光通信模块基础知识

光模块基础知识
一、公司光模块及命名规则介绍
Ø1. GBIC部分
GBIC是将千兆位电信号转换为光信号的接口器件。

GBIC设计上可以为热插拔使用。

GBIC是一种符合国际标准的可互换产品。

采用GBIC接口设计的千兆位交换机由于互换灵活，在市场上占有较大的市场分额。

GBIC是光纤的转接设备。

GBIC是千兆位接口转换器的简称。

本公司生产的GBIC产品一头是一个通用的GBIC头，另一头可以是走光信号的SC，也可以是走电信号的RJ45。

1) 1.25G/bps 双纤/ BIDI模块
2) 连接器SC，RJ45
3) VCSEL / FP / DFB / CWDM 发射激光器
4) 符合RoHS 标准
5) +5V电源供电
Ø2. SFP部分
• SFP可以简单的理解为GBIC的升级版本。

SFP模块(体积比GBIC模块减少一半，可以在相同面板上配置多出一倍以上的端口数量。

由于SFP模块在功能上与GBIC基本一致，因此，也被有些交换机厂商称为小型化GBIC(Mini-GBIC)。

• 1) SFP 双纤模块
• 2) 连接器LC
• 3) VCSEL / FP / DFB / CWDM 发射激光器
• 4) 符合RoHS 标准
• 5) 符合SFF-8472协议
• 6) +3.3V电源供电
ØSFP/GBIC系列命名规则
Ø 说明:此命名规则只适用于公司内部,销售对外使用时,不需区分外壳以及TOSA类型(绿色部份),且应根据客户应用不同,分为Fiber Channel、SDH/SONET等标准,对内模块不需做此划分，详见datasheet。

Ø3. BIDI部分
SFP-BIDI，GBIC-BIDI与SFP，GBIC的区别很少，可以简单的理解：SFP模块要运用两根光纤完成光信号的收发功能，而SFP-BIDI指需要一根光纤就能完成光信号的收发功能。

1) 单纤双向模块
2) 连接器SC
3) VCSEL / FP / DFB / CWDM 发射激光器
4) 符合RoHS 标准
5) 符合SFF-8472协议
6) SFP-BIDI +3.3V电源供电;GBIC-BIDI +5V电源供电
本公司生产的BIDI模块主要是分三个波段：1490nm、1310nm、1550nm。

BIDI系列命名规则
二、组件及模块相关参数介绍
Ø1. 发射组件部分
•DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈(激光器)。

采用模拟残留边带调幅(AM-VSB)信号(射频信号)直接调制激光二极管，使得光输出强度随着射频信号强度的变化而变化，因此也称为直接调制光发射机
•FP 法布里一泊罗谐振腔由两个平行的镜面构成,是激光震荡的基本条件.
•光隔离度光隔离器允许传输方向与禁止方向的光功率之比.
•正向电压Vf 当正向驱动电流If为一确定值(如对F-P LD If=Ith+20mA)时对应于发射器件(LD、LED)上的电压值.
•阈值电流Ith 半导体激光器开始震荡亦即输出功率从无到有发生跃变时的正向驱动电流.
•输出光功率Pf 通常指带尾纤发射器件的出纤光功率,对F-P类LD,Pf为Ith+20mA对应的功率.
•峰值波长Ip 对LED类产品,光谱图上很大峰值处对应的波长.对LED类产品,在0.01nm分辨峰率的光谱图上,根据其纵模分布按RMS方式计算.
•光谱宽度△I 对LED类产品,在光谱图上,相对强度下降-3dB对应的光谱宽度即为LED的光谱宽度;对F-P类LD产品,采用ITUTG.957建议很大均方根宽度定义;对DFB类LD产品,采用ITUTG.957建议很大-20dB宽度定义,即主模中心波长的很大峰值功率跌落-20dB时的很大全宽.
•边模抑制比SMSR 仅对DFB-LD类产品有意义.在0.1nm的分辨峰率下测试对应于某一电流值下的光谱图,计算全调制条件下主模与很显著旁模间相对强度的差值,以dB数表示即为边模抑制比.
Ø2. 接收组件部分
•暗电流Id 在一定的反向偏执电压VEE (如-5V)下,当无外来光功率输入时,流过光接收组件之PIN管上的电流即为暗电流.
•响应度R 在一定的反向偏执电压VEE (如-5V)下,对应于一定的输入光功率P,测试流过光接收组件之PIN管上的电流I, I/P之比值即为响应度R.
•带宽BW 接收组件在小信号输入(AGC无启动)是输出的幅频特性曲线上,当幅度下降3dB时对应的频带宽度称为宽带.
•接收灵敏度Pr 在一定的误码率(如BER=10-9)条件下,接收组件能接收到的很小平均输入光功率..
•饱和光功率Ps 在一定的误码率(如BER=10-9)条件下,光接收组件能接收到的很大平均输入光功率.
•动态范围Dy 饱和光功率与接收灵敏度的差值,单位dB.
Ø3. 发射模块部分
•平均光发射功率Po 在模块相应的速率及按要求输入信号电平的条件下,模块输出的光功率.
•消光比(Pon/Poff) 很坏反射条件时,全调制条件下传号平均光功率与空号平均光功率比值的很小值.
•眼图模板在高速率光纤系统中,发送光脉冲的形状不易控制,常常可能有上升沿,下降沿过冲、下冲和振铃现象.这些都可能导致接收机灵敏度的恶化,因此必须加以限制,为此ITUT建议G.957规范了一个发送眼图的模板.
ØSDH 同步数学体系,它是由一些网络单元组成的,在光纤或微波上进行同步信息传输、复用和交叉连接的网络.它具有全世界统一的网络节点接口和丰富的开销比特,它有一套标准的信息结构等级,分为
STM-I(155.52Mb/S),STM-4(622.08Mb/S),STM-16(2488.320Mb/S)等.
光发射器件参数定义与符合
ELED 边发光二极管,具有与半导体激光器基本相同的结构,用腔损耗的办法抑制激射,光的发散性小,适合与光纤耦合.
•DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈(激光器)。

采用模拟残留边带调幅(AM-VSB)信号(射频信号)直接调制激光二极管，使得光输出强度随着射频信号强度的变化而变化，因此也称为直接调制光发射机
•FP 法布里一泊罗谐振腔由两个平行的镜面构成,是激光震荡的基本条件.光隔离度光隔离器允许传输方向与禁止方向的光功率之比.
•正向电压Vf 当正向驱动电流If为一确定值(如对F-P LD If=Ith+20mA)时对应于发射器件(LD、LED)上的电压值.
•阈值电流Ith 半导体激光器开始震荡亦即输出功率从无到有发生跃变时的正向驱动电流.
•输出光功率Pf 通常指带尾纤发射器件的出纤光功率,对F-P类LD,Pf为Ith+20mA对应的功率.
•峰值波长Ip 对LED类产品,光谱图上很大峰值处对应的波长.对LED类产品,在0.01nm分辨峰率的光谱图上,根据其纵模分布按RMS方式计算.
•光谱宽度△I 对LED类产品,在光谱图上,相对强度下降-3dB对应的光谱宽度即为LED的光谱宽度;对F-P类LD产品,采用ITUTG.957建议很大均方根宽度定义;对DFB类LD产品,采用ITUTG.957建议很大-20dB宽度定义,即主模中心波长的很大
峰值功率跌落-20dB时的很大全宽.
•边模抑制比SMSR 仅对DFB-LD类产品有意义.在0.1nm的分辨峰率下测试对应于某一电流值下的光谱图,计算全调制条件下主模与很显著旁模间相对强度的差值,以dB数表示即为边模抑制比.
光接收组件的参数定义与符合
•暗电流Id 在一定的反向偏执电压VEE (如-5V)下,当无外来光功率输入时,流过光接收组件之PIN管上的电流即为暗电流.
•响应度R 在一定的反向偏执电压VEE (如-5V)下,对应于一定的输入光功率P,测试流过光接收组件之PIN管上的电流I, I/P之比值即为响应度R.
•带宽BW 接收组件在小信号输入(AGC无启动)是输出的幅频特性曲线上,当幅度下降3dB时对应的频带宽度称为宽带.
•接收灵敏度Pr 在一定的误码率(如BER=10-9)条件下,接收组件能接收到的很小平均输入光功率..
•饱和光功率Ps 在一定的误码率(如BER=10-9)条件下,光接收组件能接收到的很大平均输入光功率.
•动态范围Dy 饱和光功率与接收灵敏度的差值,单位dB.
光发射模块的参数定义与符号
•平均光发射功率Po 在模块相应的速率及按要求输入信号电平的条件下,模块输出的光功率.
•消光比(Pon/Poff) 很坏反射条件时,全调制条件下传号平均光功率与空号平均光功率比值的很小值.
•眼图模板在高速率光纤系统中,发送光脉冲的形状不易控制,常常可能有上升沿,下降沿过冲、下冲和振铃现象.这些都可能导致接收机灵敏度的恶化,因此必须加以限制,为此ITUT建议G.957规范了一个发送眼图的模板.
接收模块的参数定义
•光接收灵敏度Pr 在模块的工作速率下,当误码为某一数值(如BER=10-9)时的很小接收光功率,即为模块的灵敏度Pr.
•饱和光功率Ps 在模块的工作速率下,当误码为某一数值(如BER=10-9)是的很大接收光功率,即为模块的饱和光功率Ps.
•告警信号阈值(PH-L) 在模块的工作速率下,由大到小改变输入模块的光功率,当光功率减小到某一数值时,模块的告警输
出信号电平出现反转,这时的光功率即为告警信号阈值(PH-L).
•告警信号阈值(PL-H) 在模块的工作速率下,有小到大改变输入模块的光功率,当光功率增加到某一数值时,模块的告警输
出信号电平出现反转,这时的光功率即为告警信号阈值(PL-H).
•信号检滞后告警信号阈值(PH-L)和告警信号阈值(PL-H)的差值.
光模块的组成单元
光纤的色散
用一块三棱镜对着太阳光或者日光灯，我们可以看见光被分成了赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色;还有雨后的彩虹，这些都是很简单的色散现象。

顾名思义，色散就是指一束同颜色的光通过透光物质后被散开成不同颜色的光的现象。

色散是光纤的一个重要参数。

色散使得光纤中传输的光脉冲发生展宽。

色散和带宽都是衡量光脉冲展宽大小的参数。

色散越小，带宽就越大，所产生的脉冲展宽就越小;在光纤通信中，色散和带宽是一对矛盾。

色散的分类
光纤的色散主要由模式色散、材料色散和波导色散组成。

其中，材料色散与波导色散都与波长有关，所以又统称为波长色散。

Ø模式色散
在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，到达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽。

我们知道，在同一根光纤中，高次模到达终点走的路程长，低次模走的路程短，这就意味着高次模到达终点需要的时间长，低次模到达点需要的时间短。

在同一条长度相等的光纤上，很高次模与很低次模到达终点所用的时间差，就是这段光纤产生的脉冲展宽。

模式色散是多模光纤具备的，单摸不具备。

影响光纤时延差的因素有两个：纤芯-包层相对折射率差和光纤的长度。

光纤的时延差与纤芯-包层相对折射率差成正比。

其中是纤芯的折射率，是包层的折射率。

越大，时延差就会越大，光脉冲展宽也越大。

从减小光纤时延差的观点上看，希望较小为好，这种小的光纤称为弱导光纤。

通信用光纤都是弱导光纤。

另外，光纤越长，时延差也越大，色散也越大。

Ø材料色散
材料色散是由光纤材料自身特性造成的。

石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。

光纤通信实际上用的光源发出的光，并不是只有理想的单一波长(如FP多纵模激光器)，而是有一定的波谱宽度。

当光在折射率为n的介质中传播时，其速度v与空气中的光速C之间的关系为：v=C/n
光的波长不同，折射率n就不同，光传输的速度也就不同。

(找下折射率公式)因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。

Ø波导色散
光纤的第三类色散是波导色散。

由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。

这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。

进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波长的不同而异。

把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。

具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。

这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。

三种色散的比较
一般来说，光纤三种色散的大小顺序是：
模式色散>材料色散>波导色散
对于多模光纤，总色散等于三者相加，在限制带宽方面起主导作用的是模式色散，其他两个色散影响很小。

对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。

为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源。

对光纤用户来说，一般只关心光纤的总带宽或总色散。

光纤光缆在出厂时，也只标明光纤的总带宽或总色散。

怎样看待色散
光源发出的光脉冲信号耦合进光纤，在光纤中传输时，因光纤的色散特性造成了脉冲展宽。

为了解光纤的传输容量特性，就必须知道该光纤的带宽究竟有多宽，以便安排它的传输信息量。

三种色散的比较
一般来说，光纤三种色散的大小顺序是：
模式色散>材料色散>波导色散
对于多模光纤，总色散等于三者相加，在限制带宽方面起主导作用的是模式色散，其他两个色散影响很小。

对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。

为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源。

对光纤用户来说，一般只关心光纤的总带宽或总色散。

光纤光缆在出厂时，也只标明光纤的总带宽或总色散。

怎样看待色散
光源发出的光脉冲信号耦合进光纤，在光纤中传输时，因光纤的色散特性造成了脉冲展宽。

为了解光纤的传输容量特性，就必须知道该光纤的带宽究竟有多宽，以便安排它的传输信息量。

按传输模式分
按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。

多模光纤的纤芯直径为50~62.5μm，包层外直径125μm，单模光纤的纤芯直径为8.3μm，包层外直径125μm。

光纤的工作波长有短波长0.85μm、长波长1.31μm和1.55μm。

光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85μm的损耗为
2.5dB/km,1.31μm的损耗为0.35dB/km，1.55μm的损耗为0.20dB/km，这是光纤的很低损耗，波长1.65μm以上的损耗趋向加大。

由于OHˉ的吸收作用，0.90~1.30μm和1.34~1.52μm范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。

80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31μm。

Ø多模光纤
Ø多模光纤(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。

但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。

例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。

因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里多模光纤
Ø单模光纤(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。

因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。

这就是说在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。

从光纤的损耗特性来看，1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。

这样，1.31μm 波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。

1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU-T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。

很佳传输窗口为依据
按很佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。

常规型：光纤生产厂家将光纤传输频率很佳化在单一波长的光上，如1300μm。

常用光纤规
单模：8/125μm，9/125μm，10/125μm
多模：50/125μm 欧洲标准62.5/125μm 美国标准。