光模块基本原理——解释课件.ppt

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1、光模块基本原理,1/5/2023,光模块基本原理10/2/2022,主要内容,光模块简介,光模块内部主要元器件,光模块调制方式,光模块的特点及应用,光模块原理框图,光模块主要性能指标,光模块接口电平,1/5/2023,主要内容光模块简介光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块的,光模块定义,以光器件为核心增加一些电路部分和结构件等完成相应功能的单元,1/5/2023,光模块定义以光器件为核心增加一些电路部分和结构件等完成相应,光模块分类,按速率划分：155Mb/s 622Mb/s 1.25Gb/s 2.5Gb/s 10Gb/s 等按功能划分：发射模块，接收模块，收发合一模块(transceiv

2、er,)按封装划分：19/29/SFF/GBIC/SFP/XFP/300pin等按使用条件划分：热插拔(GBIC/SFP/XFP)带插针(19/29/SFF)按应用划分：SDH/SONET,Ethernet,Fiber Channel,CWDM,DWDM等按工作模式划分：连续和突发（OLT：Optic Line Terminal，光线路终端；ONU：Optic Network Unit,光网络单元）,1/5/2023,光模块分类按速率划分：155Mb/s 622Mb/s,光模块发展历史,封装形式：1X9 SFF GBIC SFP,XFP,SFP+,传输速率：155M,622M 1.25G,2.

3、5G 4.25G,8.5G,10G,40G,功能：不带监控功能（None DDM）带数字诊断功能（DDM）,接入应用：P to P P to MP:PON(GE-PON,GPON,WDM-PON),光接口形式：尾纤型（Pigtail）；插拔型（Receptacle）光传输形式：双纤双向（MSA）；单纤双向（BiDi）,1/5/2023,光模块发展历史封装形式：1X9 SFF GBIC,光模块发展趋势,小型化,智能化,热插拔,低功耗,高速率,远距离,1/5/2023,光模块发展趋势小型化智能化热插拔低功耗高速率远距离10/2/,主要内容,光模块简介,光模块内部主要元器件,光模块调制方式,光模块的

4、特点及应用,光模块原理框图,光模块主要性能指标,光模块接口电平,1/5/2023,主要内容光模块简介光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块的,光模块内部主要元器件,探测器激光器,放大器时钟数据恢复驱动芯片MUX&DeMUX,1/5/2023,光模块内部主要元器件探测器放大器10/2/2022,光器件,光器件是由少数几个光电子元件和IC、无源元件（如电阻、电容、电感、互感、微透镜、隔离器）、光纤及金属连线组合、封装在一起，完成单项或少数几项功能的混合集成件。,1/5/2023,光器件光器件是由少数几个光电子元件和IC、无源元件（如电,光器件结构图,1/5/2023,光器件结构图10/2/202

5、2,光器件分类,如按功能，可分为：光发射器件 光接收器件按结构，可分为：TO器件(TOSA，ROSA，BOSA)；DIP（或Butterfly）器件；表面贴装（surface mount)器件等；按传输速率，可分为 155M、622M、1.25G、2.5G、10G等；传输距离，工作波长，工作方式等,1/5/2023,光器件分类如按功能，可分为：10/2/2022,探测器,光探测器 作用把光信号转变为电信号的器件.PIN探测器 P型掺杂、本征（I）和N型掺杂。APD探测器 内部具有光电倍增(或称雪崩)光电二极管.（Avalanche Photodetector),1/5/2023,探测器光探测器

6、10/2/2022,PIN探测器,响应度：,PIN探测器即P-I-N 探测器：P型掺杂IntrinsicN型掺杂,需加510V反偏电压,1/5/2023,PIN探测器响应度：PIN探测器即P-I-N 探测器：P型掺,APD探测器,响应度：,APD探测器：雪崩光电探测器（Avalanche photodetector）,需加3060V反偏电压,M与温度和反偏电压有关,1/5/2023,APD探测器响应度：APD探测器：雪崩光电探测器（Aval,激光器,FP LD(Fabry-Perot Laser)DFB LD(Distributed-Feedback Laser)VCSEL(Vertical-

7、Cavity Surface-Emitting Laser)LED(Light-Emitting Diode)EAM LD(Electro-absorption modulated lasers),1/5/2023,激光器FP LD(Fabry-Perot Laser)10,FP LD 和 DFB LD,都是边缘发光谐振腔结构不同,FPLD,DFBLD,1/5/2023,FP LD 和 DFB LD都是边缘发光FPLDDFBL,LED 和 VCSEL,都是面发光谐振腔结构不同,LED,VCSEL,1/5/2023,LED 和 VCSEL都是面发光LEDVCSEL10/2/2,EAM LD,构成

8、：TEC致冷器，激光二极管，EA调制器，背光检测二极管和，热敏电阻等,1/5/2023,EAM LD构成：TEC致冷器，激光二极管，EA调制器，背光,放大器分类,跨阻放大器：Transimpedance Amplifier（TIA）主放Main Amplifiers(MA)或后放 Post Amplifiers 限幅放大器：Limiting Amplifier(LA)自动增益控制放大器：Automatic Gain Control Amplifier(AGC).,1/5/2023,放大器分类跨阻放大器：Transimpedance Ampl,跨阻放大器（TIA）,这种I-V变换电路中有一个负反

9、馈电阻Rf，所以又被称做跨阻放大器（TIA）,低的等效输入噪声电流高输入阻抗，低输入电容足够宽的通频带fH0.75工作速率宽动态范围Rf 要足够大，以保证有足够大的输出电压,1/5/2023,跨阻放大器（TIA）这种I-V变换电路中有一个负反馈电阻Rf,主放,LA：转换速度快，功耗低，但是非线性限制了其应用AGC：在很大的动态范围都是线性的，应用范围广。例如：带均衡器的接收机。,限幅放大器,自动增益控制放大器,1/5/2023,主放LA：转换速度快，功耗低，但是非线性限制了其应用限幅放大,时钟和数据恢复（CDR）电路,在数字通信系统中，码元同步是系统正常工作的必要条件。时钟和数据恢复电路（Cl

10、ock and Data Recovery CDR）的作用就是在输入数据信号中提取时钟信号并找出数据和时钟正确的相位关系,1/5/2023,时钟和数据恢复（CDR）电路在数字通信系统中，码元同步是系统,驱动芯片,激光器驱动（电流）调制器驱动（电压）,1/5/2023,驱动芯片激光器驱动（电流）10/2/2022,MUX&DeMUX,MUX：16路并行 数据输入，经过并串转换，输出数据。（如并行数据输入为622Mb/s，那么输出数据为9.95Gb/s）DeMUX：则反过来，输入数据经过串并转换，输出16路并行 数据,1/5/2023,MUX&DeMUXMUX：16路并行 数据输入，经过并串转,主

11、要内容,光模块简介,光模块内部主要元器件,光模块调制方式,光模块的特点及应用,光模块原理框图,光模块主要性能指标,光模块接口电平,1/5/2023,主要内容光模块简介光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块的,调制方式,直接调制 外调制 EA调制（Electroabsorption Modulator）MZ调制（Mach-Zehnder Modulator）,1/5/2023,调制方式直接调制10/2/2022,直接调制,P1,P0,利用电信号的1和0控制激光器的电流大小。,1/5/2023,直接调制P1P0利用电信号的1和0控制激光器的电流大,EA调制,激光器一直处于发光状态，电信号1、0

12、作用于电吸收调制器。来控制激光器出光大小。,1/5/2023,EA调制激光器一直处于发光状态，电信号1、0 作用于,MZ调制,激光器一直处于发光状态，发出的光经过一个Y型波导分束器分出两束相位等一样的光信号，电信号控制两个干涉臂电级，使两束光信号产生不同的相位，再经过Y型合束器，1信号时，相位相同，进行叠加，0信号时，相位相差180度，光信号 抵消。,1/5/2023,MZ调制激光器一直处于发光状态，发出的光经过一个Y型波导分束,主要内容,光模块简介,光模块内部主要元器件,光模块调制方式,光模块的特点及应用,光模块原理框图,光模块主要性能指标,光模块接口电平,1/5/2023,主要内容光模块简

13、介光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块的,1X9光模块,特点：工作速率:155Mb/s1Gb/s工作电压：3.3 V或5V波长：1310nm，1550nm宽温工作范围传输距离可达80km应用数据通信：快速以太网，千兆以太网电信：OC-3/STM-1,OC-12/STM-4,1/5/2023,1X9光模块特点：10/2/2022,GBIC模块,特点：工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压：3.3 V或5V波长：850nm，1310nm，1550nm传输距离可达160km带数字诊断功能（部分）应用：数据通信：千兆以太网，1x/2x光纤通道电信：OC-3/STM-1、OC-12/STM

14、-4、OC-48/STM-16,1/5/2023,GBIC模块特点：10/2/2022,SFF模块,特点：工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压：3.3 V波长：850nm，1310nm，1550nm宽温工作范围传输距离可达80km带数字诊断功能（部分）应用：数据通信：快速以太网，千兆以太网，1x/2x/4x 光纤通道电信：OC-3/STM-1、OC-12/STM-4、OC-48/STM-16,1/5/2023,SFF模块特点：10/2/2022,SFP模块,特点：工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压：3.3 V波长：850nm，1310nm，1550nm，WDM宽温工作

15、范围传输距离可达100km+带数字诊断功能应用：数据通信：快速以太网，千兆以太网，1x/2x/4x 光纤通道电信：OC-3/STM-1、OC-12/STM-4、OC-48/STM-16,1/5/2023,SFP模块特点：10/2/2022,PON模块,特点：工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压：3.3 V传输距离可达20km带数字诊断功能应用：PON接入网,1/5/2023,PON模块特点：10/2/2022,XFP模块,特点：工作速率:10Gb/s波长：1310nm，1550nm，DWDM传输距离可达80km带数字诊断功能应用：数据通信：10G以太网，10G光纤通道电信：OC-1

16、92/STM-64,1/5/2023,XFP模块特点：10/2/2022,300-pin Transponder模块,特点：速率可达10Gb/s波长：1550nm，DWDM传输距离可达80km带数字诊断功能应用：电信：OC-192/STM-64,1/5/2023,300-pin Transponder模块特点：10/2/2,主要内容,光模块简介,光模块内部主要元器件,光模块调制方式,光模块的特点及应用,光模块原理框图,光模块主要性能指标,光模块接口电平,1/5/2023,主要内容光模块简介光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块的,典型光发射模块功能框图（直接调制）,Laser,Driver,

17、APC,Temp Sensor,AEC,自动光功率控制,自动消光比控制,XC,占空比控制,匹配电路,1/5/2023,典型光发射模块功能框图（直接调制）LaserDriverAP,典型光发射模块功能框图（外调制）,EAM Laser,Driver,APC,ATC,自动光功率控制,自动温度控制,XC,占空比控制,匹配电路,MC,BC,偏置电压控制,调制电压控制,1/5/2023,典型光发射模块功能框图（外调制）EAM LaserDriv,PIN型光接收模块功能框图,PIN/TIA,MA,PIN/TIA,MA,CDR,3R 功能(Reshape,Reamplify,Retime),2R 功能(Re

18、shape,Reamplify),1/5/2023,PIN型光接收模块功能框图PIN/TIAMAPIN/TIAM,APD型光接收模块功能框图,APD/TIA,MA,APD/TIA,MA,CDR,3R 功能(Reshape,Reamplify,Retime),2R 功能(Reshape,Reamplify),High Voltage Generation,High Voltage Generation,1/5/2023,APD型光接收模块功能框图APD/TIAMAAPD/TIAM,光收发合一模块(Transceiver)功能框图,TOSA,Driver,ROSA,MA,APC/AEC,LOS,R

19、xPower,TxPower,TxDisable,Data In,Data Out,Optical In,Optical Out,1/5/2023,光收发合一模块(Transceiver)功能框图TOSADr,带数字诊断功能(DDM)光收发合一模块功能框图,TOSA,Driver,ROSA,MA,APC/AEC,LOS,TxDisable,Data In,Data Out,Optical In,Optical Out,MCUEEPROM,I2C,1/5/2023,带数字诊断功能(DDM)光收发合一模块功能框图TOSADri,数字诊断(DDM)模块特点,1/5/2023,数字诊断(DDM)模块特

20、点10/2/2022,光收发合一模块(XFP)功能框图,TOSA,Driver,ROSA,MA,APC/AEC/ATC,LOS,TxDisable,Data In,Data Out,Optical In,Optical Out,MCUEEPROM,I2C,CDR,CDR,1/5/2023,光收发合一模块(XFP)功能框图TOSADriverROSA,Transponder模块功能框图,TOSA,Driver,ROSA,MA,APC/AEC/ATC,LOS,TxDisable,16路 并行Data In,16路 并行Data Out,Optical In,Optical Out,MCUEEPRO

21、M,I2C,MUX,DeMUX,1/5/2023,Transponder模块功能框图TOSADriverROS,TDM:Time Division Multiplex 时分多路复用 TDMA:Time Division Multiple Address 时分多路访问,PON模块,1/5/2023,TDM:Time Division Multiplex 时,ONU光收发合一模块功能框图,1/5/2023,ONU光收发合一模块功能框图10/2/2022,OLT光收发合一模块功能框图,1/5/2023,OLT光收发合一模块功能框图10/2/2022,BOSA,单纤双向光组件(Bi-Dirctiona

22、l Optical Subassembly),1/5/2023,BOSA单纤双向光组件(Bi-Dirctional Opti,主要内容,光模块简介,光模块内部主要元器件,光模块调制方式,光模块的特点及应用,光模块原理框图,光模块主要性能指标,光模块接口电平,1/5/2023,主要内容光模块简介光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块的,光模块主要性能指标,传输速率传输距离平均发射光功率消光比光眼图谱宽最小边模抑制比接收灵敏度接受器过载光通道代价抖动,1/5/2023,光模块主要性能指标传输速率10/2/2022,传输速率,传输速率指在单位时间内通过信道的平均信息量，一般有比特速率和码元速率两种

23、表示方法由于对于二进制码元，比特速率和码元速率相等比特速率指系统每秒钟传送的比特数，单位为bit/s,SDH等级 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,1/5/2023,传输速率传输速率指在单位时间内通过信道的平均信息量，一般有比,传输距离指模块在特定光纤传输系统中能够无差错传输的最大距离影响传输距离的因素：光纤（损耗、色散等），激光器（功率，波长，工作方式），探测器灵敏度，传输速率等,功率受限系统传输距离的计算:（光功率，灵敏度，光纤损耗等）目标传输距离L(km)L（PminS

24、minPb M）（K为光纤损耗系数、Pb是传输代价、M为功率裕量、Pmin发射最小光功率、Smin接收最小灵敏度）。(以G.652光纤为例)K=0.18dB/km c=1.31m K=0.35/km c=1.55m,色散受限系统传输距离的计算:（光纤模式，激光器工作方式，传输速率等）B 比特速率，D 色散系数，L为距离,传输距离,1/5/2023,传输距离指模块在特定光纤传输系统中能够无差错传输的最大距离,平均发射光功率,发送机的发射光功率和所发送的数据信号中“1”占的比例有关，“1”越多，光功率也就越大。当发送伪随机信号时，“1”和“0”大致各占一半，这时测试得到的功率就是平均发送光功率。单

25、位为dBm,和mw的关系-10logP(mw),1/5/2023,平均发射光功率发送机的发射光功率和所发送的数据信号中“1”占,消光比,光数据全部为“1”时，平均光功率为A；光数据全部为“0”时，平均光功率为B，则消光比为：EX=10lg(A/B)消光比太大，则引起啁啾声，频谱变宽，色散变大；消光比太小，则接收机很难将光的“1”和“0”分开，因此消光比不能太小，也不能很大，在协议上只规定了最小消光比。一般建议实际消光比实际光接口类型与速率传输距离有关的最低要求消光比大0.51.5dB 这不是一个绝对的数值之所以给出这么一个数值是害怕消光比太高了传输以后信号劣化太厉害导致误码产生或通道代价超标如

26、果一个光模块传输传输其标称距离以后没有产生误码并且通道代价满足指标要求只要消光比大于ITU-T建议的最低值多大都可以,1/5/2023,消光比 光数据全部为“1”时，平均光功率为A；光数据,光眼图,眼图包含了信号的上升时间、下降时间、脉冲过冲、脉冲下冲以及震荡等特性,1/5/2023,光眼图眼图包含了信号的上升时间、下降时间、脉冲过冲、脉冲下冲,抖动,上升沿时间,下降沿时间,20%,80%,判决门限电平,最佳抽样时刻,1/5/2023,抖动上升沿时间下降沿时间20%80%判决门限电平最佳抽样时刻,眼图信息,对于数字信号的质量,可通过眼图分析(过识别)来衡量,数字信号的质量包括幅度稳定度、码间干

27、扰、信号畸变、光反射、消光比、抖动过冲和张弛振荡、噪声、调制电路匹配等眼图中心眼张开度和眼皮厚度,反映码间干扰、色散、消光比的可容忍程度,以及幅度稳定度、过冲和张弛振荡、光反射、噪声的大致量度眼图上/下前沿反映带宽和电路匹配信息.陡度反映带宽,线粗度反映电路匹配信息,但过陡易产生色散相位调制和交叉相位调制眼图上/下沿交点在50%处消光比最好,但由于传输过程中光信号的脉冲宽度将会展宽，导致接收侧的交叉点相对于发送侧上移。为了有利于长距离传输保证接收侧的交叉点比例在大约50 左右，使得接收侧的灵敏度最佳。我们一般建议在发送侧把交叉点的位置稍微下移一些。一般发送侧交叉点比例建议控制在40%45%眼图

28、上/下沿交点的粗细程度反映了抖动的大小.,1/5/2023,眼图信息 对于数字信号的质量,可通过眼图分析(过识别)来,谱宽,最大均方根谱宽 发光二极管（LED）和多纵摸（MLM）激光器的参数，指光谱中比主峰小20dB 的谱宽最大-20dB 谱宽 单纵摸（SLM）激光器的参数，是用中心波长的幅度下降到20dB 处对应的波长宽度来表示,1/5/2023,谱宽最大均方根谱宽10/2/2022,最小边模抑制比,单纵摸（SLM）激光器的参数，指主纵模的平均光功率与最显著边模的光功率之比的最小值。如果太小，那么经过长距离的传输，可能会引起比较大的色散。,1/5/2023,最小边模抑制比单纵摸（SLM）激光

29、器的参数，指主纵模的平均,接收机灵敏度,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：比特速率（Bit rate)发射光信号质量（眼图；抖动，OSNR等）发射消光比 传输后的脉冲波形失真(Distortion)接收机的带宽(Bandwidth)电源纹波 串扰等,1/5/2023,接收机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,接收机过载功率,这个参数指接收机在达到规定的比特差错率所能接收到的最高平均光功率。影响最过载点的主要因素 PIN/APD饱和 TIA饱和,1/5/2023,接收机过载功率这个参数指接收机在达到规定的比特差错率所能接,光通道

30、代价,光通道代价代表了由于反射、符号间的干扰、模式分配噪声、激光器的啁啾声等引起的总的色散代价。由于发送机发出来的光不是理想的激光，而且在激光器处存在反射等等都引起了光的色散，在接收机处要对色散加以一定的处理，因此光通道代价是说明了发送机和接收机两个方面的性能。,1/5/2023,光通道代价光通道代价代表了由于反射、符号间的干扰、模式分配噪,所谓抖动，其定义为数字信号各有效瞬间相对于理论规定时间位置的短期偏离。抖动的单位为UI，所谓UI 指光传送比特率的倒数：例如10Gb/s信号，1UI=1/10G=100ps,抖动,1/5/2023,所谓抖动，其定义为数字信号各有效瞬间相对于理论规定时间位置

31、的,主要内容,光模块简介,光模块内部主要元器件,光模块调制方式,光模块的特点及应用,光模块原理框图,光模块主要性能指标,光模块接口电平,1/5/2023,主要内容光模块简介光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块的,TTL(Transistor-Transistor Logic)晶体管-晶体管逻辑电平 和LVTTL（Low Voltage TTL）PECL(Positive Emit-Coupled Logic)发射极耦合逻辑电平、LVPECL和ECLCML(Current Mode Logic)电流型逻辑电平LVDS(Low Voltage Differential Signals)低压差分

32、信号,模块接口电平,1/5/2023,TTL(Transistor-Transistor Log,TTL和LVTTL 电平,TTL：Transistor-Transistor Logic 三极管结构 Vcc：5V；VOH=2.4V；VOL=2V；VIL=2.4V；VOL=2V；VIL=0.8V。TTL使用注意：TTL电平一般过冲都会比较严重，可能在始端串22欧或33欧电阻；TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉。,1/5/2023,TTL和LVTTL 电平TTL：Transistor-Tra,ECL，PECL和LVPECL电平,ECL：Emitter Coup

33、led Logic 发射极耦合逻辑电路(差分结构)Vcc=-5.2V；VOH=-0.88V；VOL=-1.72V；VIH=-1.24V；VIL=-1.36V。速度快，驱动能力强，噪声小，很容易达到几百M的应用。但是功耗大，需要负电源。为简化电源，出现了PECL(ECL结构，改用正电压供电)和LVPECL。PECL：Pseudo/Positive ECL Vcc=5V；VOH=4.12V；VOL=3.28V；VIH=3.78V；VIL=3.64V LVPELC：Low Voltage PECL Vcc=3.3V；VOH=2.42V；VOL=1.58V；VIH=2.06V；VIL=1.94V EC

34、L、PECL、LVPECL使用注意：不同电平不能直接驱动。中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。以上三种均为射随输出结构，必须有电阻 拉到一个直流偏置电压。(如多用于时钟的LVPECL：直流匹配时用130欧上拉，同时用82欧下拉；交流匹配时用82欧上拉，同时用130欧下拉。但两 种方式工作后直流电平都在1.95V左右。),1/5/2023,ECL，PECL和LVPECL电平ECL：Emitter C,LVDS电平,LVDS：Low Voltage Differential Signaling 差分对输入输出，内部有一个恒流源3.5-4mA，在差分线上改变方向来表示0和1。通过外部的10

35、0欧匹配电阻(并在差分线上靠近接收端)转换为350mV的差分电平。LVDS使用注意：可以达到600M以上，PCB要求较高，差分线要求严格等长，差最好不超过10mil(0.25mm)。100欧电阻离接收端距离不能超过500mil，最好控制在300mil以内。,1/5/2023,LVDS电平LVDS：Low Voltage Differe,CML电平,CML电平是所有高速数据接口中最简单的一种。其输入和输出是匹配好的，减少了外围器件，适合于更高频段工作。CML 接口典型的输出电路是一个差分对形式。该差分对的集电极电阻为50，输出信号的高低电平切换是靠共发射极差分对的开关控制的。差分对的发射极到地的恒流源典型值为16 mA。,1/5/2023,CML电平CML电平是所有高速数据接口中最简单的一种。其输入,谢 谢！,1/5/2023,谢 谢！10/2/2022,