光器件和芯片的結構介紹

光模塊基本原理目前一頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點主要內容光模塊簡介光模塊內部主要元器件光模塊調制方式光模塊的特點及應用光模塊原理框圖光模塊主要性能指標光模塊接口電平目前二頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點光模塊定義

以光器件為核心增加一些電路部分和結構件等完成相應功能的單元目前三頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點光模塊分類

按速率劃分：155Mb/s622Mb/s1.25Gb/s2.5Gb/s10Gb/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：1×9/2×9/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)按應用劃分：SDH/SONET,Ethernet,FiberChannel,CWDM,DWDM等按工作模式劃分：連續(xù)和突發(fā)（OLT：OpticLineTerminal，光線路終端；ONU：OpticNetworkUnit,光網(wǎng)絡單元）目前四頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點光模塊發(fā)展歷史封裝形式：1X9SFFGBICSFP,XFP,SFP+傳輸速率：155M,622M1.25G,2.5G4.25G,8.5G,10G,40G功能：不帶監(jiān)控功能（NoneDDM）帶數(shù)字診斷功能（DDM）接入應用：PtoPPtoMP:PON(GE-PON,GPON,WDM-PON)光接口形式：尾纖型（Pigtail）；插拔型（Receptacle）光傳輸形式：雙纖雙向（MSA）；單纖雙向（BiDi）目前五頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點光模塊發(fā)展趨勢小型化智能化熱插拔低功耗高速率遠距離目前六頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點主要內容光模塊簡介光模塊內部主要元器件光模塊調制方式光模塊的特點及應用光模塊原理框圖光模塊主要性能指標光模塊接口電平目前七頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點光模塊內部主要元器件探測器激光器放大器時鐘數(shù)據(jù)恢復驅動芯片MUX&DeMUX目前八頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點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。目前九頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點光器件結構圖目前十頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點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構，可分為：

TO器件(TOSA，ROSA，BOSA)；

DIP（或Butterfly）器件；表面貼裝（surfacemount)器件等；按傳輸速率，可分為

155M、622M、1.25G、2.5G、10G等；傳輸距離，工作波長，工作方式等

目前十一頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點探測器光探測器

作用把光信號轉變?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

內部具有光電倍增(或稱雪崩)光電二極管.（AvalanchePhotodetector)目前十二頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點PIN探測器響應度：PIN探測器即P-I-N探測器：P型摻雜＋Intrinsic＋N型摻雜需加5～10V反偏電壓目前十三頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點APD探測器響應度：APD探測器：雪崩光電探測器（Avalanchephotodetector）需加30～60V反偏電壓M與溫度和反偏電壓有關目前十四頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點激光器FPLD(Fabry-PerotLaser)DFBLD(Distributed-FeedbackLaser)VCSEL(Vertical-CavitySurface-EmittingLaser)LED(Light-EmittingDiode)EAMLD(Electro-absorptionmodulatedlasers)目前十五頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點FPLD和DFBLD都是邊緣發(fā)光諧振腔結構不同F(xiàn)P－LDDFB－LD目前十六頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點LED和VCSEL都是面發(fā)光諧振腔結構不同LEDVCSEL目前十七頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點EAMLD構成：TEC致冷器，激光二極管，EA調制器，背光檢測二極管和，熱敏電阻等目前十八頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點放大器分類跨阻放大器：TransimpedanceAmplifier（TIA）主放MainAmplifiers(MA)或后放PostAmplifiers

限幅放大器：LimitingAmplifier(LA)

自動增益控制放大器：AutomaticGainControlAmplifier(AGC).目前十九頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點跨阻放大器（TIA）這種I-V變換電路中有一個負反饋電阻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，低輸入電容足夠寬的通頻帶fH≈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目前二十頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點主放LA：轉換速度快，功耗低，但是非線性限制了其應用AGC：在很大的動態(tài)范圍都是線性的，應用范圍廣。例如：帶均衡器的接收機。限幅放大器自動增益控制放大器目前二十一頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點時鐘和數(shù)據(jù)恢復（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)恢復電路（ClockandDataRecovery—CDR）的作用就是在輸入數(shù)據(jù)信號中提取時鐘信號并找出數(shù)據(jù)和時鐘正確的相位關系目前二十二頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點驅動芯片激光器驅動（電流）調制器驅動（電壓）

目前二十三頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點MUX&DeMUXMUX：16路并行數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過并串轉換，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)過串并轉換，輸出16路并行數(shù)據(jù)目前二十四頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點主要內容光模塊簡介光模塊內部主要元器件光模塊調制方式光模塊的特點及應用光模塊原理框圖光模塊主要性能指標光模塊接口電平目前二十五頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點調制方式直接調制

外調制

EA調制（ElectroabsorptionModulator）

MZ調制（Mach-ZehnderModulator）目前二十六頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點直接調制P1P0利用電信號的‘1’和‘0’控制激光器的電流大小。目前二十七頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點EA調制激光器一直處于發(fā)光狀態(tài)，電信號‘1’、‘0’作用于電吸收調制器。來控制激光器出光大小。目前二十八頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點MZ調制激光器一直處于發(fā)光狀態(tài)，發(fā)出的光經(jīng)過一個Y型波導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，使兩束光信號產生不同的相位，再經(jīng)過Y型合束器，‘1’信號時，相位相同，進行疊加，‘0’信號時，相位相差180度，光信號抵消。目前二十九頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點主要內容光模塊簡介光模塊內部主要元器件光模塊調制方式光模塊的特點及應用光模塊原理框圖光模塊主要性能指標光模塊接口電平目前三十頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點1X9光模塊特點：工作速率:155Mb/s~1Gb/s工作電壓：3.3V或5V波長：1310nm，1550nm寬溫工作范圍傳輸距離可達80km應用數(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目前三十一頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點GBIC模塊特點：工作速率:155Mb/s~2.5Gb/s工作電壓：3.3V或5V波長：850nm，1310nm，1550nm傳輸距離可達160km帶數(shù)字診斷功能（部分）應用：數(shù)據(jù)通信：千兆以太網(wǎng)，1x/2x光纖通道電信：OC-3/STM-1、OC-12/STM-4、OC-48/STM-16目前三十二頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點SFF模塊特點：工作速率:155Mb/s~2.5Gb/s工作電壓：3.3V波長：850nm，1310nm，1550nm寬溫工作范圍傳輸距離可達80km帶數(shù)字診斷功能（部分）應用：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目前三十三頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點SFP模塊特點：工作速率:155Mb/s~2.5Gb/s工作電壓：3.3V波長：850nm，1310nm，1550nm，WDM寬溫工作范圍傳輸距離可達100km+帶數(shù)字診斷功能應用：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目前三十四頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點PON模塊特點：工作速率:155Mb/s~2.5Gb/s工作電壓：3.3V傳輸距離可達20km帶數(shù)字診斷功能應用：PON接入網(wǎng)目前三十五頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點XFP模塊特點：工作速率:10Gb/s波長：1310nm，1550nm，DWDM傳輸距離可達80km帶數(shù)字診斷功能應用：數(shù)據(jù)通信：10G以太網(wǎng)，10G光纖通道電信：OC-192/STM-64目前三十六頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點300-pinTransponder模塊特點：速率可達10Gb/s波長：1550nm，DWDM傳輸距離可達80km帶數(shù)字診斷功能應用：電信：OC-192/STM-64目前三十七頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點主要內容光模塊簡介光模塊內部主要元器件光模塊調制方式光模塊的特點及應用光模塊原理框圖光模塊主要性能指標光模塊接口電平目前三十八頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點典型光發(fā)射模塊功能框圖（直接調制）LaserDriverAPCTempSensorAEC自動光功率控制自動消光比控制XC占空比控制匹配電路目前三十九頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點典型光發(fā)射模塊功能框圖（外調制）

EAMLaserDriverAPCATC自動光功率控制自動溫度控制XC占空比控制匹配電路MCBC偏置電壓控制調制電壓控制目前四十頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點PIN型光接收模塊功能框圖PIN/TIAMAPIN/TIAMACDR3R功能(Reshape,Reamplify,Retime)2R功能(Reshape,Reamplify)目前四十一頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點APD型光接收模塊功能框圖APD/TIAMAAPD/TIAMACDR3R功能(Reshape,Reamplify,Retime)2R功能(Reshape,Reamplify)HighVoltageGenerationHighVoltageGeneration目前四十二頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點光收發(fā)合一模塊(Transceiver)功能框圖TOSADriverROSAMAAPC/AECLOSRxPowerTxPowerTxDisableDataInDataOutOpticalInOpticalOut目前四十三頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點帶數(shù)字診斷功能(DDM)光收發(fā)合一模塊功能框圖TOSADriverROSAMAAPC/AECLOSTxDisableDataInDataOutOpticalInOpticalOutMCU＋EEPROMI2C目前四十四頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點數(shù)字診斷(DDM)模塊特點目前四十五頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點光收發(fā)合一模塊(XFP)功能框圖TOSADriverROSAMAAPC/AEC/ATCLOSTxDisableDataInDataOutOpticalInOpticalOutMCU＋EEPROMI2CCDRCDR目前四十六頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點Transponder模塊功能框圖TOSADriverROSAMAAPC/AEC/ATCLOSTxDisable16路并行DataIn16路并行DataOutOpticalInOpticalOutMCU＋EEPROMI2CMUXDeMUX目前四十七頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點TDM:TimeDivisionMultiplex時分多路復用

TDMA:TimeDivisionMultipleAddress時分多路訪問PON模塊目前四十八頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點ONU光收發(fā)合一模塊功能框圖目前四十九頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點OLT光收發(fā)合一模塊功能框圖目前五十頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點BOSA單纖雙向光組件(Bi-DirctionalOpticalSubassembly)目前五十一頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點主要內容光模塊簡介光模塊內部主要元器件光模塊調制方式光模塊的特點及應用光模塊原理框圖光模塊主要性能指標光模塊接口電平目前五十二頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點光模塊主要性能指標

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目前五十三頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點傳輸速率傳輸速率指在單位時間內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

155.52Mb/s

STM-4

622.08Mb/s

STM-16

2.48832Gb/s

STM-64

9.95328Gb/s目前五十四頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點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，光纖損耗等）

目標傳輸距離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）

B比特速率，D色散系數(shù)，L為距離

傳輸距離目前五十五頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點平均發(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，“1”越多，光功率也就越大。當發(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的關系----10logP(mw)目前五十六頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點消光比光數(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)值是害怕消光比太高了傳輸以后信號劣化太厲害導致誤碼產生或通道代價超標如果一個光模塊傳輸傳輸其標稱距離以后沒有產生誤碼并且通道代價滿足指標要求只要消光比大于ITU-T建議的最低值多大都可以目前五十七頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點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目前五十八頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點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目前五十九頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點眼圖信息

對于數(shù)字信號的質量,可通過眼圖分析(過識別)來衡量,數(shù)字信號的質量包括幅度穩(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,但過陡易產生色散相位調制和交叉相位調制眼圖上/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，導致接收側的交叉點相對于發(fā)送側上移。為了有利于長距離傳輸保證接收側的交叉點比例在大約50左右，使得接收側的靈敏度最佳。我們一般建議在發(fā)送側把交叉點的位置稍微下移一些。一般發(fā)送側交叉點比例建議控制在40%~45%眼圖上/下沿交點的粗細程度反映了抖動的大小.目前六十頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點譜寬

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20dB處對應的波長寬度來表示目前六十一頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點最小邊模抑制比

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。目前六十二頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點接收機靈敏度

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（Bitrate)發(fā)射光信號質量（眼圖；抖動，OSNR等）發(fā)射消光比傳輸后的脈沖波形失真(Distortion)接收機的帶寬(Bandwidth)電源紋波串擾等目前六十三頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點接收機過載功率

這個參數(shù)指接收機在達到規(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飽和目前六十四頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點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。目前六十五頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點所謂抖動，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抖動目前六十六頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點主要內容光模塊簡介光模塊內部主要元器件光模塊調制方式光模塊的特點及應用光模塊原理框圖光模塊主要性能指標光模塊接口電平目前六十七頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點TTL(Transistor-TransistorLogic)晶體管-晶體管邏輯電平和LVTTL（LowVoltageTTL）PECL(PositiveEmit-CoupledLogic)發(fā)射極耦合邏輯電平、LVPECL和ECLCML(CurrentModeLogic)電流型邏輯電平LVDS(LowVoltageDifferentialSignals)低壓差分信號模塊接口電平目前六十八頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點TTL和LVTTL電平TTL：Transistor-TransistorLogic三極管結構

Vcc：5V；VOH>=2.4V；VOL<=0.5V；VIH>=2V；VIL<=0.8V。

因為2.4V與5V之間還有很大空閑，對改善噪聲容限并沒什么好處，又會白白增大系統(tǒng)功耗，還會影響速度。

LVTTL又分3.3V、2.5V以及更低電壓

3.3V；VOH>=2.4V；VOL<=0.4V；VIH>=2V；VIL<=0.8V。

TTL使用注意：TTL電平一般過沖都會比較嚴重，可能在始端串22歐或33歐電阻；TTL電平輸入腳懸空時是內部認為是高電平。要下拉的話應用1k以下電阻下拉。目前六十九頁\總數(shù)七十三頁\編于十一點ECL，PECL