SFP光模塊及光接收器知識介紹

1、光模塊基本原理光模塊基本原理SFP光模塊及接收機(jī)光模塊及接收機(jī)基本原理基本原理主要內(nèi)容主要內(nèi)容光模塊簡介光模塊簡介光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊調(diào)制方式光模塊調(diào)制方式光模塊的特點及應(yīng)用光模塊的特點及應(yīng)用光模塊原理框圖光模塊原理框圖光模塊主要性能指標(biāo)光模塊主要性能指標(biāo)光模塊接口電平光模塊接口電平光模塊定義光模塊定義以光器件為核心增加一些電路部分和結(jié)構(gòu)件等完成相應(yīng)功以光器件為核心增加一些電路部分和結(jié)構(gòu)件等完成相應(yīng)功能的單元能的單元光模塊分類光模塊分類按速率劃分：按速率劃分：155Mb/s 622Mb/s 1.25Gb/s 2.5Gb/s 10Gb/s 等等按功能劃分：發(fā)射模塊，接收

2、模塊，收發(fā)合一模塊按功能劃分：發(fā)射模塊，接收模塊，收發(fā)合一模塊(transceiver,)按封裝劃分：按封裝劃分：19/ 29/SFF/GBIC/SFP/XFP/300pin等等按使用條件劃分：熱插拔按使用條件劃分：熱插拔 (GBIC/SFP/XFP) 帶插針帶插針 (19/29/SFF)按應(yīng)用劃分：按應(yīng)用劃分：SDH/SONET, Ethernet, Fiber Channel, CWDM, DWDM等等按工作模式劃分：連續(xù)和突發(fā)（按工作模式劃分：連續(xù)和突發(fā)（OLT：Optic Line Terminal，光線路終端；光線路終端；ONU ：Optic Network Unit,光網(wǎng)絡(luò)單元）光

3、網(wǎng)絡(luò)單元） 光模塊發(fā)展歷史光模塊發(fā)展歷史封裝形式：封裝形式：1X9 SFF GBIC SFP, XFP, SFP+傳輸速率：傳輸速率：155M,622M 1.25G,2.5G 4.25G, 8.5G, 10G, 40G功能：不帶監(jiān)控功能（功能：不帶監(jiān)控功能（None DDM） 帶數(shù)字診斷功能（帶數(shù)字診斷功能（DDM）接入應(yīng)用：接入應(yīng)用：P to P P to MP: PON (GE-PON, GPON, WDM-PON)光接口形式：尾纖型（光接口形式：尾纖型（Pigtail）；插拔型（）；插拔型（Receptacle）光傳輸形式：雙纖雙向（光傳輸形式：雙纖雙向（MSA）；單纖雙向（）；單纖雙向

4、（BiDi）光模塊發(fā)展趨勢光模塊發(fā)展趨勢小型化小型化智能化智能化熱插拔熱插拔低功耗低功耗高速率高速率遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離主要內(nèi)容主要內(nèi)容光模塊簡介光模塊簡介光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊調(diào)制方式光模塊調(diào)制方式光模塊的特點及應(yīng)用光模塊的特點及應(yīng)用光模塊原理框圖光模塊原理框圖光模塊主要性能指標(biāo)光模塊主要性能指標(biāo)光模塊接口電平光模塊接口電平光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊內(nèi)部主要元器件探測器探測器激光器激光器放大器放大器時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)驅(qū)動芯片驅(qū)動芯片MUX&DeMUX光器件光器件光器件是由少數(shù)幾個光電光器件是由少數(shù)幾個光電子元件和子元件和IC 、無源元件（、無源元件（如電阻、電容

5、、電感、互如電阻、電容、電感、互感、微透鏡、隔離器）、感、微透鏡、隔離器）、光纖及金屬連線組合、封光纖及金屬連線組合、封裝在一起，完成單項或少裝在一起，完成單項或少數(shù)幾項功能的混合集成件數(shù)幾項功能的混合集成件。光器件結(jié)構(gòu)圖光器件結(jié)構(gòu)圖光器件分類光器件分類如按功能，可分為：如按功能，可分為： 光發(fā)射器件光發(fā)射器件 光接收器件光接收器件按結(jié)構(gòu)，可分為：按結(jié)構(gòu)，可分為： TO器件器件(TOSA， ROSA，BOSA)； DIP（或（或Butterfly）器件；）器件； 表面貼裝（表面貼裝（surface mount) 器件等；器件等；按傳輸速率，可分為按傳輸速率，可分為 155M、622M、1.25

6、G、2.5G、10G等；等；傳輸距離，工作波長，工作方式等傳輸距離，工作波長，工作方式等 探測器探測器光探測器光探測器 作用把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷? PIN探測器探測器 P型摻雜、本征（I）和N型摻雜。 APD探測器探測器 內(nèi)部具有光電倍增(或稱雪崩)光電二極管.（Avalanche Photodetector)PIN探測器探測器響應(yīng)度：響應(yīng)度：PRIPINPIN探測器即探測器即P-I-N 探測器：探測器：P型摻雜型摻雜IntrinsicN型摻雜型摻雜 需加需加510V反偏電壓反偏電壓APDAPD探測器探測器響應(yīng)度：響應(yīng)度：APD探測器：探測器： 雪崩光電探測器（雪崩光電探測器（Avala

7、nche photodetector）RPMIAPD需加需加3060V反偏電壓反偏電壓M與溫度和反偏電壓有關(guān)與溫度和反偏電壓有關(guān)激光器激光器FP LD (Fabry-Perot Laser)DFB LD (Distributed-Feedback Laser)VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)LED (Light-Emitting Diode)EAM LD (Electro-absorption modulated lasers)FP LD 和和 DFB LD都是邊緣發(fā)光都是邊緣發(fā)光諧振腔結(jié)構(gòu)不同諧振腔結(jié)構(gòu)不同F(xiàn)PLDDFBLDLED

8、和和 VCSEL都是面發(fā)光都是面發(fā)光諧振腔結(jié)構(gòu)不同諧振腔結(jié)構(gòu)不同LEDVCSELEAM LD構(gòu)成：構(gòu)成：TEC致冷器，致冷器，激光二極管，激光二極管，EA調(diào)調(diào)制器，背光檢測二極制器，背光檢測二極管和，熱敏電阻等管和，熱敏電阻等放大器分類放大器分類 跨阻放大器：跨阻放大器：Transimpedance Amplifier（TIA ） 主放主放Main Amplifiers (MA) 或后放或后放 Post Amplifiers 限幅放大器：限幅放大器：Limiting Amplifier (LA) 自動增益控制放大器：自動增益控制放大器：Automatic Gain Control Amplif

9、ier (AGC). 跨阻放大器（跨阻放大器（TIA）這種這種I-V變換電路中有一個負(fù)反變換電路中有一個負(fù)反饋電阻饋電阻Rf，所以又被稱做跨阻，所以又被稱做跨阻放大器（放大器（TIA） 低的等效輸入噪聲電流低的等效輸入噪聲電流 高輸入阻抗，低輸入電容高輸入阻抗，低輸入電容 足夠?qū)挼耐l帶足夠?qū)挼耐l帶fH0.75工作工作速率速率 寬動態(tài)范圍寬動態(tài)范圍 Rf 要足夠大，以保證有足夠大要足夠大，以保證有足夠大的輸出電壓的輸出電壓主放主放LA：轉(zhuǎn)換速度快，功耗低，但是非線性限制了其應(yīng)用：轉(zhuǎn)換速度快，功耗低，但是非線性限制了其應(yīng)用AGC： 在很大的動態(tài)范圍都是線性的，應(yīng)用范圍廣。例如：帶均衡在很大的動

10、態(tài)范圍都是線性的，應(yīng)用范圍廣。例如：帶均衡器的接收機(jī)。器的接收機(jī)。限幅放大器限幅放大器自動增益控制放大器自動增益控制放大器時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）電路）電路在數(shù)字通信系統(tǒng)中，碼元同步是系統(tǒng)正常工作的必要條件。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，碼元同步是系統(tǒng)正常工作的必要條件。時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路（時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路（Clock and Data Recovery CDR）的）的作用就是在輸入數(shù)據(jù)信號中提取時鐘信號并找出數(shù)據(jù)和時鐘作用就是在輸入數(shù)據(jù)信號中提取時鐘信號并找出數(shù)據(jù)和時鐘正確的相位關(guān)系正確的相位關(guān)系驅(qū)動芯片驅(qū)動芯片激光器驅(qū)動（電流）激光器驅(qū)動（電流）調(diào)制器驅(qū)動（電壓）調(diào)制器驅(qū)動（電壓）

11、MUX &DeMUX MUX：16路并行 數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)。（如并行數(shù)據(jù)輸入為622Mb/s ，那么輸出數(shù)據(jù)為9.95Gb/s） DeMUX：則反過來，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，輸出16路并行 數(shù)據(jù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容光模塊簡介光模塊簡介光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊調(diào)制方式光模塊調(diào)制方式光模塊的特點及應(yīng)用光模塊的特點及應(yīng)用光模塊原理框圖光模塊原理框圖光模塊主要性能指標(biāo)光模塊主要性能指標(biāo)光模塊接口電平光模塊接口電平調(diào)制方式調(diào)制方式直接調(diào)制直接調(diào)制 外調(diào)制外調(diào)制 EA調(diào)制（調(diào)制（Electroabsorption Modulator） MZ調(diào)制（調(diào)制（Mach-Z

12、ehnder Modulator）直接調(diào)制直接調(diào)制P1P0利用電信號的利用電信號的1和和0控制激光器的電流大小。控制激光器的電流大小。EA調(diào)制調(diào)制激光器一直處于發(fā)光狀態(tài)，電信號激光器一直處于發(fā)光狀態(tài)，電信號1、0 作用于電吸作用于電吸收調(diào)制器。收調(diào)制器。 來控制激光器出光大小。來控制激光器出光大小。MZ調(diào)制調(diào)制激光器一直處于發(fā)光狀態(tài)，發(fā)出的光經(jīng)過一個激光器一直處于發(fā)光狀態(tài)，發(fā)出的光經(jīng)過一個Y型波導(dǎo)分束器分出兩型波導(dǎo)分束器分出兩束相位等一樣的光信號，束相位等一樣的光信號， 電信號控制兩個干涉臂電級，使兩束光信電信號控制兩個干涉臂電級，使兩束光信號產(chǎn)生不同的相位，再經(jīng)過號產(chǎn)生不同的相位，再經(jīng)過Y型

13、合束器，型合束器，1信號時，相位相同，進(jìn)信號時，相位相同，進(jìn)行疊加，行疊加，0信號時，相位相差信號時，相位相差180度，光信號度，光信號 抵消。抵消。主要內(nèi)容主要內(nèi)容光模塊簡介光模塊簡介光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊調(diào)制方式光模塊調(diào)制方式光模塊的特點及應(yīng)用光模塊的特點及應(yīng)用光模塊原理框圖光模塊原理框圖光模塊主要性能指標(biāo)光模塊主要性能指標(biāo)光模塊接口電平光模塊接口電平1X9光模塊光模塊特點：特點： 工作速率: 155Mb/s1Gb/s 工作電壓：3.3 V或5V 波長：1310nm，1550nm 寬溫工作范圍 傳輸距離可達(dá)80km應(yīng)用應(yīng)用數(shù)據(jù)通信：快速以太網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)電信： OC

14、 -3/STM -1, OC -12/STM -4GBIC模塊模塊特點：特點： 工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s 工作電壓：3.3 V或5V 波長：850nm，1310nm，1550nm 傳輸距離可達(dá)160km 帶數(shù)字診斷功能（部分）應(yīng)用：應(yīng)用： 數(shù)據(jù)通信：千兆以太網(wǎng)，1x/2x光纖通道 電信：OC-3/STM-1、OC-12/STM-4、 OC-48/STM-16 SFF模塊模塊特點：特點： 工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s 工作電壓：3.3 V 波長：850nm，1310nm，1550nm 寬溫工作范圍 傳輸距離可達(dá)80km 帶數(shù)字診斷功能（部分）應(yīng)用：應(yīng)用： 數(shù)據(jù)通信：快

15、速以太網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)，1x/2x/4x 光纖通道 電信：OC -3/STM-1、OC -12/STM-4、OC-48/STM-16 SFP模塊模塊特點：特點：工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作電壓：3.3 V波長：850nm，1310nm，1550nm，WDM寬溫工作范圍傳輸距離可達(dá)100km+帶數(shù)字診斷功能應(yīng)用：應(yīng)用：數(shù)據(jù)通信：快速以太網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)，1x/2x/4x 光纖通道電信：OC-3/STM-1、OC-12/STM-4、OC-48/STM-16 PON模塊模塊特點：特點： 工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s 工作電壓：3.3 V 傳輸距離可達(dá)20km 帶數(shù)字診斷功能應(yīng)

16、用：應(yīng)用： PON接入網(wǎng)XFP模塊模塊特點：特點： 工作速率:10Gb/s 波長：1310nm，1550nm，DWDM 傳輸距離可達(dá)80km 帶數(shù)字診斷功能應(yīng)用：應(yīng)用： 數(shù)據(jù)通信：10G以太網(wǎng)，10G光纖通道 電信： OC -192/STM -64300-pin Transponder模塊模塊特點：特點： 速率可達(dá)10Gb/s 波長：1550nm，DWDM 傳輸距離可達(dá)80km 帶數(shù)字診斷功能應(yīng)用：應(yīng)用： 電信： OC -192/STM -64主要內(nèi)容主要內(nèi)容光模塊簡介光模塊簡介光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊調(diào)制方式光模塊調(diào)制方式光模塊的特點及應(yīng)用光模塊的特點及應(yīng)用光模塊原理框

17、圖光模塊原理框圖光模塊主要性能指標(biāo)光模塊主要性能指標(biāo)光模塊接口電平光模塊接口電平典型光發(fā)射模塊功能框圖（直接調(diào)制）典型光發(fā)射模塊功能框圖（直接調(diào)制）LaserDriverAPCTemp SensorAEC 自動光功率控制自動光功率控制自動消光自動消光比控制比控制XC占空比控制占空比控制匹配電路匹配電路典型光發(fā)射模塊功能框圖（外調(diào)制）典型光發(fā)射模塊功能框圖（外調(diào)制） EAM LaserDriverAPCATC 自動光功率控制自動光功率控制自動溫度自動溫度控制控制XC占空比控占空比控制制匹配電路匹配電路MCBC 偏置電壓偏置電壓控制控制調(diào)制電壓調(diào)制電壓控制控制PIN型光接收模塊功能框圖型光接收模塊

18、功能框圖PIN/TIAMAPIN/TIAMACDR3R 功能功能(Reshape, Reamplify, Retime)2R 功能功能(Reshape, Reamplify)APD型光接收模塊功能框圖型光接收模塊功能框圖APD/TIAMAAPD/TIAMACDR3R 功能功能(Reshape, Reamplify, Retime)2R 功能功能(Reshape, Reamplify)High Voltage GenerationHigh Voltage Generation光收發(fā)合一模塊光收發(fā)合一模塊(Transceiver)功能框圖功能框圖TOSADriverROSAMAAPC/AECLOS

19、RxPowerTxPowerTxDisableData InData OutOptical InOptical Out帶數(shù)字診斷功能帶數(shù)字診斷功能(DDM)光收發(fā)合一模塊功能框圖光收發(fā)合一模塊功能框圖TOSADriverROSAMAAPC/AECLOSTxDisableData InData OutOptical InOptical OutMCUEEPROMI2C 數(shù)字診斷數(shù)字診斷(DDM)模塊特點模塊特點光收發(fā)合一模塊光收發(fā)合一模塊(XFP)功能框圖功能框圖TOSADriverROSAMAAPC/AEC/ATCLOSTxDisableData InData OutOptical InOpti

20、cal OutMCUEEPROMI2C CDRCDRTransponder模塊功能框圖模塊功能框圖TOSADriverROSAMAAPC/AEC/ATCLOSTxDisable16路路 并行并行Data In16路路 并行并行Data OutOptical InOptical OutMCUEEPROMI2C MUXDeMUXTDM: Time Division Multiplex 時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用 TDMA: Time Division Multiple Address 時分多路訪問時分多路訪問PON模塊模塊ONU光收發(fā)合一模塊功能框圖光收發(fā)合一模塊功能框圖OLT光收發(fā)合一模塊功能框圖

21、光收發(fā)合一模塊功能框圖BOSA 單纖雙向光組件單纖雙向光組件(Bi-Dirctional Optical Subassembly)主要內(nèi)容主要內(nèi)容光模塊簡介光模塊簡介光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊內(nèi)部主要元器件光模塊調(diào)制方式光模塊調(diào)制方式光模塊的特點及應(yīng)用光模塊的特點及應(yīng)用光模塊原理框圖光模塊原理框圖光模塊主要性能指標(biāo)光模塊主要性能指標(biāo)光模塊接口電平光模塊接口電平光模塊主要性能指標(biāo)光模塊主要性能指標(biāo)傳輸速率傳輸速率傳輸距離傳輸距離平均發(fā)射光功率平均發(fā)射光功率消光比消光比光眼圖光眼圖譜寬譜寬最小邊模抑制比最小邊模抑制比接收靈敏度接收靈敏度接受器過載接受器過載光通道代價光通道代價抖動抖動傳輸速率傳輸速

22、率傳輸速率指在單位時間內(nèi)通過信道的平均信息量，一般有傳輸速率指在單位時間內(nèi)通過信道的平均信息量，一般有比特速率和碼元速率兩種表示方法由于對于二進(jìn)制碼元，比特速率和碼元速率兩種表示方法由于對于二進(jìn)制碼元，比特速率和碼元速率相等比特速率指系統(tǒng)每秒鐘傳送的比特速率和碼元速率相等比特速率指系統(tǒng)每秒鐘傳送的比特數(shù)，單位為比特數(shù)，單位為bit/s SDH等級等級 系列比特率系列比特率STM-1 155.52Mb/s STM-4 622.08Mb/s STM-16 2.48832Gb/s STM-64 9.95328Gb/s傳輸距離指模塊在特定光纖傳輸系統(tǒng)中能夠無差錯傳輸?shù)淖畲缶嚯x傳輸距離指模塊在特定光纖傳

23、輸系統(tǒng)中能夠無差錯傳輸?shù)淖畲缶嚯x影響傳輸距離的因素：光纖（損耗、色散等），激光器（功率，波長，影響傳輸距離的因素：光纖（損耗、色散等），激光器（功率，波長，工作方式），探測器靈敏度，傳輸速率等工作方式），探測器靈敏度，傳輸速率等 功率受限系統(tǒng)傳輸距離的計算功率受限系統(tǒng)傳輸距離的計算:（光功率，靈敏度，光纖損耗等）（光功率，靈敏度，光纖損耗等） 目標(biāo)傳輸距離目標(biāo)傳輸距離L(km) L=2.4V；VOL=2V；VIL=2.4V；VOL=2V；VIL=0.8V。 TTL使用注意：TTL電平一般過沖都會比較嚴(yán)重，可能在始端串22歐或33歐電阻； TTL電平輸入腳懸空時是內(nèi)部認(rèn)為是高電平。要下拉的話應(yīng)用

24、1k以下電阻下拉。ECL，PECL和和LVPECL電平電平 ECL：Emitter Coupled Logic 發(fā)射極耦合邏輯電路發(fā)射極耦合邏輯電路(差分結(jié)構(gòu)差分結(jié)構(gòu)) Vcc=-5.2V；VOH=-0.88V；VOL=-1.72V；VIH=-1.24V；VIL=-1.36V。 速度快，驅(qū)動能力強(qiáng)，噪聲小，很容易達(dá)到幾百速度快，驅(qū)動能力強(qiáng)，噪聲小，很容易達(dá)到幾百M的應(yīng)用。但是功耗大，的應(yīng)用。但是功耗大，需要負(fù)電源。為簡化電源，出現(xiàn)了需要負(fù)電源。為簡化電源，出現(xiàn)了PECL(ECL結(jié)構(gòu)，改用正電壓供電結(jié)構(gòu)，改用正電壓供電)和和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 ECL、PECL、LVPECL使用注意：不同電平不能直接驅(qū)動。中間可用交使用注意：不同電平不能直接驅(qū)動。中間可用交流耦合、電阻網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ眯酒M(jìn)行轉(zhuǎn)換。以上三種均為射隨輸出結(jié)構(gòu)，