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光模块基础知识培训 初级进阶 供应商管理部王诚刚 光模块的应用 什么是光模块 信息物理 模拟变换模 数变换 电端机 电 光变换光纤 信道 光 电变换数 模变换模拟 物理变换信息接受者 中国领先的光电变换专家 数字光模块 模拟光模块 数字光模块是必然的发展趋势 光模块的应用场景 开放式系统互联模型 OSI 提供应用程序间的通信接口 处理数据格式 加密等 建立 维护 管理会话 建立主机端到端连接 传输 寻址和路由选择 提供介质访问 链路管理等 比特流传输 规定电压 电流 线缆 光口等 我们的模块工作在物理层 光模块的应用场景 硬盘阵列磁盘驱动主机总线适配器光纤通道交换机 以太网交换机 路由器网卡服务器 数据中心 光模块的应用场景 FTTx接入网无线接入网 SDH SONET以太网MSTPWDMOTNIP RANPTN承载网POTN 谁在主宰市场 光模块厂商的多种经营 光模块的发展史 性能功耗成本 光的通路 光纤 光纤分类 按光在光纤中的传输模式分为 单模光纤和多模光纤 1多模光纤MMF 可传多种模式的光 纤芯为50 62 5 m 模间色散严重 应用于短距离传输 2单模光纤SMF 只能传输单一模式的光 纤芯为9 m 损耗低 带宽大 存在材料色散和波导色散模间色散严重 可应用于高速长距离传输 3其他类型光纤 用于光纤放大器的掺铒光纤EDF用于色散补偿的色散补偿光纤DCF用于对相位变化引起的偏振效应进行补偿的保偏光纤 G 652标准单模光纤 零色散窗口在1 3 mG 653DSF色散位移单模光纤 零色散窗口在1 55 mG 654最低衰耗单模光纤 零色散窗口在1 3 m 1 55 m衰耗最低G 655NZDSF非零色散位移单模光纤 在DSF基础上在1 55 m窗口保留一定的色散 光纤的导光原理 基本概念 1 数值孔径NA 能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角 c的正弦值 数值孔径并不是越大越好 2 截止波长 c 能使光纤实现单模传输的最小工作光波波长 单模光纤 光纤举例 多模光纤的几何尺寸与光学特性 单模光纤的几何尺寸与光学特性 单模光纤波段划分 O波段 原始波段 1260 1360nm E波段 扩展波段 1360 1460nm S波段 短波段 1460 1530nm C波段 常规波段 1530 1565nm L波段 长波段 1565 1625nm U波段 超长波段 1625 1675nm 1260 1360 1460 1530 1565 1625 1675 O E S C L U 光纤损耗 固有损耗a吸收损耗b散射损耗 附加损耗a微弯损耗b弯曲损耗c连接损耗 石英光纤损耗特性曲线 典型损耗值 0 85 m 2 5dB km1 31 m 0 35dB km1 55 m 0 18dB km 光纤色散 1概念色散描述光脉冲沿光纤传输后脉冲展宽现象 主要是因为光脉冲的前端和后端在光纤中传输的距离不一致 色散是光纤的传输的重要特性之一 光纤的色散引起传输信号的畸变 使传输质量下降 从而限制了通信容量和通信距离 光放大器的广泛应用 目前影响光纤通信系统的制约因数主要是色散 2色散的成因1光源发出的光不是单色光 他包含不同的频率成分 2调制信号有一定的带宽数字系统表现形式为具有一定频率的脉冲信号 若是全 0 或全 1 信号 色散就不会带来任何影响 光纤色散 3色散对数字信号传输的影响 1 2 3 输入脉冲 输出脉冲 时间 时间 光功率 光纤色散 例 G 652光纤在1310nm区域与1550nm区域的色散系数 色散系数的定义 每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值 光纤色散 4色散的分类1 模式色散 模间色散 多模光纤中 同一波长但不同模式的传播速度差异引起的色散 2 色度色散 模内色散 指光谱中不同波长在光纤中的群时沿差引起的光脉冲展宽现象 1 材料色散 2 波导色散3 偏振模色散偏振模色散是影响高速 10Gb s 通信系统传输距离主要因素之一 单模光纤特有 由于单模光纤结构上的缺陷或纤芯折射率分布不均匀等因素造成的 光纤非线性特性 一般在WDM系统上反映较多 Why 合波器 分波器的插入损耗 对16路波系统一般相加在10dB左右 对32路波系统一般相加在15dB左右 因此需要EDFA进行放大补偿 在放大光功率的同时 使光纤中的非线性效应大大增加 成为影响系统性能 限制中继距离的主要因素之一 1 散射效应受激布里渊散射SBS 受激拉曼散射SRS2 与克尔效应相关的影响 即与折射率密切相关自相位调制SPM 交叉相位调制XPM 四波混频效应FWM 光模块的基本原理 目前公司光模块种类 模块 40GTransponder QSFP SFP SFF xPONONU OLT BIDIModule Triple playmodule 40G 100GCFP XFP SFP 10G300pinMSA SFF 当前典型结构示例 光模块功能框图 SFP NowthedevelopmenttrendofICwhichworkundertherate2 5Gbit sisintegrationofLDdriver limitingamplifierandDDMfunctionIC 光模块功能框图 SFP ThefunctionblockdiagramissameasSFPexcepttheworkrateupto10Gbit s 14Gbit s andthemostimportanttheICmustmaitainisthelowpowerconsumptionandlowcost theintegrationofLDdriverandLimitingamplifieristhechoiceofmostmanufacturer FortheuncertaintyofDDMfunctionthatcustomerrequireto thesingleMCUispreferred Note SFP moduleintegratedwithCDRsisthetrend seedetailbelow 光模块功能框图 XFP YoucanfindtheXFPmodulehaveanadditionalfunctionwhichisCDR clockanddatarecovery comparedtotheSFP module ThedevelopmenttrendoftheICisintegrationofLDdriver LimitingamplifierandCDRwhichcanlowerthepowerconsumptionandthecost howeverthegoodperformanceofitisagreatchallengefortheICdesign Note ThereistrendtheSFP moduleintegratedwithCDRinsteadofXFPmodule 光模块功能框图 ONU OLT WhatwefocusonistheBurstmodeICwhichisdifferentfromtheothermodule suchastheburstmodeLDdriver burstmodelimitingamplifierandburstmodeTIA transimpedanceamplifier ofwhichtheburstmodeLAandTIAishardtogetinthemarket thuswesuggestyoudotheworkwithrespecttothem 光模块功能框图 QSFP JustasitsnameimpliesthatQSFP meansQuadSFP youcanfindfromthediagramthattheICsusedinitarealsointegrationwhichcansavethePCBspaceandlowerthepowerconsumption soastomeettherequirementsofapplicationwhichtoextendtheinterfacedensitywithalimitedmodulesize ThechallengeoftheICdesignisminimizethecrosstalkwhenintegratingthefourchannelsinonechip 光模块功能框图 100GCFP GearBoxhastwopaths Thetransmitdatapathreceivesdatafromtheline cardASIContenparallelCAUIlanesandtransmitsittotheopticalmoduleonfourlanes Thereceivedatapathreceivesdatafromtheopticalmoduleonfourlanesandtransmitsittotheline cardASIContenparallelCAUIlanes 光模块功能框图 100GCFP2 ThenextgenerationofCFPis100GCFP2whichisdifferentonreducingthegearboxfunction withoutthedatatransition andonlyreservetheCDRfunction 发射器件分类 EML DFB LD 接收器件分类 响应波长 1100 1650nm 管芯结构 1310nm PIN APD DIP双列直插 单PIN 850nm 类型 PIN FET PIN TIA APD TIA 封装形式 MINI DIL 同轴 ROSAPigtailLCSCFCST 应用 数字 模拟 激光器管芯种类 激光器管芯种类 激光器管芯种类 CWDM与DMDM 激光器管芯温漂 探测器管芯 TOSA和ROSA BOSA Triplexer TO CAN TIA TIA 放大器对大信号是双向限幅的光信号是单向的 0 1 光信号过大时就会产生脉冲失真 单边削波 0 1 判别就会出错 出现误码TIA就必须有AGC功能 以保证足够的信号动态范围 自动增益控制 AGC 电路 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 LDD 重要概念 直流耦合与交流耦合 光模块的主要参数及性能指标 Keyparameterofmodule 一 Transmittermodule operationtemperaturerange spectrum opticaleyediagram optical centralwavelengthrise falltimepowerofmeanspectrumwidthextinctionratioopticalisolationfrequencychirpcrossingpointSMSRSNRjitterother EMI EMC 光模块的主要参数及性能指标 Keyparameterofmodule 二 Receivermodule operationtemperaturerange spectrum optical electronic respondwavelengthsensitivityLOSdetectorsaturationjittertoleranceopticalreflectjittertransportjittergenerationEMI EMC 发射部分指标 发射光功率指模块工作时光源输出的平均光功率 单位为dBm模块内部APC环路将保持发射光功率的稳定 影响发射光功率的主要因素1光源的电光转换效率2光源驱动电路的电流能力3光源组件的耦合效率 Pavg P1 P0 2 发射部分指标 2消光比指模块输出 的平均光功率与 的平均光功率的比值 单位为dBExt r 10lgP1 P0模块内部温度补偿电路 ATC 将使模块工作在不同温度时保持消光比的稳定 测得平均效率补偿效率变化所需调制电流补偿电流设置电阻 发射部分指标 消光比是一项指标 用于描述激光功率转化为调制功率或信号功率的效率 理论情况下 在保证适当的比特误码率的情况下 消光比越大 信号所能传输的距离越远 思考 消光比是否越大越好 工作速率越高 消光比偏小 消光比对产品使用的影响 啁啾 渡越时间 驱动能力 发射部分指标 3眼图眼图的形成 当二进制码信号在示波器上显示波形时 扫描周期是码元周期的整数倍 而荧光屏的余辉作用 使多个波形叠加在一起 这样形成了类似人眼的图形 眼图 发射部分指标 4中心波长 激光器的波长有三种表示方法 峰值波长 中心波长 平均波长其中中心波长用得最多 对于DFB LD 中心波长与峰值波长值几乎相同 对于FP LD 一般用中心波长或平均波长表示激光器的工作波长 一般FP型激光器中心波长随着温度增加将以0 5nm 的速度变长一般DFB型激光器中心波长随着温度增加将以0 1nm 的速度变长因为不同波长对应的光纤衰耗及色散系数不一样 所以模块不同的传输距离对工作波长要求就不一样 对各种速率及传输距离下对波长的要求在G 957中都做了严格规定 发射部分指标 5光谱宽度 对于FP LD 一般用3dB谱宽的均方根RMS来表示对于DFB LD 以主模中心波长的最大峰值功率跌落 20dB的最大全宽表示 发射部分指标 6边模抑制比 SMSR 指激光器发射光谱中 在规定的输出光功率时最高光谱峰强度与次高光谱峰强度之比此指标仅针对DFB单纵模激光器 一般要求大于30dB传输距离越长 要求SMSR越高 7输入电信号幅度指模块要求的系统输入的电信号的幅度范围此指标一般由所选用的驱动芯片决定 接收部分指标 1灵敏度在一定误码率的条件下 模块所能接收到的最小光功率 单位为dBm 影响接收灵敏度的因素1 比特速率 Bitrate 2 发射光信号质量激光器的RIN 眼图眼开度 Opening 抖动Jitter等3 发射消光比 Ext r 4 传输后的脉冲波形失真 Distortion 5 输入光信噪比 OSNR 6 接收机的性能 响应度 暗电流 带宽 LA输入灵敏度 etc 7 空间与线路噪声影响 接收部分指标 2最小过载点在一定误码率的条件下 模块所能接收到的最大光功率 单位为dBm 影响最小过载点的主要因素1 PIN APD饱和2 TIA前放饱和 3无光告警点LOS SD指模块在输出LOS SD告警信号时对应接收到的光功率 单位为dBm 接收部分指标 2最小过载点在一定误码率的条件下 模块所能接收到的最大光功率 单位为dBm 影响最小过载点的主要因素1 PIN APD饱和2 TIA前放饱和 3无光告警点LOS SD指模块在输出LOS SD告警信号时对应接收到的光功率 单位为dBm 什么叫DDM模块 数字诊断DDM模块特点 以ESFP为例 相关产品特点概述 交流互动 SFP 管壳专利 DDM专利侵权 SFP XFP FPC软带的应用 自制LD管芯的瓶颈 调制方式多样化 直调调制 外调制 SFP XFP 直接调制 EA调制 MZ调制 xPON OLT BurstmodereceiverONU Burstmodetransmitter UpstreamofxPON TDMA xPON OLT BurstmodereceiverONU Burstmodetransmitter DownstreamofxPON Broadcast xPON 分光比 EPON 1 32GPON 1 321 641 128 ClassBClassB ClassC xPON ThepreviousapplicationwehavementionedisG EPON EPON andGPONwhichismatureinthemarket thenexthotpointis10G EPONandWDMPONwhichyoucanfurtherstudyinto andnotexplainedhere xPON的发展 QSFP ESD防护等级较高 QSFP QSFP QSFP 100GCFP 100GCFP 100GCFP 100GBASE LR4 100GCFP 100GBASE ER4 100GCFP 100GCFP CMOSICs 28Gb sTOSA 28Gb sROSA OMUX ODeMUX