2×9/SFF)按應(yīng)用劃分：SDH/SONET, Ethernet, Fiber Channel, CWDM, DWDM等按工作模式劃分：連續(xù)和突發(fā)（OLT：Optic Line Terminal，光線路終端；ONU ：Optic Network Unit,光網(wǎng)絡(luò)單元）,

3、光模塊發(fā)展歷史,封裝形式：1X9 ? SFF ? GBIC ? SFP, XFP, SFP+,傳輸速率：155M,622M ? 1.25G,2.5G ?4.25G, 8.5G, 10G, ? 40G,功能：不帶監(jiān)控功能（None DDM）? 帶數(shù)字診斷功能（DDM）,接入應(yīng)用：P to P ? P to MP: PON (GE-PON, GPON, WDM-PON),光接口形式：尾纖型（Pigtail）；插拔型（Receptacle）

4、光傳輸形式：雙纖雙向（MSA）；單纖雙向（BiDi）,,光模塊發(fā)展趨勢,小型化,智能化,熱插拔,低功耗,高速率,遠(yuǎn)距離,主要內(nèi)容,光模塊簡介,光模塊內(nèi)部主要元器件,光模塊調(diào)制方式,光模塊的特點及應(yīng)用,光模塊原理框圖,光模塊主要性能指標(biāo),光模塊接口電平,光模塊內(nèi)部主要元器件,,探測器激光器,放大器時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)驅(qū)動芯片MUX&DeMUX,光器件,光器件是由少數(shù)幾個光電子元件和IC 、無源元件（如電阻、電容、電感、互感、微透

5、鏡、隔離器）、光纖及金屬連線組合、封裝在一起，完成單項或少數(shù)幾項功能的混合集成件。,光器件結(jié)構(gòu)圖,,光器件分類,如按功能，可分為： 光發(fā)射器件 光接收器件按結(jié)構(gòu)，可分為： TO器件(TOSA， ROSA，BOSA)； DIP（或Butterfly）器件； 表面貼裝（surface mount) 器件等；按傳輸速率，可分為 155M、622M、1.25G、2.

6、5G、10G等；傳輸距離，工作波長，工作方式等,探測器,光探測器 作用把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?PIN探測器 P型摻雜、本征（I）和N型摻雜。APD探測器 內(nèi)部具有光電倍增(或稱雪崩)光電二極管.（Avalanche Photodetector),PIN探測器,響應(yīng)度：,PIN探測器即P-I-N 探測器：P型摻雜＋I(xiàn)ntrinsic＋N型摻雜,需加5～10V反偏電壓,APD探測

7、器,響應(yīng)度：,APD探測器： 雪崩光電探測器（Avalanche photodetector）,需加30～60V反偏電壓,M與溫度和反偏電壓有關(guān),激光器,FP LD (Fabry-Perot Laser)DFB LD (Distributed-Feedback Laser)VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)LED (Light-Emitting Diode)EAM LD

8、(Electro-absorption modulated lasers),FP LD 和 DFB LD,都是邊緣發(fā)光諧振腔結(jié)構(gòu)不同,FP－LD,DFB－LD,LED 和 VCSEL,都是面發(fā)光諧振腔結(jié)構(gòu)不同,LED,VCSEL,EAM LD,構(gòu)成：TEC致冷器，激光二極管，EA調(diào)制器，背光檢測二極管和，熱敏電阻等,放大器分類,跨阻放大器：Transimpedance Amplifier（TIA ）主放Main Amplifie

9、rs (MA) 或后放 Post Amplifiers 限幅放大器：Limiting Amplifier (LA) 自動增益控制放大器：Automatic Gain Control Amplifier (AGC).,跨阻放大器（TIA）,這種I-V變換電路中有一個負(fù)反饋電阻Rf，所以又被稱做跨阻放大器（TIA）,低的等效輸入噪聲電流高輸入阻抗，低輸入電容足夠?qū)挼耐l帶fH≈

10、0.75×工作速率寬動態(tài)范圍Rf 要足夠大，以保證有足夠大的輸出電壓,主放,LA：轉(zhuǎn)換速度快，功耗低，但是非線性限制了其應(yīng)用AGC： 在很大的動態(tài)范圍都是線性的，應(yīng)用范圍廣。例如：帶均衡器的接收機。,限幅放大器,自動增益控制放大器,時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）電路,在數(shù)字通信系統(tǒng)中，碼元同步是系統(tǒng)正常工作的必要條件。時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路（Clock and Data Recovery —CDR）的作用就是在輸入數(shù)據(jù)信號中提

11、取時鐘信號并找出數(shù)據(jù)和時鐘正確的相位關(guān)系,驅(qū)動芯片,激光器驅(qū)動（電流）調(diào)制器驅(qū)動（電壓）,MUX &DeMUX,MUX：16路并行 數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)。（如并行數(shù)據(jù)輸入為622Mb/s ，那么輸出數(shù)據(jù)為9.95Gb/s）DeMUX：則反過來，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，輸出16路并行 數(shù)據(jù),主要內(nèi)容,光模塊簡介,光模塊內(nèi)部主要元器件,光模塊調(diào)制方式,光模塊的特點及應(yīng)用,光模塊原理框圖,光模塊主要性能指標(biāo),光模塊接口

12、電平,調(diào)制方式,直接調(diào)制 外調(diào)制 EA調(diào)制（Electroabsorption Modulator） MZ調(diào)制（Mach-Zehnder Modulator）,直接調(diào)制,,,,,,,,P1,P0,利用電信號的‘1’和‘0’控制激光器的電流大小。,EA調(diào)制,激光器一直處于發(fā)光狀態(tài)，電信號‘1’、‘0’ 作用于電吸收調(diào)制器。 來控制激光器出光大小。,MZ調(diào)制,,,,,,,,激光器一直處于發(fā)光狀態(tài)

13、，發(fā)出的光經(jīng)過一個Y型波導(dǎo)分束器分出兩束相位等一樣的光信號， 電信號控制兩個干涉臂電級，使兩束光信號產(chǎn)生不同的相位，再經(jīng)過Y型合束器，‘1’信號時，相位相同，進(jìn)行疊加，‘0’信號時，相位相差180度，光信號 抵消。,主要內(nèi)容,光模塊簡介,光模塊內(nèi)部主要元器件,光模塊調(diào)制方式,光模塊的特點及應(yīng)用,光模塊原理框圖,光模塊主要性能指標(biāo),光模塊接口電平,1X9光模塊,特點：工作速率: 155Mb/s~1Gb/s工作電壓：3.3 V或5V波

14、長：1310nm，1550nm寬溫工作范圍傳輸距離可達(dá)80km應(yīng)用數(shù)據(jù)通信：快速以太網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)電信： OC -3/STM -1, OC -12/STM -4,GBIC模塊,特點：工作速率:155Mb/s~ 2.5Gb/s工作電壓：3.3 V或5V波長：850nm，1310nm，1550nm傳輸距離可達(dá)160km帶數(shù)字診斷功能（部分）應(yīng)用：數(shù)據(jù)通信：千兆以太網(wǎng)，1x/2x光纖通道電信：OC-3/STM-1、O

15、C-12/STM-4、 OC-48/STM-16,SFF模塊,特點：工作速率:155Mb/s~ 2.5Gb/s工作電壓：3.3 V波長：850nm，1310nm，1550nm寬溫工作范圍傳輸距離可達(dá)80km帶數(shù)字診斷功能（部分）應(yīng)用：數(shù)據(jù)通信：快速以太網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)，1x/2x/4x 光纖通道電信：OC -3/STM-1、OC -12/STM-4、OC-48/STM-16,SFP模塊,特點：工作速率:155Mb/s~

16、 2.5Gb/s工作電壓：3.3 V波長：850nm，1310nm，1550nm，WDM寬溫工作范圍傳輸距離可達(dá)100km+帶數(shù)字診斷功能應(yīng)用：數(shù)據(jù)通信：快速以太網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)，1x/2x/4x 光纖通道電信：OC-3/STM-1、OC-12/STM-4、OC-48/STM-16,PON模塊,特點：工作速率:155Mb/s~ 2.5Gb/s工作電壓：3.3 V傳輸距離可達(dá)20km帶數(shù)字診斷功能應(yīng)用：PON接入

17、網(wǎng),XFP模塊,特點：工作速率:10Gb/s波長：1310nm，1550nm，DWDM傳輸距離可達(dá)80km帶數(shù)字診斷功能應(yīng)用：數(shù)據(jù)通信：10G以太網(wǎng)，10G光纖通道電信： OC -192/STM -64,300-pin Transponder模塊,特點：速率可達(dá)10Gb/s波長：1550nm，DWDM傳輸距離可達(dá)80km帶數(shù)字診斷功能應(yīng)用：電信： OC -192/STM -64,主要內(nèi)容,光模塊簡介,光模塊

18、內(nèi)部主要元器件,光模塊調(diào)制方式,光模塊的特點及應(yīng)用,光模塊原理框圖,光模塊主要性能指標(biāo),光模塊接口電平,典型光發(fā)射模塊功能框圖（直接調(diào)制）,,Laser,Driver,APC,,,,,,Temp Sensor,AEC,,,,,自動光功率控制,自動消光比控制,,XC,占空比控制,匹配電路,典型光發(fā)射模塊功能框圖（外調(diào)制）,,EAM Laser,Driver,APC,,,,ATC,,自動光功率控制,自動溫度控制,,XC,占空比控制,匹配電路

19、,,,,,MC,BC,,偏置電壓控制,調(diào)制電壓控制,PIN型光接收模塊功能框圖,,PIN/TIA,MA,,,,,PIN/TIA,MA,,,,CDR,,3R 功能(Reshape, Reamplify, Retime),2R 功能(Reshape, Reamplify),APD型光接收模塊功能框圖,,APD/TIA,MA,,,,,APD/TIA,MA,,,,CDR,,3R 功能(Reshape, Reamplify, Retime),2R

20、 功能(Reshape, Reamplify),High Voltage Generation,,High Voltage Generation,,光收發(fā)合一模塊(Transceiver)功能框圖,,TOSA,Driver,,,,ROSA,MA,,,,APC/AEC,,,,LOS,RxPower,TxPower,TxDisable,Data In,Data Out,Optical In,Optical Out,,,,,帶數(shù)字診斷功能(D

21、DM)光收發(fā)合一模塊功能框圖,,TOSA,Driver,,,,ROSA,MA,,,,APC/AEC,,,,LOS,TxDisable,Data In,Data Out,Optical In,Optical Out,,,MCU＋EEPROM,,,,I2C,,,數(shù)字診斷(DDM)模塊特點,光收發(fā)合一模塊(XFP)功能框圖,,TOSA,Driver,,,,ROSA,MA,,,,APC/AEC/ATC,,LOS,TxDisable,Data I

22、n,Data Out,Optical In,Optical Out,,,MCU＋EEPROM,,,,I2C,CDR,,CDR,,,,,,,Transponder模塊功能框圖,,TOSA,Driver,,,,ROSA,MA,,,APC/AEC/ATC,,LOS,TxDisable,16路 并行Data In,16路 并行Data Out,Optical In,Optical Out,,,MCU＋EEPROM,,,,I2C,MUX,,DeM

23、UX,,,,,,,,,,,TDM: Time Division Multiplex 時分多路復(fù)用 TDMA: Time Division Multiple Address 時分多路訪問,PON模塊,ONU光收發(fā)合一模塊功能框圖,OLT光收發(fā)合一模塊功能框圖,BOSA,單纖雙向光組件(Bi-Dirctional Optical Subassembly),主要內(nèi)容,光模塊簡介,光模塊內(nèi)部主要元器件,光模塊調(diào)制方式,光模塊的特點及應(yīng)用,光模

24、塊原理框圖,光模塊主要性能指標(biāo),光模塊接口電平,光模塊主要性能指標(biāo),傳輸速率傳輸距離平均發(fā)射光功率消光比光眼圖譜寬最小邊模抑制比接收靈敏度接受器過載光通道代價抖動,傳輸速率,傳輸速率指在單位時間內(nèi)通過信道的平均信息量，一般有比特速率和碼元速率兩種表示方法．由于對于二進(jìn)制碼元，比特速率和碼元速率相等．比特速率指系統(tǒng)每秒鐘傳送的比特數(shù)，單位為bit/s,,,,,,,,SDH等級　　　　 系列比特率　　STM-1

25、 　　　　155.52Mb/s 　 STM-4 　　　　 622.08Mb/s 　 STM-16 　　　　 2.48832Gb/s 　STM-64 　　　　 9.95328Gb/s,傳輸距離指模塊在特定光纖傳輸系統(tǒng)中能夠無差錯傳輸?shù)淖畲缶嚯x影響傳輸距離的因素：光纖（損耗、色散等），激光器（功率，波長，工作方式），探測器靈敏度，傳輸速率等,功率受限系統(tǒng)傳輸距離的計算:（光功率，靈敏度

26、，光纖損耗等）　 目標(biāo)傳輸距離L(km) L<（Pmin－Smin－Pb －M ）／Ｋ（K為光纖損耗系數(shù)、Pb是傳輸代價、 M為功率裕量、 Pmin發(fā)射最小光功率、 Smin接收最小靈敏度）。 (以G.652光纖為例) K=0.18dB/km @λc= 1.31μm 　K=0.35/km @λc= 1.55μm,色散受限系統(tǒng)傳輸距離的計算: （光纖模式，激光器工作方式，傳輸速率等）

27、 B 比特速率，D 色散系數(shù)， L為距離,傳輸距離,平均發(fā)射光功率,發(fā)送機的發(fā)射光功率和所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號中“1”占的比例有關(guān)，“1”越多，光功率也就越大。當(dāng)發(fā)送偽隨機信號時，“1”和“0”大致各占一半，這時測試得到的功率就是平均發(fā)送光功率。單位為dBm , 和mw的關(guān)系----10logP(mw),消光比,光數(shù)據(jù)全部為“1”時，平均光功率為A；光數(shù)據(jù)全部為“0”時，平均光功

28、率為B，則消光比為： EX=10lg(A/B)消光比太大，則引起啁啾聲，頻譜變寬，色散變大；消光比太小，則接收機很難將光的“1”和“0”分開，因此消光比不能太小，也不能很大，在協(xié)議上只規(guī)定了最小消光比。一般建議實際消光比實際光接口類型與速率傳輸距離有關(guān)的最低要求消光比大0.5~1.5dB 這不是一個絕對的數(shù)值之所以給出這么一個數(shù)值是害怕消光比太

29、高了傳輸以后信號劣化太厲害導(dǎo)致誤碼產(chǎn)生或通道代價超標(biāo)如果一個光模塊傳輸傳輸其標(biāo)稱距離以后沒有產(chǎn)生誤碼并且通道代價滿足指標(biāo)要求只要消光比大于ITU-T建議的最低值多大都可以,光眼圖,眼圖包含了信號的上升時間、下降時間、脈沖過沖、脈沖下沖以及震蕩等特性,,,,,,,,,,,抖動,,,上升沿時間,,,下降沿時間,20%,80%,,判決門限電平,,最佳抽樣時刻,眼圖信息,對于數(shù)字信號的質(zhì)量,可通過眼圖分析(過識別)來衡量, 數(shù)字信號的質(zhì)量包括

30、幅度穩(wěn)定度、碼間干擾、信號畸變、光反射、消光比、抖動過沖和張弛振蕩、噪聲、調(diào)制電路匹配等眼圖中心眼張開度和眼皮厚度, 反映碼間干擾、色散、消光比的可容忍程度, 以及幅度穩(wěn)定度、過沖和張弛振蕩、光反射、噪聲的大致量度眼圖上/下前沿反映帶寬和電路匹配信息.陡度反映帶寬,線粗度反映電路匹配信息,但過陡易產(chǎn)生色散相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制眼圖上/下沿交點在50%處消光比最好,但由于傳輸過程中光信號的脈沖寬度將會展寬，導(dǎo)致接收側(cè)的交叉點相對于

31、發(fā)送側(cè)上移。為了有利于長距離傳輸保證接收側(cè)的交叉點比例在大約50 左右，使得接收側(cè)的靈敏度最佳。我們一般建議在發(fā)送側(cè)把交叉點的位置稍微下移一些。一般發(fā)送側(cè)交叉點比例建議控制在40%~45%眼圖上/下沿交點的粗細(xì)程度反映了抖動的大小.,譜寬,最大均方根譜寬 發(fā)光二極管（LED）和多縱摸（MLM）激光器的參數(shù)，指光譜中比主峰小20dB 的譜寬最大-20dB 譜寬 單縱摸（SLM）激光器的參數(shù)，是用中心波長的幅度下降到2

32、0dB 處對應(yīng)的波長寬度來表示,最小邊模抑制比,單縱摸（SLM）激光器的參數(shù)，指主縱模的平均光功率與最顯著邊模的光功率之比的最小值。如果太小，那么經(jīng)過長距離的傳輸，可能會引起比較大的色散。,接收機靈敏度,在一定誤碼率的條件下，模塊所能接收到的最小光功率，單位為dBm影響接收靈敏度的因素： 比特速率（Bit rate) 發(fā)射光信號質(zhì)量（眼圖；抖動，OSNR等） 發(fā)射消光比 傳輸后的脈沖波形失真(Di

33、stortion) 接收機的帶寬(Bandwidth) 電源紋波 串?dāng)_等,接收機過載功率,這個參數(shù)指接收機在達(dá)到規(guī)定的比特差錯率所能接收到的最高平均光功率。影響最過載點的主要因素 PIN/APD飽和 TIA飽和,光通道代價,光通道代價代表了由于反射、符號間的干擾、模式分配噪聲、激光器的啁啾聲等引起的總的色散代價。由于發(fā)送機發(fā)出來的光不是理想的激光，而且在激光器處存在反射等等都引起了光

34、的色散，在接收機處要對色散加以一定的處理，因此光通道代價是說明了發(fā)送機和接收機兩個方面的性能。,所謂抖動，其定義為數(shù)字信號各有效瞬間相對于理論規(guī)定時間位置的短期偏離。抖動的單位為UI，所謂UI 指光傳送比特率的倒數(shù)：例如10Gb/s信號，1UI=1/10G=100ps,抖動,主要內(nèi)容,光模塊簡介,光模塊內(nèi)部主要元器件,光模塊調(diào)制方式,光模塊的特點及應(yīng)用,光模塊原理框圖,光模塊主要性能指標(biāo),光模塊接口電平,TTL (Transisto

35、r-Transistor Logic )晶體管-晶體管邏輯電平 和LVTTL（Low Voltage TTL）PECL (Positive Emit-Coupled Logic)發(fā)射極耦合邏輯電平、LVPECL和ECLCML (Current Mode Logic) 電流型邏輯電平LVDS (Low Voltage Differential Signals)低壓差分信號,模塊接口電平,TTL和LVTTL 電平,TTL：Transi

36、stor-Transistor Logic 三極管結(jié)構(gòu) Vcc：5V；VOH>=2.4V；VOL=2V；VIL=2.4V；VOL=2V；VIL<=0.8V。 TTL使用注意：TTL電平一般過沖都會比較嚴(yán)重，可能在始端串22歐或33歐電阻； TTL電平輸入腳懸空時是內(nèi)部認(rèn)為是高電平。要下拉的話應(yīng)用1k以下電阻下拉。,ECL，PECL和LVPECL電平,ECL：Emitter Coupled Logic 發(fā)

37、射極耦合邏輯電路(差分結(jié)構(gòu)) Vcc=-5.2V；VOH=-0.88V；VOL=-1.72V；VIH=-1.24V；VIL=-1.36V。 速度快，驅(qū)動能力強，噪聲小，很容易達(dá)到幾百M的應(yīng)用。但是功耗大，需要負(fù)電源。為簡化電源，出現(xiàn)了PECL(ECL結(jié)構(gòu)，改用正電壓供電)和LVPECL。 PECL：Pseudo/Positive ECL Vcc=5V；VOH=4.12V；VOL=3.28V；VIH=3.78V；VI

38、L=3.64V LVPELC：Low Voltage PECL Vcc=3.3V；VOH=2.42V；VOL=1.58V；VIH=2.06V；VIL=1.94V ECL、PECL、LVPECL使用注意：不同電平不能直接驅(qū)動。中間可用交流耦合、電阻網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ眯酒M(jìn)行轉(zhuǎn)換。以上三種均為射隨輸出結(jié)構(gòu)，必須有電阻 拉到一個直流偏置電壓。(如多用于時鐘的LVPECL：直流匹配時用130歐上拉，同時用82歐下拉；交流匹配時用82

39、歐上拉，同時用130歐下拉。但兩 種方式工作后直流電平都在1.95V左右。),LVDS電平,LVDS：Low Voltage Differential Signaling 差分對輸入輸出，內(nèi)部有一個恒流源3.5-4mA，在差分線上改變方向來表示0和1。通過外部的100歐匹配電阻(并在差分線上靠近接收端)轉(zhuǎn)換為±350mV的差分電平。 LVDS使用注意：可以達(dá)到600M以上，PCB要求較高，差分線要求嚴(yán)格等長，差最好不超過