光模塊基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)ppt課件

1、光模塊基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)（初級(jí) 進(jìn)階） 供應(yīng)商管理部 王誠(chéng)剛光模塊的應(yīng)用3什么是光模塊 信息信息 物理物理/ /模擬變換模擬變換 模模/ /數(shù)變換（電端機(jī)）數(shù)變換（電端機(jī)） 電電/ /光變換光變換 光纖（信光纖（信道）道） 光光/ /電變換電變換 數(shù)數(shù)/ /模變換模變換 模擬模擬/ /物理變換物理變換 信息接受者信息接受者中國(guó)領(lǐng)先的光電變換專家中國(guó)領(lǐng)先的光電變換專家！ 數(shù)字光模塊 ？ 模擬光模塊？數(shù)字光模塊是必然的發(fā)展趨勢(shì) 4光模塊的應(yīng)用場(chǎng)景物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層傳輸層會(huì)話層會(huì)話層表示層表示層應(yīng)用層應(yīng)用層開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI） 提供應(yīng)用程序間的通信接口提供應(yīng)用程序間

2、的通信接口處理數(shù)據(jù)格式、加密等處理數(shù)據(jù)格式、加密等建立、維護(hù)、管理會(huì)話建立、維護(hù)、管理會(huì)話建立主機(jī)端到端連接、傳輸建立主機(jī)端到端連接、傳輸尋址和路由選擇尋址和路由選擇提供介質(zhì)訪問(wèn)、鏈路管理等提供介質(zhì)訪問(wèn)、鏈路管理等比特流傳輸、規(guī)定電壓、比特流傳輸、規(guī)定電壓、電流、線纜、光口等電流、線纜、光口等我們的模塊工作在物理層！我們的模塊工作在物理層！5光模塊的應(yīng)用場(chǎng)景硬盤陣列磁盤驅(qū)動(dòng)主機(jī)總線適配器光纖通道交換機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī)/路由器網(wǎng)卡服務(wù)器/數(shù)據(jù)中心6光模塊的應(yīng)用場(chǎng)景FTTx接入網(wǎng)無(wú)線接入網(wǎng)SDH/SONET以太網(wǎng)MSTPWDMOTNIP-RANPTN承載網(wǎng)POTN7誰(shuí)在主宰市場(chǎng)8光模塊廠商的多種經(jīng)營(yíng)9

3、光模塊的發(fā)展史性能功耗成本光的通路 光纖11光纖分類按光在光纖中的傳輸模式分為：?jiǎn)文９饫w和多模光纖 1 多模光纖MMF:可傳多種模式的光;纖芯為50/62.5m;模間色散嚴(yán)重; 應(yīng)用于短距離傳輸.2 單模光纖SMF:只能傳輸單一模式的光;纖芯為9m;損耗低;帶寬大;存 在材料色散和波導(dǎo)色散模間色散嚴(yán)重;可應(yīng)用于高速長(zhǎng)距離傳輸.3 其他類型光纖: 用于光纖放大器的摻鉺光纖EDF 用于色散補(bǔ)償?shù)纳⒀a(bǔ)償光纖DCF 用于對(duì)相位變化引起的偏振效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)谋Ｆ饫wG.652 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖,零色散窗口在1.3mG.653 DSF色散位移單模光纖,零色散窗口在1.55mG.654 最低衰耗單模光纖,零色散

4、窗口在1.3m, 1.55m衰耗最低G.655 NZDSF非零色散位移單模光纖,在DSF基礎(chǔ)上在1.55m窗口 保留一定的色散12光纖的導(dǎo)光原理 基本概念：1）數(shù)值孔徑NA：能使光在光纖內(nèi)以全反射形式進(jìn)行傳播的接收角c的正弦值。 數(shù)值孔徑并不是越大越好。2）截止波長(zhǎng)c：能使光纖實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)淖钚」ぷ鞴獠úㄩL(zhǎng)。（單模光纖）13光纖舉例多模光纖的幾何尺寸與光學(xué)特性單模光纖的幾何尺寸與光學(xué)特性14單模光纖波段劃分O 波段（原始波段） 1260-1360nm. E 波段（擴(kuò)展波段） 1360-1460nm. S 波段（短波段） 1460-1530nm. C 波段（常規(guī)波段） 1530-1565nm.L

5、 波段（長(zhǎng)波段） 1565-1625nm. U 波段（超長(zhǎng)波段） 1625-1675nm. 1260136014601530156516251675OESCLU15光纖損耗 固有損耗 a 吸收損耗 b 散射損耗 附加損耗 a 微彎損耗 b 彎曲損耗 c 連接損耗石英光纖損耗特性曲線典型損耗值：0.85m2.5dB/km1.31m0.35dB/km1.55m0.18dB/km16光纖色散1 概念 色散描述光脈沖沿光纖傳輸后脈沖展寬現(xiàn)象，主要是因?yàn)楣饷}沖的前端和后端在光纖中傳輸?shù)木嚯x不一致。 色散是光纖的傳輸?shù)闹匾匦灾?光纖的色散引起傳輸信號(hào)的畸變,使傳輸質(zhì)量下降,從而限制了通信容量和通信距離

6、.光放大器的廣泛應(yīng)用,目前影響光纖通信系統(tǒng)的制約因數(shù)主要是色散。2 色散的成因 1 光源發(fā)出的光不是單色光,他包含不同的頻率成分. 2 調(diào)制信號(hào)有一定的帶寬 數(shù)字系統(tǒng)表現(xiàn)形式為具有一定頻率的脈沖信號(hào),若是全”0”或全”1” 信號(hào),色散就不會(huì)帶來(lái)任何影響.17光纖色散3 色散對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)挠绊?23輸入脈沖輸出脈沖+時(shí)間時(shí)間光功率18光纖色散例：G.652光纖在1310nm區(qū)域與1550nm區(qū)域的色散系數(shù)色散系數(shù)的定義：每公里的光纖由于單位譜寬所引起的脈沖展寬值19光纖色散4 色散的分類 1） 模式色散(模間色散) 多模光纖中,同一波長(zhǎng)但不同模式的傳播速度差異引起的色散. 2） 色度色散（模內(nèi)

7、色散） 指光譜中不同波長(zhǎng)在光纖中的群時(shí)沿差引起的光脈沖展寬現(xiàn)象 (1)材料色散 (2)波導(dǎo)色散 3） 偏振模色散 偏振模色散是影響高速(10Gb/s)通信系統(tǒng)傳輸距離主要因素之一（單模光纖特有，由于單模光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷或纖芯折射率分布不均勻等因素造成的）。20光纖非線性特性一般在WDM系統(tǒng)上反映較多。Why？合波器、分波器的插入損耗，對(duì)16路波系統(tǒng)一般相加在10dB左右，對(duì)32路波系統(tǒng)一般相加在15dB左右，因此需要EDFA進(jìn)行放大補(bǔ)償，在放大光功率的同時(shí)，使光纖中的非線性效應(yīng)大大增加，成為影響系統(tǒng)性能，限制中繼距離的主要因素之一。1）散射效應(yīng) 受激布里淵散射SBS、受激拉曼散射SRS2）與克

8、爾效應(yīng)相關(guān)的影響，即與折射率密切相關(guān) 自相位調(diào)制SPM、交叉相位調(diào)制XPM、四波混頻效應(yīng)FWM光模塊的基本原理22目前公司光模塊種類40G TransponderQSFP+SFPSFFxPON ONU/OLTBIDI ModuleTriple-play module40G/100G CFP XFP/SFP+10G 300pin MSA/SFF23當(dāng)前典型結(jié)構(gòu)示例24光模塊功能框圖-SFPNow the development trend of IC which work under the rate 2.5Gbit/s is integration of LD driver, limiting

9、 amplifier and DDM function ICTOSALD DriverROSAFiberDisableData inputFiberLimiting AmplifierData outputLOSMCUEEPROMSerial data interfaceDDM: Digital Diagnostic Monitoring FunctionIbias MonImod MonPRX MonPTX Mon25光模塊功能框圖-SFP+TOSALD DriverROSAFiberDisableData inputFiberLimiting AmplifierData outputLOS

10、MCUEEPROMSerial data interfaceDDM: Digital Diagnostic Monitoring FunctionIbias Mon Imod MonPRX MonPTX MonThe function block diagram is same as SFP except the work rate up to 10Gbit/s14Gbit/s, and the most important the IC must maitain is the low power consumption and low cost, the integration of LD

11、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 with CDRs is the trend. (see detail below)26光模塊功能框圖-XFPYou can find the XFP module have an additional function which

12、 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 consumption and the cost, however the good performance of it is a great challenge for the IC design.Note: There is trend the

13、SFP+ module integrated with CDR instead of XFP module.27光模塊功能框圖-ONU/OLTWhat we focus on is the Burst mode IC which is different from the other module, such as the burst mode LD driver, burst mode limiting amplifier and burst mode TIA(transimpedance amplifier) of which the burst mode LA and TIA is ha

14、rd to get in the market, thus we suggest you do the work with respect to them.28光模塊功能框圖-QSFP+Just as its name implies that QSFP+ means Quad SFP+, you can find from the diagram that the ICs used in it are also integration which can save the PCB space and lower the power consumption, so as to meet the

15、 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 channels in one chip.29光模塊功能框圖-100G CFP4:10Gear BoxTIAPINTIAPINTIAPINTIAPIN10:4Gear BoxDriverLaserDriverLaserDriverLaserDri

16、verLaserControl InterfaceRxdata1Rxdata10Txdata1Txdata10MDCMDIOOptical fiberOptical fiberGear 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 opti

17、cal module on four lanes and transmits it to the line-card ASIC on ten parallel CAUI lanes.30光模塊功能框圖-100G CFP2The 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.31發(fā)射器件分類 波長(zhǎng)波長(zhǎng)1550nm 管芯結(jié)構(gòu)管芯結(jié)構(gòu)FP-LD

18、DFB-LD 封裝形式封裝形式 同軸DIP14 雙列直插DIL14 蝶形 工作狀況工作狀況Cooler 光譜光譜 MLM SLMTOSA Pigtail LC SC FC STMINI -DILVCSEL1310nm850nmDWDMCWDM 980nmUn-cooler0+70 -40+85 EML-DFB-LD32接收器件分類 響應(yīng)波長(zhǎng)響應(yīng)波長(zhǎng) 1100-1650nm 管芯結(jié)構(gòu)管芯結(jié)構(gòu) 1310nmPIN APDDIP 雙列直插 單 PIN 850nm 類型類型PIN-FET PIN-TIAAPD-TIA 封裝形式封裝形式MINI -DIL 同軸ROSA Pigtail LC SC FC

19、ST 應(yīng)用應(yīng)用數(shù)字 模擬33激光器管芯種類34激光器管芯種類35激光器管芯種類36CWDM與DMDM37激光器管芯溫漂38探測(cè)器管芯39TOSA和ROSA40BOSA41Triplexer42TO-CANHOLDERCAPFlat- windowBall-lensAspheric-lensCouple efficiency43TIA44TIA放大器對(duì)大信號(hào)是雙向限幅的光信號(hào)是單向的（0、1）光信號(hào)過(guò)大時(shí)就會(huì)產(chǎn)生脈沖失真（單邊削波），01判別就會(huì)出錯(cuò)出現(xiàn)誤碼TIA就必須有AGC功能，以保證足夠的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制（AGC)電路45LA限幅放大器Limiting Amplifier主放大器P

20、ost Amplifier量化器Quantizer限幅放大器主要由三部分組成：直流耦合多級(jí)放大器直流漂移補(bǔ)償(自動(dòng)調(diào)零)電路光功率檢測(cè)告警電路(有滯回的比較器)46LDD47重要概念：直流耦合與交流耦合AC耦合DC耦合電路元件多24個(gè)元件最少多速率工作有低速率限制無(wú)低速率限制易于匹配元件多LD引腳不能靠近驅(qū)動(dòng)器芯片，不易匹配LD引腳直接連接LDD芯片，易于匹配，突發(fā)性能好驅(qū)動(dòng)器功耗較大較小輸出調(diào)制電流較大（不受Headroom限制）較?。ㄊ蹾eadroom限制）48光模塊的主要參數(shù)及性能指標(biāo) Key parameter of module （一）Transmitter module( oper

21、ation temperature range) spectrum: optical eye diagram: optical: central wavelength rise/fall time power of mean spectrum width extinction ratio optical isolation frequency chirp crossing point SMSR SNR jitter other: EMI/EMC49光模塊的主要參數(shù)及性能指標(biāo) Key parameter of module （二）Receiver module( operation temper

22、ature range) spectrum: optical: electronic: respond wavelength sensitivity LOS detector saturation jitter tolerance optical reflect jitter transport jitter generation EMI/EMC 50發(fā)射部分指標(biāo)發(fā)射光功率指模塊工作時(shí)光源輸出的平均光功率，單位為dBm 模塊內(nèi)部APC環(huán)路將保持發(fā)射光功率的穩(wěn)定 影響發(fā)射光功率的主要因素 1 光源的電光轉(zhuǎn)換效率 2 光源驅(qū)動(dòng)電路的電流能力 3 光源組件的耦合效率Pavg =(P1+P0)/251

23、發(fā)射部分指標(biāo)2 消光比指模塊輸出“”的平均光功率與“”的平均光功率的比值，單位為dBExt.r =10lgP1/P0模塊內(nèi)部溫度補(bǔ)償電路（ATC)將使模塊工作在不同溫度時(shí)保持消光比的穩(wěn)定52發(fā)射部分指標(biāo)消光比消光比是一項(xiàng)指標(biāo)，用于描述激光功率轉(zhuǎn)化為調(diào)制功率或信號(hào)功率的效率。理論情況下，在保證適當(dāng)?shù)谋忍卣`碼率的情況下，消光比消光比越大，信號(hào)所能傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。思考：消光比是否越大越好？工作速率越高，消光比偏??？消光比對(duì)產(chǎn)品使用的影響。-啁啾、渡越時(shí)間，驅(qū)動(dòng)能力53發(fā)射部分指標(biāo)3 眼圖 眼圖的形成：當(dāng)二進(jìn)制碼信號(hào)在示波器上顯示波形時(shí)，掃描周期是碼元周期的整數(shù)倍，而熒光屏的余輝作用，使多個(gè)波形疊加在

24、一起，這樣形成了類似人眼的圖形“眼圖”54發(fā)射部分指標(biāo)4 中心波長(zhǎng) 激光器的波長(zhǎng)有三種表示方法：峰值波長(zhǎng)、中心波長(zhǎng)、平均波長(zhǎng)其中中心波長(zhǎng)用得最多，對(duì)于DFB-LD，中心波長(zhǎng)與峰值波長(zhǎng)值幾乎相同；對(duì)于FP-LD， 一般用中心波長(zhǎng)或平均波長(zhǎng)表示激光器的工作波長(zhǎng)。一般FP型激光器中心波長(zhǎng)隨著溫度增加將以0.5nm/的速度變長(zhǎng) 一般DFB型激光器中心波長(zhǎng)隨著溫度增加將以0.1nm/的速度變長(zhǎng)因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光纖衰耗及色散系數(shù)不一樣，所以模塊不同的傳輸距離對(duì)工作波長(zhǎng)要求就不一樣。對(duì)各種速率及傳輸距離下對(duì)波長(zhǎng)的要求在G.957中都做了嚴(yán)格規(guī)定。55發(fā)射部分指標(biāo)5 光譜寬度 對(duì)于FP-LD，一般用3dB譜

25、寬的均方根RMS來(lái)表示 對(duì)于DFB-LD，以主模中心波長(zhǎng)的最大峰值功率跌落-20 dB的最大全寬表示 -3dB波長(zhǎng)相對(duì)強(qiáng)度-20dB波長(zhǎng)相對(duì)強(qiáng)度56發(fā)射部分指標(biāo)6 邊模抑制比（SMSR）指激光器發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出光功率時(shí)最高光譜峰強(qiáng)度與次高光譜峰強(qiáng)度之比此指標(biāo)僅針對(duì)DFB單縱模激光器，一般要求大于30dB 傳輸距離越長(zhǎng)，要求SMSR越高7 輸入電信號(hào)幅度指模塊要求的系統(tǒng)輸入的電信號(hào)的幅度范圍此指標(biāo)一般由所選用的驅(qū)動(dòng)芯片決定57接收部分指標(biāo)1 靈敏度 在一定誤碼率的條件下，模塊所能接收到的最小光功率，單位為dBm 影響接收靈敏度的因素 1) 比特速率（Bit rate) 2) 發(fā)射光信號(hào)質(zhì)

26、量 激光器的RIN；眼圖眼開(kāi)度(Opening)；抖動(dòng)Jitter等 3) 發(fā)射消光比(Ext.r) 4) 傳輸后的脈沖波形失真(Distortion) 5) 輸入光信噪比（OSNR） 6) 接收機(jī)的性能（響應(yīng)度、暗電流、帶寬、LA輸入靈敏度，etc） 7) 空間與線路噪聲影響58接收部分指標(biāo)2 最小過(guò)載點(diǎn) 在一定誤碼率的條件下，模塊所能接收到的最大光功率，單位為dBmn 影響最小過(guò)載點(diǎn)的主要因素 1) PIN/APD飽和 2) TIA前放飽和3 無(wú)光告警點(diǎn)LOS/SD 指模塊在輸出LOS/SD告警信號(hào)時(shí)對(duì)應(yīng)接收到的光功率，單位為dBm“0”“1”PassertPdeassert59接收部分指標(biāo)2 最小過(guò)載點(diǎn) 在一定誤碼率的條件下，模塊所能接收到的最大光功率，單位為dBmn 影響最小過(guò)載點(diǎn)的主要因素 1) PIN/APD飽和 2) TIA前放飽和3 無(wú)光告警點(diǎn)LOS/SD 指模塊在輸出LOS/SD告警信號(hào)時(shí)對(duì)應(yīng)接收到的光功率，單位為dBm“0”“1”PassertPdeassert60什么叫DDM