光模塊基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)

光模塊基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)（初級(jí)進(jìn)階）

供應(yīng)商管理部王誠(chéng)剛

光模塊的應(yīng)用什么是光模塊

信息

物理/模擬變換模/數(shù)變換（電端機(jī)）電/光變換光纖（信道）光/電變換數(shù)/模變換模擬/物理變換信息接受者中國(guó)領(lǐng)先的光電變換專家！數(shù)字光模塊

？

模擬光模塊？數(shù)字光模塊是必然的發(fā)展趨勢(shì)光模塊的應(yīng)用場(chǎng)景物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會(huì)話層表示層應(yīng)用層開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI）提供應(yīng)用程序間的通信接口處理數(shù)據(jù)格式、加密等建立、維護(hù)、管理會(huì)話建立主機(jī)端到端連接、傳輸尋址和路由選擇提供介質(zhì)訪問、鏈路管理等比特流傳輸、規(guī)定電壓、電流、線纜、光口等我們的模塊工作在物理層！光模塊的應(yīng)用場(chǎng)景硬盤陣列磁盤驅(qū)動(dòng)主機(jī)總線適配器光纖通道交換機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī)/路由器網(wǎng)卡服務(wù)器/數(shù)據(jù)中心光模塊的應(yīng)用場(chǎng)景FTTx接入網(wǎng)無(wú)線接入網(wǎng)SDH/SONET以太網(wǎng)MSTPWDMOTNIP-RANPTN承載網(wǎng)POTN誰(shuí)在主宰市場(chǎng)光模塊廠商的多種經(jīng)營(yíng)光模塊的發(fā)展史性能功耗成本

光的通路——光纖光纖分類按光在光纖中的傳輸模式分為：?jiǎn)文９饫w和多模光纖1多模光纖MMF:可傳多種模式的光;纖芯為50/62.5μm;模間色散嚴(yán)重;

應(yīng)用于短距離傳輸.2單模光纖SMF:只能傳輸單一模式的光;纖芯為9μm;損耗低;帶寬大;存在材料色散和波導(dǎo)色散模間色散嚴(yán)重;可應(yīng)用于高速長(zhǎng)距離傳輸.3其他類型光纖:用于光纖放大器的摻鉺光纖EDF

用于色散補(bǔ)償?shù)纳⒀a(bǔ)償光纖DCF

用于對(duì)相位變化引起的偏振效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)谋Ｆ饫wG.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖,零色散窗口在1.3μmG.653DSF色散位移單模光纖,零色散窗口在1.55μmG.654最低衰耗單模光纖,零色散窗口在1.3μm,1.55μm衰耗最低G.655NZDSF非零色散位移單模光纖,在DSF基礎(chǔ)上在1.55μm窗口保留一定的色散光纖的導(dǎo)光原理基本概念：1）數(shù)值孔徑NA：能使光在光纖內(nèi)以全反射形式進(jìn)行傳播的接收角θc的正弦值。

數(shù)值孔徑并不是越大越好。2）截止波長(zhǎng)λc：能使光纖實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)淖钚」ぷ鞴獠úㄩL(zhǎng)。（單模光纖）光纖舉例多模光纖的幾何尺寸與光學(xué)特性單模光纖的幾何尺寸與光學(xué)特性單模光纖波段劃分O波段（原始波段）1260-1360nm.

E波段（擴(kuò)展波段）1360-1460nm.

S波段（短波段）1460-1530nm.

C波段（常規(guī)波段）1530-1565nm.

L波段（長(zhǎng)波段）1565-1625nm.

U波段（超長(zhǎng)波段）1625-1675nm.

1260136014601530156516251675OESCLU光纖損耗１固有損耗

a吸收損耗

b散射損耗２附加損耗

a微彎損耗

b彎曲損耗

c連接損耗石英光纖損耗特性曲線典型損耗值：0.85μm－2.5dB/km1.31μm－0.35dB/km1.55μm－0.18dB/km光纖色散1概念色散描述光脈沖沿光纖傳輸后脈沖展寬現(xiàn)象，主要是因?yàn)楣饷}沖的前端和后端在光纖中傳輸?shù)木嚯x不一致。色散是光纖的傳輸?shù)闹匾匦灾?光纖的色散引起傳輸信號(hào)的畸變,使傳輸質(zhì)量下降,從而限制了通信容量和通信距離.光放大器的廣泛應(yīng)用,目前影響光纖通信系統(tǒng)的制約因數(shù)主要是色散。2色散的成因

1光源發(fā)出的光不是單色光,他包含不同的頻率成分.2調(diào)制信號(hào)有一定的帶寬數(shù)字系統(tǒng)表現(xiàn)形式為具有一定頻率的脈沖信號(hào),若是全”0”或全”1”

信號(hào),色散就不會(huì)帶來任何影響.光纖色散3色散對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)挠绊懄应?λ2λ3輸入脈沖輸出脈沖τ+Δτ時(shí)間時(shí)間光功率光纖色散例：G.652光纖在1310nm區(qū)域與1550nm區(qū)域的色散系數(shù)色散系數(shù)的定義：每公里的光纖由于單位譜寬所引起的脈沖展寬值光纖色散4色散的分類

1）

模式色散(模間色散)

多模光纖中,同一波長(zhǎng)但不同模式的傳播速度差異引起的色散.2）色度色散（模內(nèi)色散）指光譜中不同波長(zhǎng)在光纖中的群時(shí)沿差引起的光脈沖展寬現(xiàn)象

(1)材料色散

(2)波導(dǎo)色散

3）偏振模色散偏振模色散是影響高速(10Gb/s)通信系統(tǒng)傳輸距離主要因素之一（單模光纖特有，由于單模光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷或纖芯折射率分布不均勻等因素造成的）。光纖非線性特性一般在WDM系統(tǒng)上反映較多。Why？合波器、分波器的插入損耗，對(duì)16路波系統(tǒng)一般相加在10dB左右，對(duì)32路波系統(tǒng)一般相加在15dB左右，因此需要EDFA進(jìn)行放大補(bǔ)償，在放大光功率的同時(shí)，使光纖中的非線性效應(yīng)大大增加，成為影響系統(tǒng)性能，限制中繼距離的主要因素之一。1）散射效應(yīng)受激布里淵散射SBS、受激拉曼散射SRS2）與克爾效應(yīng)相關(guān)的影響，即與折射率密切相關(guān)自相位調(diào)制SPM、交叉相位調(diào)制XPM、四波混頻效應(yīng)FWM

光模塊的基本原理目前公司光模塊種類模塊40GTransponderQSFP+SFPSFFxPONONU/OLTBIDIModuleTriple-playmodule40G/100GCFPXFP/SFP+10G300pinMSA/SFF當(dāng)前典型結(jié)構(gòu)示例光模塊功能框圖-SFPNowthedevelopmenttrendofICwhichworkundertherate2.5Gbit/sisintegrationofLDdriver,limitingamplifierandDDMfunctionICTOSALDDriverROSAFiberDisableDatainputFiberLimitingAmplifierDataoutputLOSMCU＋EEPROMSerialdatainterfaceDDM:Digital

DiagnosticMonitoring

FunctionIbiasMonImodMonPRXMonPTXMon光模塊功能框圖-SFP+TOSALDDriverROSAFiberDisableDatainputFiberLimitingAmplifierDataoutputLOSMCU＋EEPROMSerialdatainterfaceDDM:Digital

DiagnosticMonitoring

FunctionIbiasMonImodMonPRXMonPTXMonThefunctionblockdiagramissameasSFPexcepttheworkrateupto10Gbit/s~14Gbit/s,andthemostimportanttheICmustmaitainisthelowpowerconsumptionandlowcost,theintegrationofLDdriverandLimitingamplifieristhechoiceofmostmanufacturer.FortheuncertaintyofDDMfunctionthatcustomerrequireto,thesingleMCUispreferred.Note:SFP+moduleintegratedwithCDRsisthetrend.(seedetailbelow)光模塊功能框圖-XFPYoucanfindtheXFPmodulehaveanadditionalfunctionwhichisCDR(clockanddatarecovery)comparedtotheSFP+module.ThedevelopmenttrendoftheICisintegrationofLDdriver,LimitingamplifierandCDRwhichcanlowerthepowerconsumptionandthecost,howeverthegoodperformanceofitisagreatchallengefortheICdesign.Note:ThereistrendtheSFP+moduleintegratedwithCDRinsteadofXFPmodule.光模塊功能框圖-ONU/OLTWhatwefocusonistheBurstmodeICwhichisdifferentfromtheothermodule,suchastheburstmodeLDdriver,burstmodelimitingamplifierandburstmodeTIA(transimpedanceamplifier)ofwhichtheburstmodeLAandTIAishardtogetinthemarket,thuswesuggestyoudotheworkwithrespecttothem.光模塊功能框圖-QSFP+JustasitsnameimpliesthatQSFP+meansQuadSFP+,youcanfindfromthediagramthattheICsusedinitarealsointegrationwhichcansavethePCBspaceandlowerthepowerconsumption,soastomeettherequirementsofapplicationwhichtoextendtheinterfacedensitywithalimitedmodulesize.ThechallengeoftheICdesignisminimizethecrosstalkwhenintegratingthefourchannelsinonechip.光模塊功能框圖-100GCFP4:10GearBoxTIAPINTIAPINTIAPINTIAPIN10:4GearBoxDriverLaserDriverLaserDriverLaserDriverLaserControlInterfaceRxdata1Rxdata10Txdata1Txdata10MDCMDIOOpticalfiberOpticalfiberGearBoxhastwopaths:Thetransmitdatapathreceivesdatafromtheline-cardASIContenparallelCAUIlanesandtransmitsittotheopticalmoduleonfourlanes;Thereceivedatapathreceivesdatafromtheopticalmoduleonfourlanesandtransmitsittotheline-cardASIContenparallelCAUIlanes.光模塊功能框圖-100GCFP2ThenextgenerationofCFPis100GCFP2whichisdifferentonreducingthegearboxfunction(withoutthedatatransition)andonlyreservetheCDRfunction.發(fā)射器件分類

波長(zhǎng)1550nm管芯結(jié)構(gòu)FP-LDDFB-LD

封裝形式

同軸DIP14雙列直插DIL14蝶形工作狀況Cooler光譜

MLM

SLMTOSAPigtail

LCSCFCSTMINI-DILVCSEL1310nm850nmDWDMCWDM

980nmUn-cooler0~+70℃-40~+85℃EML-DFB-LD接收器件分類響應(yīng)波長(zhǎng)

1100-1650nm

管芯結(jié)構(gòu)

1310nmPIN

APDDIP雙列直插

單PIN

850nm

類型PIN-FET

PIN-TIAAPD-TIA

封裝形式MINI-DIL

同軸ROSAPigtail

LCSCFCST應(yīng)用數(shù)字

模擬激光器管芯種類激光器管芯種類激光器管芯種類CWDM與DMDM激光器管芯溫漂探測(cè)器管芯TOSA和ROSABOSATriplexerTO-CANHOLDERCAPFlat-windowBall-lensAspheric-lensCoupleefficiencyTIATIA放大器對(duì)大信號(hào)是雙向限幅的光信號(hào)是單向的（0、1）光信號(hào)過大時(shí)就會(huì)產(chǎn)生脈沖失真（單邊削波），‘0’‘1’判別就會(huì)出錯(cuò)—出現(xiàn)誤碼TIA就必須有AGC功能，以保證足夠的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制（AGC)電路LA限幅放大器LimitingAmplifier主放大器PostAmplifier量化器Quantizer限幅放大器主要由三部分組成：直流耦合多級(jí)放大器直流漂移補(bǔ)償(自動(dòng)調(diào)零)電路光功率檢測(cè)告警電路(有滯回的比較器)LDD重要概念：直流耦合與交流耦合AC耦合DC耦合電路元件多2～4個(gè)元件最少多速率工作有低速率限制無(wú)低速率限制易于匹配元件多LD引腳不能靠近驅(qū)動(dòng)器芯片，不易匹配LD引腳直接連接LDD芯片，易于匹配，突發(fā)性能好驅(qū)動(dòng)器功耗較大較小輸出調(diào)制電流較大（不受‘Headroom’限制）較?。ㄊ堋瓾eadroom’限制）光模塊的主要參數(shù)及性能指標(biāo)Keyparameterofmodule

（一）Transmittermodule(operationtemperaturerange)spectrum:opticaleyediagram:optical:

centralwavelengthrise/falltime

powerofmean

spectrumwidthextinctionratio

opticalisolationfrequencychirpcrossingpointSMSRSNRjitter

other:EMI/EMC光模塊的主要參數(shù)及性能指標(biāo)Keyparameterofmodule

（二）Receivermodule(operationtemperaturerange)spectrum:optical:electronic:respondwavelengthsensitivity

LOSdetector

saturationjittertoleranceopticalreflectjittertransportjittergenerationEMI/EMC

發(fā)射部分指標(biāo)１發(fā)射光功率指模塊工作時(shí)光源輸出的平均光功率，單位為dBm

模塊內(nèi)部APC環(huán)路將保持發(fā)射光功率的穩(wěn)定

影響發(fā)射光功率的主要因素

1光源的電光轉(zhuǎn)換效率

2光源驅(qū)動(dòng)電路的電流能力

3光源組件的耦合效率Pavg=(P1+P0)/2發(fā)射部分指標(biāo)2消光比指模塊輸出“１”的平均光功率與“０”的平均光功率的比值，單位為dB

Ext.r=10lgP1/P0模塊內(nèi)部溫度補(bǔ)償電路（ATC)將使模塊工作在不同溫度時(shí)保持消光比的穩(wěn)定測(cè)得平均效率補(bǔ)償效率變化所需調(diào)制電流補(bǔ)償電流設(shè)置電阻發(fā)射部分指標(biāo)消光比是一項(xiàng)指標(biāo)，用于描述激光功率轉(zhuǎn)化為調(diào)制功率或信號(hào)功率的效率。理論情況下，在保證適當(dāng)?shù)谋忍卣`碼率的情況下，消光比越大，信號(hào)所能傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。思考：消光比是否越大越好？工作速率越高，消光比偏小？消光比對(duì)產(chǎn)品使用的影響。----------啁啾、渡越時(shí)間，驅(qū)動(dòng)能力發(fā)射部分指標(biāo)3眼圖眼圖的形成：當(dāng)二進(jìn)制碼信號(hào)在示波器上顯示波形時(shí)，掃描周期是碼元周期的整數(shù)倍，而熒光屏的余輝作用，使多個(gè)波形疊加在一起，這樣形成了類似人眼的圖形－“眼圖”發(fā)射部分指標(biāo)4中心波長(zhǎng)λ

激光器的波長(zhǎng)有三種表示方法：峰值波長(zhǎng)、中心波長(zhǎng)、平均波長(zhǎng)其中中心波長(zhǎng)用得最多，對(duì)于DFB-LD，中心波長(zhǎng)與峰值波長(zhǎng)值幾乎相同；對(duì)于FP-LD，一般用中心波長(zhǎng)或平均波長(zhǎng)表示激光器的

工作波長(zhǎng)。一般FP型激光器中心波長(zhǎng)隨著溫度增加將以0.5nm/℃的速度變長(zhǎng)一般DFB型激光器中心波長(zhǎng)隨著溫度增加將以0.1nm/℃的速度變長(zhǎng)因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光纖衰耗及色散系數(shù)不一樣，所以模塊不同的傳輸距離對(duì)工作波長(zhǎng)要求就不一樣。對(duì)各種速率及傳輸距離下對(duì)波長(zhǎng)的要求在G.957中都做了嚴(yán)格規(guī)定。發(fā)射部分指標(biāo)5光譜寬度Δλ

對(duì)于FP-LD，一般用3dB譜寬的均方根RMS來表示

對(duì)于DFB-LD，以主模中心波長(zhǎng)的最大峰值功率跌落-20dB的最大全寬表示-3dB波長(zhǎng)相對(duì)強(qiáng)度-20dB波長(zhǎng)相對(duì)強(qiáng)度發(fā)射部分指標(biāo)6邊模抑制比（SMSR）指激光器發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出光功率時(shí)最高光譜峰強(qiáng)度與次高光譜峰強(qiáng)度之比此指標(biāo)僅針對(duì)DFB單縱模激光器，一般要求大于30dB

傳輸距離越長(zhǎng)，要求SMSR越高7輸入電信號(hào)幅度指模塊要求的系統(tǒng)輸入的電信號(hào)的幅度范圍此指標(biāo)一般由所選用的驅(qū)動(dòng)芯片決定接收部分指標(biāo)

1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

1)比特速率（Bitrate)2)發(fā)射光信號(hào)質(zhì)量激光器的RIN；眼圖眼開度(Opening)；抖動(dòng)Jitter等

3)發(fā)射消光比(Ext.r)4)傳輸后的脈沖波形失真(Distortion)5)輸入光信噪比（OSNR）

6)接收機(jī)的性能（響應(yīng)度、暗電流、帶寬、LA輸入靈敏度，etc）7)空間與線路噪聲影響接收部分指標(biāo)2最小過載點(diǎn)在一定誤碼率的條件下，模塊所能接收到的最大光功率，單位為dBm

影響最小過載點(diǎn)的主要因素

1)PIN/APD飽和

2)TIA前放飽和3無(wú)光告警點(diǎn)LOS/SD

指模塊在輸出LOS/SD告警信號(hào)時(shí)對(duì)應(yīng)接收到的光功率，單位為dBm“0”“1”PassertPdeassert接收部分指標(biāo)2最小過載點(diǎn)在一定誤碼率的條件下，模塊所能接收到的最大光功率，單位為dBm

影響最小過載點(diǎn)的主要因素

1)