光模块基础知识介绍

数字光模块基础知识介绍内容提要一、光模块的定义二、光模块的分类三、光模块的主要功能原理四、光模块设计及调试的关键要素一、光收发一体模块定义光收发一体模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。发射部分是：输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号，其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光信号功率保持稳定。接收部分是：一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号。经前置放大器后输出相应码率的电信号，输出的信号一般为PECL电平。同时在输入光功率小于一定值后会输出一个告警信号。数字光模块基本指标（一）•平均发送光功率（TxLOP：OpticalAveragePower）平均发送光功率指信号逻辑为1时的光功率与为0时的光功率的算术平均值。01AVGP+PP=(dBm)2数字光模块基本指标（二）•消光比（ER：ExtinctionRatio）信号逻辑为1时的光功率与为0时的光功率的大小之比。其计算公式为：ER表示消光比，单位为dB，P1和P0分别表示逻辑1及0时的光功率。P1ER=10log(dB)P0数字光模块基本指标（三）•眼图模板容限（EMM：EyeMaskMargin）眼图开启度，指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。无畸变眼图的开启度应为100%。眼图模板容限是指眼图模板扩张，直到有眼图的采样点进入到扩张区域的模板最大扩张百分比。数字光模块基本指标（四）•接收灵敏度（ReceiverSensitivity）衡量接收端为保证一定误码率（1×10exp(-12)）所需接收的最小平均光功率，单位为dBm。误码率是指在较长一段时间内，经过接收端的光电转换后收到的误码码元数与误码仪输出端给出码元数的比率。•信号丢失指示（LOSAssert）和信号丢失恢复指示（LOSDessert）接收器输出一个电信号，其电位高低反映出接收器所接收的光信号强度是否足够，将该电位与预设电位比较以判定光信号是否丢失。电位比较是采用具有一定回滞效应的比较器实现，通常用预设电信号对应的光功率作为指示，单位为dBm。二、光收发一体模块分类按照速率分：以太网应用的100Base（百兆）、1000Base（千兆）、10GESDH应用的155M、622M、2.5G、10G（IEEE802.3，ITU-TG957,GR-253-CORE)按照封装分：1×9、SFF、SFP、GBIC、XENPAK、XFP1×9封装--焊接型光模块，一般速度不高于千兆，多采用SC接口SFF封装--焊接小封装光模块，一般速度不高于千兆，多采用LC接口GBIC封装--热插拔千兆接口光模块，采用SC接口SFP封装--热插拔小封装模块，目前最高数率可达4G，多采用LC接口XFP封装--10G光模块，可用在万兆以太网，SONET等多种系统，多采用LC接口按照激光类型分：LED、VCSEL、FPLD、DFBLD按照发射波长分：850nm、1310nm、1550nm等等按照使用方式分：非热插拔（1×9、SFF），可热插拔（GBIC、SFP、XFP）数字模块单收单发模块XFP模块SFF模块GBIC模块SFP模块单纤三向PON系列SFP+模块40G模块按传输链路所使用的光纤纤芯分类多模光纤(850nmVCSEL、1310nmLED)(标准ITU-TG.651)：纤芯直径2a＝62.5μm/50μm包层直径2b＝125μm单模光纤(1310nm1550nmFPDFB、CWDM)(标准ITU-TG.652)：纤芯直径2a＝9μm包层直径2b＝125μm衰减Maximumat1310nm0.5dB/km衰减Maximumat1550nm0.4dB/km2b2a三、光模块功能原理信号电端机光端机（发）光中继机电端机光端机（收）信号通信方式以光波为载波，以光导纤维作为传输媒介。光源：把电信号变成光信号，输入于光纤传输。光检测器：把来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原形后输入到电端机的接收。发射部分原理电信号均衡码型变换时钟扰码输入部分发送部分ATC告警输出光监测驱动光源编码光纤APC光监测部分ATC部分APC控制部分用背光二极管将激光二极管的光输出转换为相应的光电流，经APC环路反馈来控制激光二极管LD的偏置电流，从而维持光输出功率恒定。恒定功率值由外接电阻RAPCSET设定，APC环路的时间常数则由外接电容CAPC确定。当由于某种原因，使LD的输出光功率降低时，耦合至光电二极管的电流也同比例减小，这样，通常状态下的平衡被打破，使得运放输出端的电压增大，于是，三极管的基极电流增大，集电极电流也随之增大，而集电极电流正是流入LD的偏置电流。因此，流入激光器的电流增大，输出光功率相应增大，从而使输出光功率保持不变。通过以上描述，理论上我们是可以通过驱动器的APC控制来实现TE的性能指标。而由于热胀冷缩有可能导致PD机械位移等多种因素，使得LD的出光与PD的监测光电流不是理论上的线性关系。故此现在很多光模块的TE指标控制在高端客户需求的±1dB很困难。调制驱动部分接收部分原理放大器均衡器判决器解码扰码AGC接收部分输出部分光信号电信号光电检测时钟恢复码型反变换电信号输入输出缓冲告警阈值设置及判决输出四、光模块设计及调试关键要素LD接口电路：直流耦合优势：多速率兼容、更少的元件数量、低功耗、易于匹配不足：调制电流范围窄、低负载阻抗遇高内阻器件时对指标要求高。注意事项：布线尽可能的短，OUT-端负载要与OUT+到LD的负载匹配，725型器件适用性高。交流耦合优势：提高边沿速度、降低EMI幅射及高频噪声、调制电流范围宽、增大了电感容限。不足：功耗大、引入了低频截止、元件数量多。注意事项：考虑是否需要加入补偿网络来消除振铃和过冲？交耦电容的参数值在不同速率下使用需要进行适当调整，特别是低频条件下（155M），应用于SDH、SONET系统时频率要求更高。电路相关元件参数及光器件指标范围设置：1、APC电阻&背光范围。一般无特殊要求。理论上APC电阻对应符合Imd（常用范围为Ith+20mA＝100～1000uA）电流的范围即可。但如遇数字电阻存有初始挡位现象时，需合理的将器件的背光电流值进行调整。如：DS1856&50K的初始0档对应电阻为700R，参考驱动器MAX3738APC与Imd的IR曲线图，700R对应的电流约在800uA。所以在遇到此类方案配置设计时，需考虑是否可将背光范围值调整至800uA以下，以防平均功率无法调整至合格指标范围内。2、调制电阻&斜效率范围。斜率范围的设置可参考开发部的文档。注意事项如下：斜效率与调制电阻的范围必须要考虑高低温指标变化的问题。关键计算参数为器件斜率变化％、器件的阈值电流变化范围、驱动器允许的调制电路&偏置电路范围值。（无法定位的其他参数：器件阈值的拐点范围、激光二极管接口的负载参数。）故斜效率指标除需经过指标计算外，还需经过实验测试来定位放量值。3、接收端TIA与LA接口电阻设置。在TIA输出端，需考虑TIA的输出阻抗是否为内置？如无则需外接电阻进行阻抗匹配来消除抖动。另为提高灵敏度，降低LA输入端噪声，需根据应用速率考虑是否要增加π型补偿网络？4、接收LOS/SD阈值电阻设置。电阻设置必须符合LA图表或参数列表要求，也需将高低温器件响应度的变化考虑进去。但一般响应度在高低温下的变化很微小，基本上都忽略。5、DDM监控电阻设置。a、需考虑监控输出的参考电压满足DAC输入端的模拟量要求（DS1856一般为0～2.5V的模拟量检测范围，取值应不超过满量程的90％）。b、监控电压必须在驱动器故障指示范围外。(MAX3738一般要求在1V以下）光模块常用测试设备Agilent86100Q8384opticalspectralanalyzer81250BERTMP1570ASDHanalyzerMP1632Aanalyzer数字光模块测试系统微机,光口示波器(DCA),光功率计(OpticalPowerMeter),误码仪(MultiRateBERT),光衰减器(OpticalAttenuator),测试板(EVBoard)及数据线(USBControl),单模光纤跳线(PatchCord)若干根,射频线(SMACable)若干根8/8/2008InnolightConfidential241.25G及其以下速率数字诊断SFP收发合一模块制造工艺流程贴片PCB处理需要注意的问题：手工撇板与机器切板手工撇板可能存在的问题1.用力时损坏芯片引脚2.造成毛刺，在用砂纸磨去时产生大量的粉尘颗粒现行解决方法：1.手工撇板时小心，用N2吹尽（暂时）2.部分PCB板已经采用邮票孔拼版方式，更容易手工撇板（根本）底座贴标与打标需要注意的问题：1.检查SFP管壳底座上弹簧、撬片、拉环、套管的安装情况2.拉环的颜色与模块型号相对应3.具体要求：公司目前产品仅发3COM公司需要打标，其他均为贴标激光器成型压杆压板固定块定位螺丝实心脚标识位激光器剪脚(完全剪掉实心脚)实心脚标识位探测器成型压杆压板固定块定位螺丝百兆实心脚标识位探测器剪脚(不能完全剪掉任何脚)百兆实心脚标识位器件成型总结器件成型可能存在的问题1.难插时用镊子撇管脚休整2.成型不到位依然需要镊子修正3.器件长短不一的问题可能的解决办法：1.镊子撇管脚时只能接触管脚的底端2.定期对成型模具进行修正，发现问题及时报告需注意的问题：成型时用力不要过猛过快，避免破坏玻封与镀金层的裂化特别注意：拔掉器件防尘帽后的器件，无论在弯角、剪脚还是焊接的等待环节都要将器件整齐倒放在托盘上。焊接器件参见文件：P-A004-311SFP数字诊断模块作业指导书-焊接器件V1.4焊接器件可能存在的问题：1.器件管脚没有与PCB板焊盘间留有0.1～0.2mm间隙2.管脚未对准焊盘或引脚过长3.器件倾斜于PCB板4.PCB尾段与底座之间间隙不大于0.2mm特别注意：焊接器件完成后要马上塞上尾塞。组装底座主要检查：1.尾段（底座立柱后段）与底座之间的间隙不大于0.2mm。2.PCB板边是否处于管壳底座边缘范围内3.PCB板是否与底座平行写程序读写程序电路板串口九针串口电脑专用串口线SFP模块可能出现的问题：金手指接触不良发射初测发射初测注意：每只模块测试完毕后需要马上塞上尾塞。接收初测百兆模块关断电阻位置接收初测接收初测千兆模块关断电阻位置注意：每只模块测试完毕后需要马上塞上尾塞。安装管壳上盖新管壳：老管壳：华为技术模块使用公司最新版管壳安装管壳上盖模块校准方式1.内部校准：代号N，全部采用内部校准软件。2.标准校准：代号W，也叫HG外校，是公司的标准校准方式，发射光功率与偏置电流校准采用内部校准软件，接收光功率采用外部校准软件。3.3COM模块校准：代号H3C，专门针对发往3COM公司模块的校准方式，全部采用外校方式，带写密码。4.华为技术模块校准：代号HW，专门针对发往华为技术模块的校准方式，全部采用外校方式，不写密码。临时采用四个文件夹的方式：校准文件-试用版0803181.发射光功率校准必须确认误码仪开启且处于连续运行状态2.接收光功率校准2.偏置电流校准3COM与华为技术模块在75度以上进行校准其他的模块均用内部校准软件在常温下校准必须确认误码仪开启且处于连续运行状态老化注意：1.接电源，先插插头再接开电源2.检查保险丝的好坏发射终测接收终测如不符合要求重新更换电阻必须重新老化！光谱测试（仅DFB模块）光谱测试（仅DFB模块）软按钮辅助1键[AUTO]键[ON/OFF]键[APPLICATION]键输入光口INPUT[REPEAT]键[AUTO]键软按钮辅助1键[APPLICATION]键[REPEAT]键软按钮辅助1键[AUTO]键[ON/OFF]键光谱测试（仅DFB模块）光谱测试（仅DFB模块）可能出现的问题：光谱双峰测量标准：1.中心波长λ0允许范围为：MXPD-XX5XD：1550±30nmMXPD-243MD：1310±30