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1、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
2、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 MSTP WDM OTN IP-RAN PTN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50/62.5m;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9m;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
3、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1.3m G.653 DSF色散位移单模光纤,零色散窗口在1.55m G.654 最低衰耗单模光纤,零色散窗口在1.3m, 1.55m衰耗最低 G.655 NZDSF非零色散位移单模光纤,在DSF基础上在1.55m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
4、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： 0.85m2.
5、5dB/km 1.31m0.35dB/km 1.55m0.18dB/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
6、,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W
7、DM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SRS 2）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,40G Transponder,QSFP+,SFP,SFF,xPON ONU/OLT,BIDI Module,Triple-play m
8、odule,40G/100G CFP,XFP/SFP+,10G 300pin MSA/SFF,当前典型结构示例,光模块功能框图-SFP,Now the development trend of IC which work under the rate 2.5Gbit/s is integration of LD driver, limiting amplifier and DDM function IC,光模块功能框图-SFP+,The function block diagram is same as SFP except the work rate up to 10Gbit/s14Gbit
9、/s, and the most important the IC must maitain is the low power consumption and low cost, the integration of LD driver and Limiting amplifier is the choice of most manufacturer. For the uncertainty of DDM function that customer require to, the single MCU is preferred. Note: SFP+ module integrated wi
10、th CDRs is the trend. (see detail below),光模块功能框图-XFP,You can find the XFP module have an additional function which is CDR(clock and data recovery) compared to the SFP+ module. The development trend of the IC is integration of LD driver, Limiting amplifier and CDR which can lower the power consumptio
11、n and the cost, however the good performance of it is a great challenge for the IC design. Note: There is trend the SFP+ module integrated with CDR instead of XFP module.,光模块功能框图-ONU/OLT,What we focus on is the Burst mode IC which is different from the other module, such as the burst mode LD driver,
12、 burst mode limiting amplifier and burst mode TIA(transimpedance amplifier) of which the burst mode LA and TIA is hard to get in the market, thus we suggest you do the work with respect to them.,光模块功能框图-QSFP+,Just as its name implies that QSFP+ means Quad SFP+, you can find from the diagram that the
13、 ICs used in it are also integration which can save the PCB space and lower the power consumption, so as to meet the requirements of application which to extend the interface density with a limited module size. The challenge of the IC design is minimize the crosstalk when integrating the four channe
14、ls in one chip.,光模块功能框图-100G CFP,Gear Box has two paths: The transmit datapath receives data from the line-card ASIC on ten parallel CAUI lanes and transmits it to the optical module on four lanes; The receive datapath receives data from the optical module on four lanes and transmits it to the line-
15、card ASIC on ten parallel CAUI lanes.,光模块功能框图-100G CFP2,The next generation of CFP is 100G CFP2 which is different on reducing the gear box function( without the data transition) and only reserve the CDR function.,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,
16、PIN-FET,PIN-TIA,APD-TIA,封装形式,MINI -DIL,同轴,ROSA Pigtail LC SC FC ST,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），01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Limiting Amplifier 主放大器Post
17、 Amplifier 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,Key parameter of module （一）Transmitter module( operation temperature range) spectrum: optical eye diagram: optical: central wavelength rise/fall time power of mean spectrum width extin
18、ction ratio optical isolation frequency chirp crossing point SMSR SNR jitter other: EMI/EMC,光模块的主要参数及性能指标,Key parameter of module （二）Receiver module( operation temperature range) spectrum: optical: electronic: respond wavelength sensitivity LOS detector saturation jitter tolerance optical reflect ji
19、tter transport jitter generation EMI/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dB Ext.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,
20、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F
21、P-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-20 dB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
22、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（Bit rate) 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
23、、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,
24、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: Burst mode receiver ONU: Burst mode transmitter,Upstream of xPON: TDMA,xPON,OLT: Burst mode receiver ONU: Burst mode transmitter,Downstream of xPON: Broadcast,xPO
25、N,分光比？,EPON: 1:32 GPON: 1:32 1:64 1:128,Class B Class B+ Class C+,xPON,The previous application we have mentioned is G-EPON(EPON) and GPON which is mature in the market, the next hot point is 10G-EPON and WDM PON which you can further study into, and not explained here.,xPON的发展,QSFP+,ESD防护等级较高,QSFP+,QSFP+,QSFP+,100G CFP,100G CFP,100G CFP,100GBASE-LR4,100G CFP,100GBASE-ER4,100G CFP,100G CFP,CMOS ICs,28Gb/s TOSA,28Gb/s ROSA,OMUX/ODeMUX,