光模块概述

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光眼图
• 将光发射模块输出的(NRZ码)光信号送入取样示波器,就可以观察到光信号波 形的“眼图”
• 光脉冲信号的质量都可以在光眼图上观察到
• 光脉冲波形的上升时间、下降时间、过冲和下冲(回勾)应加以控制,以免降低 接收灵敏度
• 光脉冲形状特性由眼图模板给出,眼图模板在光通信系统的标准中都已做了具 体的规定
S=ΔP(mW)/ΔI((mA)
半导体激光器的P-I特性
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峰值波长随温度变化
半导体激光器的发射波长随结区温度而变 化。当结温升高时,半导体材料的禁区带 宽变窄,因而使激光器发射光谱的峰值波 长移向长波长,温度变化是波长漂移的主要 因素
InGaAsP/InP激光器的发射波长随 注入电流漂移的情况,此激光器没 加温度控制,由于电流的热效应, 使结温度升高,从而使发射波长漂 移
• 另一方面,加大直流偏置电流将会使光信号消光比(ER)减小, 光源消光比将直接影响接收机灵敏度
• 异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值,因此偏置电流 不能正好偏置在阈值处
• 调制电流幅度Im的选择,应根据激光器的P-I曲线,既要有足够 的输出光脉冲幅度,又要考虑到光源的负担
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外调制
• 将调制信号控制激光器后接的外调制器,利用调制器的电光、 声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变,
• 随着调制速率增加,啁啾现象愈加严重 • 解决办法:降低调制幅度,即减小消光比或者采用外部调制

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直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择
• 偏置电流使其逼近(或超过)激光器阈值(降低消光比),可以 大大减小电光延迟时间,同时使弛豫振荡得到一定程度的抑制
• 偏置于阈值附近,较小的调制脉冲电流即可得到足够的输出光 脉冲,从而可大大减小码型效应和结发热效应的影响
直接调制的特点:
• 将要传送的信息转变为电流信号注入LD • 简单、经济、容易实现 • 响应带宽有限(<10Gb/s) • 引入调制啁啾─消光比越大,啁啾就越大,即光谱宽度越宽
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(直接调制)激光二极管驱动电路
驱动电路实质上就是一个高速电流开关
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(直接调制)驱动电路原理电路
LD调制电流输出电路原理图
• 光模块的作用:完成光电转换和电光转换 信号通过光模块实现传输媒体的转换(光纤←→铜线)
电光转换
光电转换
光发射 模块
LD,LED
E/O
光纤
PD,APD
O/E
光接收 模块
电发射机
电接收机
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本课程的目的是向大家介绍光模块的概貌,由于光 模块技术是综合了许多光、电技术的前沿,因此,与 光模块相关的技术(如光纤、光器件、微电子技术等 等)没有在本课程中作详细介绍
光接收机的作用是把经过传输后的微弱光信号转换为电信号, 并放大、整形恢复光载波所携带的原信号;光接收机的原理框 图如下
偏置电压
PD/APD TIA
光接收组件(ROSA)
主放
判决/限幅放大
信号检测
DATA DATA SD/LOS
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光检测器
• 光电转换器件 • 要求: 高效率、低噪声、宽带 • 原理:光吸收
• 外调制信号啁啾小 • 外调制器以LN电光调制和EA电致吸收为主(电吸收调制器
+激光器=EML—Electlro-absorption modulated laser) • 其中激光器连续工作,发出稳定的激光,外调制器相当于一
个光开关,“1”码时开关打开,“0”码时开关断开,这 就是在激光器以外的调制 • 外调制器是由电压信号来驱动的
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• 消光比(re)的定义:
re=P1/P0 其中: P1是“1”码的光功率值
P0是“0”码的光功率值 用对数表示:
ER=10×lg(P1/P0)
• 消光比是光发射机的一个非常重要的指标,它反映 了光信号的相对幅度
• 光眼图的消光比的பைடு நூலகம்小需要综合考虑,既不能太 小,也不能太大。它的下限必须需要满足协议所 要求的最小值,同时规定相应上限保证眼图模板 余量与通道代价余量等硬性指标。所以尽管理论 上讲消光比越大越好,但是在实际工程使用中消 光比还是不能太大
• 发光二极管LED
LED发射光的谱线较宽、方向性较差,本身的响应速度又较慢,所以只 适用于速率较低的通信系统
• 主要差别
发光二极管输出非相干光 半导体激光器输出相干光
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是常见最普通的LD
• F-P LD结构示意图 可以看出它是边沿 出光的
• 激光器实质上是一个 受激发射的光振荡放大器
法布里-珀罗型激光器(F-P LD)
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• P-I曲线:激光二极管的总发射光 功率P与注入电流I的关系曲线
• 随注入电流增加,激光二极管首先 是渐渐地增加自发发射,直至开始 发射受激发射
• 阈值电流Ith:开始发射受激发射光 的电流值
• 激光器的斜率效率(电流-光转换效 率) S 表示激光器件把注入的电流转换成 从器件发射的输出光功率的效率
耗尽区宽度w,达到减小扩
散运动的影响,提高响应度 的要求由于PN结中间插入的 半导体材料近似为本征半导 体(Intrinsic),因此这种结构 称为PIN光电二极管
PIN光电二极管
PIN光电二极管及反偏时各层的场分布
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光模块使用的PIN光电二极管
光模块的PIN光电二极管常用的材料有: Si:C=1.06m,使用范围:0.5~1.0 m Ge: C=1.6m,使用范围:1.1~1.6 m InGaAs: C=1.6m,使用范围:0.9~1.6 m C为截止波长
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窄线宽 DFB 激光器
精密 温度控制
TEC
恒定 电流控制
NRZ码
外调制光发射机结构框图
EA(LN)调制器
10Gb/s 电压驱动器
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PD 激光器
DFB-LD组件
温度控制
导热
热敏电阻
温度控制电路
制冷器
• 温控电路通常由比例放大、PID(比例-积分-微分)电路、 电 流放大组成
• 控制精度达到0.01C • 波长稳定性达到200MHz/24小时(适用于密集波分复用-DWDM)
LD直流耦合接口电路原理图 20
(直接调制)驱动电路结构
一个典型的激光器驱动电路包括下列部分: 1. 差分电流开关电路—向LD输出调制电流 2. 偏置电流发生器—向LD提供直流偏置电流 3. 自动功率控制(APC)电路—在不同温度和LD老化的情况下,
改变IBIAS,保持PAVG不变 4. 故障告警、保护电路 5. 调制电流、偏置电流监控电路 6. 输入端整形电路(D触发器)
光模块概述
目录
一.前言 二.半导体激光器和光发射机 三.光探测器和光接收机 四.时钟和数据恢复(CDR)电路 五.收发一体光模块及外形封装 六.光模块技术发展趋势
附录:PAM4
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一.前言
• 光纤通信是利用光波作为载体来传递信息的
• 其中的“光波”不是自然光,而是“激光”,激光是相干光、单 色光
• 光模块是当今光纤通讯系统设备中重要的组件,它是信息吞吐的 “咽喉”
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F-P LD具有较大的光谱宽度,而且有较多的谱线,这对高 速长距离通信是非常不利的
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分布反馈激光器DFB LD
• 分布式反馈 非常好的单色性和方向性 • 它也是边沿出光的 • DFB LD已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器
DFB LD的示意结构
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垂直腔面发射激光器VCSEL
• Vertical Cavity Surface Emitting Laser • 优点:
当前光纤通信的数据信号的速率越来越高,目前单 通道速率已经达到50Gbps,这就使得光模块采用更 多的新技术、新工艺,限于片幅,本课程对此将作简 单介绍
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二.半导体激光器和光发射机
• 半导体激光器
光纤通信中最常用的光源是半导体激光器,目前光模块中常用的有以下 三种: 法布里-珀罗型激光器F-P LD 分布反馈激光器DFB LD 垂直腔面发射激光器VCSEL
消光比
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啁啾
• 激光二极管的啁啾(Chirp)特性:在直接调制激光二极管时, 不仅输出光功率随调制电流发生变化,而且光的频率也会发 生波动,即在幅度调制的同时还受到频率调制
• 频率啁啾使光脉冲的频谱展宽,展宽的频谱通过光纤的群速 度色散,导致光纤输出端光脉冲发生展宽,使系统误码增大, 这就限制了系统的信号传输距离
定程度,从而使电脉冲到来时,电光
延迟时间大大减小,而且张驰振荡现
象可以得到一定程度的抑制。随着直
流预偏置电流的增大,电光延迟时间
逐渐减小。增加直流预偏置电流也有
利于抑制张驰振荡
上升时间:从额定功率的
10%升到90%所需的时间
下降时间:从额定功率的90% 降到10%所需的时间
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• 激光二极管(LD—Laser diode) 是一个电流器件,只在它通过的 正向电流超过阈值电流Ith (Threshold current)时它发出 激光
发射光组件(TOSA)
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TOSA内部结构
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光发射机
光发射机是由将带有信息的电 信号转换成光信号的转换装置 和将光信号送入光纤的传输装 RF输入 置组成
右图是直接调制光发射机的 示意图
MD LD
放大驱动电路 (电流开关)
光功率监控 自动功率控制
直流偏置
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光源的调制方式
• 调制方式:
– 直接调制(内调制) – 间接调制(外调制)
– 发光效率高(850nm的VCSEL,10mA驱动1.5mW输出光功率) – 阈值电流极低(工作电流5~15mA,简化了驱动电路的设计) – 可单纵模也可多纵模工作 – 调制速率高 – 寿命长 – 价格低、产量高 – 可以直接在wafe上测试单个芯片的性能
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半导体激光器的工作特性
激光器件的绝对最大额定值: – 光输出功率(Po和Pf):从一个未损伤器件可辐射出的 最大连续光输出功率。 Po是从器件端面输出的光功率, Pf 是从带有尾纤器件输出的光功率 – 正向电流(IF):可以施加到器件上且不产生器件损伤的 最大连续正向电流 – 反向电压(VR):可以施加到器件上且不产生器件损伤 的最大反向电压
• 在半导体材料上,当入射光子能量h超过带隙能量时,每
当一个光子被半导体吸收就产生一个电子—空穴对。在外 加电压建立的电场作用下,电子和空穴就在半导体中渡越并 形成电流流动,称为光电流,其电流大小Ip与入射光功率Pin
成比例: I p RPin R—光电检测器的响应度(A/W)
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在PN结间插入一层非掺杂或 轻掺杂半导体材料,以增大
• 为了保持输出平均光功率和消光比 不变,在温度上升时要增大IBIAS和 IMOD
LD的温度特性
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• 光发射组件是光发射模块的主要部 件,其中光源(半导体发光二极管或激 光二极管)是核心
• 将LD芯片和监测光电二极管(MD)加 上其他元件封装在一个紧密结构中 (TO同轴封装或蝶形封装),就构成光 发射组件(TOSA)
0.15/0.85 0.36/0.65
-0.20/0.80
622.08Mbps
0.25/0.75 0.40/0.60
-0.20/0.80
1244.16Mbps
0.28/0.72 0.40/0.60
-0.20/0.80
2488.32Mbps
--0.2/0.8 0.25/0.75
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三.光检测器和光接收机
• 为了使LD高速开关工作,必须对 它加上略大于阈值电流的直流偏 置电流IBIAS
• LD的两个主要参数:阈值电流Ith 和斜效率S(Slope efficiency) 是温度的函数,且具有较大的离 散性
激光二极管的电特性
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• LD是一种半导体器件,它的温度特 性与半导体二极管类似
• 温度升高 阈值电流Ith增大 斜效率S降低
With filter
No filter
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采样示波器
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眼图波形的采样过程
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右图是ITU-T G.984.2 规定的下行光信号的眼图 模板
1+y1
1 y2
幅 度 0.5
y1 0 −y10
眼图模板示例
x1 x2
x3 x4 1
1UI
x1/x4 x2/x3 x3-x2 y1/y2
155.52Mbps
• 在长波长范围(1.26~1.65μm)都是采用InGaAs 或InGaAsP光电 检测器
它的响应度为 0.65~0.97A/W(λ=0.9~1.7μm)
• 在短波长(0.85 μm)采用Si光电检测器 它的响应度为0.5A/W左右
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半导体激光器的瞬态特性
半导体激光器具有电光转换效率高、响应速度快、可以进行直接 调制的优点, 被视为光纤通信中的理想光源。但在对半导体激光器进行脉冲调制时,激光器往 往呈现出复杂的动态特性—光电瞬态响应,主要是电光延时和弛豫振荡
可以通过在半导体激光器脉冲调制时
加直流预偏置的方法来使电脉冲到来
之前将有源区内的电子密度提高到一
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