光模块知识(2.0)_PHOTON讲稿

新飞通（中国）公司NeoPhotonics(China)Corp.目录一、光模块的基本知识1.常用光模块的原理和分类2.常用光收发模块的主要指标及测试方法二、光模块操作注意事项1.静电防护知识2.操作光纤的一般要求3.光接口清洁4.激光防护一、光模块的基本知识常用光器件分类–有源器件•光源：发光二极管（LED）激光二极管（LD）•光电检测器：PIN光电管、PIN-FET组件雪崩光电二极管（APD）•光纤放大器（EDFA）•调制器–无源器件•光分路器/耦合器：1xN（树型）、NxN（星型）•波分复用器：合波器和分波器、滤波器•光纤连接器：固定、活动（FC、ST、SC等）、适配器（直通）•光开关•光衰减器：固定、可变•光隔离器：单方向传输光的器件•极化器光模块的基本作用光模块的作用：完成光电转换和电光转换单信道全光中继通信电光转换光电转换光模块的定义：光发射/接收组件基础上的具有实用化的多功能组件光模块原理TRANSCEIVER光接收模块光发射模块光模块原理光模块原理激光发射—强度调制(IntensityModulation)光发射模块是由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成右图是光发射模块的示意图放大驱动电路(电流开关)RF输入直流偏置光功率监控自动功率控制LDMD光模块原理激光发射--激光二极管的特性法布里-帕罗型激光二极管(FP-LD)和分布反馈激光二极管(DFB-LD)是光通信设备中最常用的半导体光发射器件,与其他激光器相比,LD具有体积小、重量轻、低功率驱动、输出光功率大、调制方便、寿命长和易于集成等一系列优点激光二极管（LD—Laserdiode）是一个电流器件，只在它通过的正向电流超过阈值电流Ith（Threholdcurrent）时它发出激光为了使LD高速开关工作，必须对它加上略大于阈值电流的直流偏置电流IBIASLD的两个主要参数：阈值电流Ith和斜效率S（Slopeefficiency）是温度的函数，且具有较大的离散性光模块原理激光发射--激光二极管的温度特性LD是半导体器件，它的特性与半导体二极管类似温度升高阈值电流Ith增大斜效率S降低为了保持输出平均光功率和消光比不变,在温度上升时要增大IBIAS和IMOD光模块原理激光发射--激光二极管驱动电路一个典型的激光器驱动电路包括下列部分：差分电流开关电路—向LD输出调制电流偏置电流发生器—向LD提供直流偏置电流自动功率控制(APC)电路—在不同温度和LD老化的情况下,改变IBIAS,保持PAVG不变故障告警、保护电路调制电流、偏置电流监控电路输入端整形电路(D触发器)驱动电路实质上就是一个高速电流开关光模块原理激光发射--模块光发射主要指标消光比(re)的定义:re=P1/P0其中:P1是‘1’码的光功率值P0是‘0’码的光功率值用对数表示:EX=10lg(P1/P2)消光比是光发射机的一个非常重要的指标,因为它反映了光信号的相对幅度光模块原理激光发射--模块光发射主要指标光眼图测试眼图可以评估：–消光比–光调制幅度–抖动–过冲–占空比–……光模块原理激光发射—光眼图的评价1+y10x1x2x3x411y20.5y10−y11UI幅度眼图模板右图是ITU-TG.983.1G.984.2规定的上行光信号的眼图模板0.25/0.750.20/0.800.20/0.800.20/0.80y1/y20.2/0.8------x3－x2--0.40/0.600.40/0.600.36/0.65x2/x3--0.28/0.720.25/0.750.15/0.85x1/x42488.32Mbps1244.16Mbps622.08Mbps155.52Mbps光模块原理激光接收—直接检测（DirectDetection）光接收模块的作用是把经过传输后的微弱光信号转换为电信号,并放大、整形恢复为原输入的电信号；光接收模块的原理框图如下PD/APD信号检测光接收组件(ROSA)TIA判决/限幅放大主放DATADATASD/LOS偏置电压光模块原理激光接收—光接收器件（PD、APD）光接收器件是利用光电效应把通信中光信号转换为电信号的光电检测器光纤通信中常用的光电检测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)PIN的响应度（I/P）通常为0.65～0.97A/W(λ=0.9～1.7μm)APD是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度光电检测器,它可以使接收灵敏度提高6～10dB光模块原理激光接收—前置（跨阻）放大器与激光接收组件（ROSA）经光电探测器产生的微弱信号电流,由前置放大器转换成有足够幅度的信号电压输出为适应高速率应用,前置放大器由跨阻放大器(TIA—TranimpedanceAmplifier)构成跨阻放大器就是一个I-V变换器TIA中还有AGC功能电路，以保证足够的信号动态范围VccRiAuo=iRffPIN跨阻放大器原理图在高速率光模块中,通常都是将PIN(或者APD)光电二极管TIA组装在一个密封的金属外壳内,这就构成了光接收组件(ROSA)光接收组件(ROSA)光模块原理激光接收—限幅放大器（LA）TIA输出的是模拟信号,要把它转换成数字信号才能被信号处理电路识别限幅放大器起的作用就是把TIA输出的幅度不同的信号处理成等幅的数字信号限幅放大器LimitingAmplifier主放大器PostAmplifier量化器Quantizer限幅放大器主要由三部分组成：直流耦合多级放大器直流漂移补偿(自动调零)电路光功率检测告警电路(有滞回的比较器)光模块原理激光接收—光接收模块的主要指标光模块基本特征FTTP,Ethernet,SDH/SONET,CWDM,DWDM,etc应用封装类型0℃~70℃和-40℃~85℃工作温度数字诊断功能，可写单元，密码保护,外校准数字诊断PIN,APD接收种类FP,DFB（用于单模光纤）LED,VCSEL（用于多模光纤）发射种类500m,2km,10km,15km,40km,80km,120km,etc传输距离155M,622M,1.25G,2.5G,10G,etc工作速率特点项目光模块发展趋势１，小型化--集成电路芯片功能加强、性能提高，新技术的使用（PLC）–SCGBICSFFSFP–300pinTransponderX2XENPAKXFPSFP+２，智能化--系统对模块的附加功能不断提出新的要求–数字诊断功能３，高速率–155M~2.5G4.25G10G40G４，低功耗–5V3.3V５，热插拔光模块分类光模块分类单模VS多模单纵模VS多纵模单横模VS多横模光纤中的色散1．模间色散光纤的模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。2．材料色散含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，传输速度不同就会引起脉冲展宽，导致色散。3．波导色散它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。4、偏振模色散（PMD）传输模偏振态的改变色散指的是由传输时间延迟导致脉冲展宽带来的信号失真光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应来自折射率随光功率的变化或色散现象。啁啾：电流调制下的LD光谱展宽，色散增加，信号畸变光纤中的损耗吸收损耗光纤材料与传输光相互作用，部分光能量转化为其它某种形式释放散射损耗光纤中的几何缺陷（大小接近传输光波长的）会改变光线传输方向，从光纤中射出。辐射损耗光纤的弯曲引起。影响传输距离的指标单模光纤：材料色散+光谱特性+工作波长多模光纤：模间色散VS光纤特性影响传输距离的指标（G.652光纤）光功率预算VS光纤损耗0.20.250.30.350.40.450.5120013001400150016001700Wavelength(nm)minimummaximumAttenuationcoefficient(dB/km)G.652AandB传输距离的计算（Tranceiver）1,对单模光纤（不考虑色散）传输距离=(总光功率预算－插损－传输代价)/衰减系数总光功率预算=Transmitter最坏光功率-Receiver接收最坏灵敏度插损=光路系统决定传输代价=Transceiver所决定衰减系数=0.3dB/km(1310nm/DFB/G.652.A光纤)=0.15dB/km(1550nm/DFB/G.652.A光纤)２,对多模光纤（不考虑衰减）传输距离=(光纤的带宽MHz·km)/工作速率测试方法(器件级测试)测试方法(器件级测试)光模块失效模式*光模块中主要部件—光电器件和集成电路都是由半导体材料构成,它们对静电都是特别敏感的,由静电放电引起的损伤可造成器件的完全失效或器件参数劣化*光模块中的光电器件和集成电路都不能承受电压和电流的浪涌,这同样会引起器件失效或器件参数劣化*在对光模块测试或使用时,对其输出端的瞬间短路就会造成集成电路完全失效*光学器件的失效-操作不当单纤双向光收发一体模块单纤双向光收发一体模块=DuplexerTransceiver单纤双向光组件(BOSA)+激光器驱动器+限幅放大器单纤双向光收发一体模块单纤双向光组件(BOSA)单纤双向光组件(BOSA)是将光源(FP-LD或DFB-LD)、PIN-TIA、分光片、光纤等另部件用同轴耦合工艺全部集成于一体单纤双向光收发一体模块单纤双向光收发一体模块的主要应用----FTTPFiber-To-The-Premises(FTTP)Premise:Landandthebuildingsonit(企业,机构等使用的)房屋连地基Fiber-To-The-Home(FTTH)FTTP&FTTH(FTTX,X=C,B,)sharethesamestructureGPON:Gigabit-capablePassiveOpticalNetworksGE-PONGigabitEthernet-PassiveOpticalNetwork无源光网络(PON)NT(networktermination)OLT(opticallineterminal)ONU(opticalnetworkunit)P2MP(pointtomulti-point)P2P(pointtopoint)无源光网络(PON)PON技术特点在OLT到ONU下行方向采用TDM(TimeDivisionMultiplexing)方式,以广播方式送至每一个ONU,OLT的发送部分和ONU的接收部分都是连续工作方式ONU到OLT的上行信号的传输采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)技术;OLT的接收部分和ONU的发送部分都是突发模式工作OLT光接收机必须能够适应不同ONU信号的不同光功率,接收机需要有一个很大的动态范围,并设定判决门限,以最快的速度来判决;OLT光接收机必须能够迅速恢复从不同节点传来的每个突发信号的正确时钟,在上行信元到达OLT的前几个bits内实现快速突发比特同步ONU光发送机必须能够快速开/关;当发送机不发送时只能“泄漏”极小的光功率—比接收灵敏度低10dB无源光网络(PON)PON的分类ＰＯＮ技术始于２０世纪８０年代初，目前市场上的ＰＯＮ产品按照其采用的技术，主要分:ＡＰＯＮＢＰＯＮＥＰＯＮ/GEPONＧＰＯＮ（千兆比特ＰＯＮ），ＧＰＯＮ是最新标准化和产品化的技术。无源光网络(PON)各种PON的工作速率和波长分配IEEEStd802.3ah2004ITU-TG.984.22003ITU-TG.983.12003修订版ITU-TG.983.11998采用标准1310nm