数字光模块基础知识介绍
光模块知识介绍
1.1 光纤系统简介
• 光纤通信主要是指利用激光作为信息的载体信号并通过光导纤维来传 递信息的通信系统，有以下优点：
– 宽的传输带宽 – 低的传输损耗 – 不受电磁干扰 – 成本低，重量轻
1.1 光纤系统简介
• 基本光纤系统的构架及其功能介绍： – 发送单元：把电信号转换成光信号； – 传输单元：载送光信号的介质； – 接收单元：接收光信号并转换成电信号； – 连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤。
内径：单模9um 多模50/62.5um
多模光纤跳线的颜色为橙色 单模光纤跳线的颜色为黄色
125 9
125 50
12 62.5 5
1.4 光纤的基本知识
• 色散(Dispersion)：光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成 的 频宽变粗。它是限制传输速率的主要因素。 – 模间色散：不同模式的光沿着不同的路径传输。 – 材料色散：不同波长的光行进速度不同。 – 波导色散：发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时， 会以稍有不同的速度行进。在单模光纤中，通过改变光 纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。
，务必戴上防尘帽； 3、盘纤的直径不能少于6cm，如图表9所示； 4、光纤跳线每插拔5次，需清洁1次； 5、一根光纤跳线任意一端连接器最多插拔5000次； 6、跳接线在使用和转移过程中不许有锐角弯折以及甩动； 7、对于外观已经损坏的光纤跳线不予使用。
光模块介绍简介PPT课件
CHENLI
驱动芯片
➢ 激光器驱动（电流） ➢ 调制器驱动（电压）
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CHENLI
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
纤通道 ➢ 电信：OC-3/STM-1、OC-12/STM-4、OC-48/STM-16
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CHENLI
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
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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
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CHENLI
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
EAM Laser
XC MC
APC
占空比控 制
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调制电压 控制
自动光功率控制
CHENLI
PIN型光接收模块功能框图
PIN/TIA
MA
2R 功能(Reshape, Reamplify)
PIN/TIA
MA
CDR
3R 功能(Reshape, Reamplify, Retime)
41 2021/3/7
光模块基础知识
光模块基础知识光模块是一种将电信号转换为光信号的装置，它是光纤通信系统中极为重要的组成部分。
光模块的主要功能是将电子设备产生的电信号转换为光信号，并通过光纤传输到目标设备。
光模块通常由光电转换器和光电转换器组成。
光电转换器负责将电信号转换为光信号，而光电转换器则负责将光信号转换为电信号。
光模块的工作原理是利用半导体材料的特性，使得当电流通过时，产生光子，并将其转换为光信号。
光模块的电子部分通常由驱动电路和接收电路组成，它们负责控制光电转换器的工作。
光模块的主要特点是高速、高带宽和低功耗。
由于光信号的传输速度非常快，因此光模块能够实现高速数据传输，满足现代通信系统对数据传输速度的要求。
此外，光模块还具有高带宽的特点，可以同时传输多个信号，从而提高通信系统的传输能力。
与传统的电信号传输相比，光模块的功耗更低，能够降低通信设备的能耗。
光模块的应用非常广泛，主要用于光纤通信系统、数据中心、计算机网络等领域。
在光纤通信系统中，光模块起到了连接发送方和接收方的桥梁作用，实现了信号的传输和接收。
在数据中心和计算机网络中，光模块用于连接服务器、交换机和路由器，实现数据的高速传输和处理。
根据不同的应用需求，光模块可以分为多种类型，如SFP光模块、QSFP光模块、CFP光模块等。
它们的主要区别在于传输速率、接口类型和尺寸等方面。
例如，SFP光模块适用于传输速率较低的应用，而QSFP光模块适用于传输速率较高的应用。
光模块的选型和使用需要考虑多个因素，如传输距离、传输速率、接口类型和成本等。
对于长距离传输，需要选择能够支持较高传输功率和较低损耗的光模块；对于高速传输，需要选择能够支持较高传输速率的光模块；对于特定的设备接口，需要选择相应类型的光模块；同时，还要考虑成本因素，选择性价比较高的光模块。
光模块作为光纤通信系统中的重要组成部分，具有高速、高带宽和低功耗的特点，广泛应用于光纤通信、数据中心和计算机网络等领域。
在选择和使用光模块时，需要考虑多个因素，以满足不同应用需求。
光模块的一些基础知识
光模块的⼀些基础知识⼀、光模块的构成：有发射激（TOSA),接受（ROSSA) 线路板 IC 外部配件⼆、光模块接⼝分为FC型、SC型、LC型、ST型和FTRJ型。
三、光收发⼀体模块分类按照速率分：以太⽹应⽤的100Base（百兆）、1000Base（千兆）、10GE SDH应⽤的155M、622M、2.5G、10G按照封装分：1×9、SFF、SFP、GBIC SFP XFP X2 XENPAK1×9封装--焊接型光模块，⼀般速率有52M/155M/622M/1.25G，多采⽤SC接⼝SFF封装--焊接⼩封装光模块，⼀般速率有155M/622M/1.25G/2.25G/4.25G，多采⽤LC接⼝GBIC封装--热插拔千兆接⼝光模块，采⽤SC接⼝SFP封装--热插拔⼩封装模块，⽬前最⾼数率可达155M/622M/1.25G/2.125G/4.25G/8G/10G，多采⽤LC接⼝XENPAK封装--应⽤在万兆以太⽹，采⽤SC接⼝XFP封装--10G光模块，可⽤在万兆以太⽹，SONET等多种系统，多采⽤LC接⼝四、按照激光类型分：LED、VCSEL、FP LD、DFB LD按照发射波长分：850nm、1310nm、1550nm等等按照使⽤⽅式分：⾮热插拔（1×9、SFF），可热插拔（GBIC、SFP、XENPAK、XFP）五、光纤模块⼜分单模和多模单模光纤使⽤的光波长为1310nm或1550 nm。
单模光纤的尺⼨为9-10/125µm 它的传输距离⼀般 10KM 20kM 40KM 70KM 120KM多模光纤使⽤的光波长多为850 nm或1310nm.多模光纤50/125µm或62.5/125µm两种，它的传输距离也不⼀样，⼀般千兆环境下50/125µm线可传输550M,62.5/125µm只可以传送330M。
(2KM 550M)从颜⾊上可以区分单模光纤和多模光纤。
光模块知识点总结
光模块知识点总结光模块是一种集成光学器件和电子器件的新型器件，其应用领域涉及通信、传感、医疗、工业等多个领域。
随着光纤通信技术和激光器技术的发展，光模块有着越来越广泛的应用需求。
本文将围绕光模块的应用、结构、工作原理等方面进行详细的介绍和总结。
一、光模块的应用光模块在通信、传感、医疗、工业等领域有广泛的应用。
在通信领域，光模块主要用于光纤通信系统中的光传输和接收。
在传感领域，光模块可以实现高精度的光电传感，用于测量光信号的强度、频率、相位等信息。
在医疗领域，光模块可以用于激光手术、光学诊断等应用。
在工业领域，光模块可以用于激光加工、光学检测等领域。
可以说，光模块在现代科技领域中有着重要的应用价值。
二、光模块的结构光模块由光学器件和电子器件组成，其中光学器件包括激光器、光电探测器、光纤耦合器、滤波器等，电子器件包括电路驱动、信号处理等。
激光器产生光信号，光电探测器接收光信号，光纤耦合器实现激光器与光纤的耦合，滤波器用于光信号的滤波，电路驱动用于控制激光器的工作，信号处理用于处理光电探测器接收到的信号。
光模块的结构复杂，需要加工、组装和调试等多个环节才能完成一套成品。
三、光模块的工作原理光模块的工作原理主要包括激光器的工作原理、光电探测器的工作原理和光纤传输的工作原理。
激光器是利用激光共振器发射激光，光电探测器是利用半导体材料的光电效应将光信号转换为电信号，光纤传输是利用光纤的全反射特性将光信号传输到远处。
光模块的工作原理在这三个方面都有着严密的理论基础，是光模块能够正常工作的基础。
四、光模块的发展趋势随着光通信和激光器技术的不断发展，光模块也在不断的改进和升级。
未来光模块的发展趋势主要包括以下几个方面：一是器件集成化，即将多个器件集成到一个芯片中，实现器件的微型化和集成化；二是器件多功能化，即实现一个器件可以实现多个功能，如同时具备激光发射和光电探测功能；三是材料先进化，即采用新型材料来提高器件的性能和稳定性；四是工艺精密化，即加工和制造技术的不断改进，实现器件的精密加工和高质量制造。
光模块基础知识
光模块基础知识光模块基础知识详解图1光模块⽰意⼀、光模块的主要组成部分光模块主要有6部分组成，分别为⾦⼿指、控制器MCU、激光驱动器、限幅放⼤器、发射端TOSA、及接收端ROSA组成。
1.1、⾦⼿指图2⾦⼿指(a)⾦⼿指如图2所⽰,主要有以下⼏个功能：1)给模块来提供供电回路；2)实现模块的热插拔的功能；3)为模块的⾼速信号提供连接；4)为模块的低速信号提供连接；5)向主机指⽰模块已经插⼊。
(b)管脚详解1)发射端地管脚标号为1、17、202)接收端地管脚标号为9、10、11、14供电回路中发射端及接收端是单独进⾏供电的，以避免相互⼲扰，同时在国际协议中发射端地级接收端地也是单独标注，但在实际中，对此也并没有严格区分，部分公司产品发射端地级接收端地是连接在⼀起的。
连接在⼀起，也可以避免APD升压产⽣⼲扰，亦符合单点接地原则。
3)发射及接收端电源15，VCCR；16,VCCT原则上来说，发射端及接收端的电源是单独供应的，这样可最⼤限度避免电源之间的相互⼲扰,主机端对发射端及接收端是单独进⾏滤波的。
图3host board典型供电电路图4)低速信号MOD-DEF2(4)、MOD-DEF1(5)；标准的I2C两线接⼝，可以完成主机到模块的双向通讯；模块中的SERIAL ID，DOM等信息都是通过这个接⼝读取出来或者写⼊；5)低速信号MOD-DEF0(6)该管脚接地，主机该管脚集电极开路，⽤于检测模块是否已经插⼊主机。
6)低速信号TXDISABLE(3)该管脚⽤于指⽰是否关闭发射端，集电极开路输出，需要关闭发射端时，该管脚为⾼电平，在模块端上拉；7)低速信号TXFAULT(2)该管脚⽤于指⽰模块发射端是否出现严重故障，若出现严重故障，TXFAULT为⾼，在主机端上拉。
8)低速信号RX-LOS(8)该管脚⽤于指⽰模块接收端是否出现严重故障，若出现严重故障，该管脚为⾼电平，在主机端上拉。
9)接收端差分信号对RD+(13)、RD-(14)此两管脚为⾼速信号接收端，⽤于接收告诉信号。
光模块基础知识
光模块基础知识光模块是一种集成光电子器件，通过将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号，实现光纤通信的传输和接收功能。
在光纤通信系统中，光模块扮演着重要的角色。
一、光模块的组成光模块由光发射器和光接收器两个基本部分组成。
1. 光发射器：光发射器采用半导体激光器或发光二极管，将电信号转换为光信号。
半导体激光器是一种将电能转换为光能的器件，通过电流注入产生激光。
发光二极管是一种将电能转换为光能的器件，通过电流注入产生非激光光源。
2. 光接收器：光接收器采用光电二极管或光电探测器，将光信号转换为电信号。
光电二极管是一种将光能转换为电能的器件，通过光照射产生电流。
光电探测器是一种将光能转换为电能的器件，通过光照射产生光电流。
二、光模块的工作原理光模块的工作原理可以简单描述为：在发送端，电信号通过光发射器转换为光信号，通过光纤传输到接收端；在接收端，光信号通过光接收器转换为电信号。
1. 发送端工作原理：电信号通过驱动电路控制光发射器，驱动电路将电信号转换为适合光发射器工作的电流或电压信号，进而激励光发射器发出相应的光信号。
光信号经过光纤传输到接收端。
2. 接收端工作原理：光信号通过光纤传输到接收端后，经过光接收器转换为电信号。
光接收器将光信号转换为电流或电压信号，并通过电路进行放大和处理，得到与原始电信号相对应的信号。
三、光模块的特性和参数光模块的特性和参数会直接影响到光纤通信系统的性能和可靠性。
1. 速率：光模块的速率指的是在光纤通信中传输的数据速率，通常以Gbps（千兆位每秒）为单位。
速率越高，传输的数据容量越大。
2. 波长：光模块的波长是指光信号在光纤中传播时的波长。
常见的波长有850nm、1310nm和1550nm等。
不同波长的光信号在光纤中传播的损耗和传输距离也会有所不同。
3. 传输距离：光模块的传输距离是指光信号在光纤中传输时的最大距离。
传输距离受到光纤损耗、光发射功率和光接收灵敏度等因素的影响。
光模块知识(全)ppt课件
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光模块基础知识介绍
• 2.1 发射部分
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光模块基础知识介绍
2.1.1 激光二极管的特性
• 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 （Threhold current）时它发出 激光
• 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
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光模块基础知识介绍
2.2.5 APD偏置电压
APD的偏置电压（即通常所说的高压）一般约为20、30几伏，而目前光 模块的工作电压一般为3.3V或5V。
APD的灵敏度随着温度的升高而降低。
为保证APD的正常工作，需要引入高压电路及相应的温度补偿措施。 APD高压电路主要包括升压电路、倍压电路 和温度补偿 三个部分。
3、眼图模板(eye pattern)
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光模块基础知识介绍
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4、接收灵敏度(Sensitivity)
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5、接收过载(overload) 光线路系统接口
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光模块基础知识介绍
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光模块基础知识介绍
2、电气接口
VCCT 和 VCCR分别是发射和接受部分电源，要求3.3V±5%，最大供电电流 300mA以上。电感的直流阻抗应该小于1欧姆，确保SFP的供电电压稳定在 3.3V。推荐的滤波网络，可以保证插拔模块时的浪涌小于30mA。
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81250 BERT
MP1570A SDH analyzer
MP1632A analyzer
数字光模块测试系统
微机, 光口示波器(DCA), 光功率计(Optical Power Meter), 误码仪(MultiRate BERT), 光衰减器(Optical Attenuator), 测试板(EV Board)及数据线(USB Control) , 单模光纤跳线(Patch Cord)若干根, 射频线(SMA Cable)若干根
2、调制电阻&斜效率范围。 斜率范围的设置可参考开发部的文档。 注意事项如下： 斜效率与调制电阻的范围必须要考虑高低温指标变化的问题。关键计算参 数为器件斜率变化％、器件的阈值电流变化范围、驱动器允许的调制电阻 &偏置电阻范围值。（无法定位的其他参数：器件阈值的拐点范围、激光 二极管接口的负载参数。）故斜效率指标除需经过指标计算外，还需经过 实验测试来定位放量值。
数字光模块基础知识介绍
内容提要
一、光模块的定义 二、光模块的分类 三、光模块的主要功能原理 四、光模块设计及调试的关键要素
一、光收发一体模块定义
光收发一体模块由光电子器件、功能电路和 光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部 分。发射部分是：输入一定码率的电信号经内部 的驱动芯片处理后驱动半导体激光器（LD）或发 光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号， 其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光信 号功率保持稳定。接收部分是：一定码率的光信 号输入模块后由光探测二极管转换为电信号。经 前置放大器后输出相应码率的电信号，输出的信 号一般为PECL电平。同时在输入光功率小于一定 值后会输出一个告警信号。
P1 ER=10log P0
(dB)
ER表示消光比，单位为dB，P1和P0分别表示逻辑1及0时的光功率。
数字光模块基本指标（三）
眼图模板容限（EMM：Eye Mask Margin） 眼图开启度，指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。无畸变眼图的开 启度应为100%。 眼图模板容限是指眼图模板扩张，直到有眼图的采样点进入到扩张区域的模 板最大扩张百分比。
三、光模块功能原理
通信方式以光波为载波，以光导纤维作为传输媒介。
信 号
光 电 端 端 机 机 （发）
光 中 继 机
光 电 端 端 机 （收） 机
信 号
光源：把电信号变成光信号，输入于光纤传输。
光检测器：把来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、 整形、再生恢复原形后输入到电端机的接收。
发射部分原理 发送部分 输入部分
接收部分原理
接收部分
光 信 号 放 光电 电信号 大 检测 器 均 衡 器 判 决 器 时 钟 恢 复
输出部分
解 码 扰 码 码型 反变换 电 信 号
AGC
输入输出缓冲
告警阈值设置 及判决输出
四、光模块设计及调试关键要素
LD接口电路：
交流耦合 直流耦合 优势：提高边沿速度、降低EMI 幅射及高频噪 优势：多速率兼容、更少的元件数量、低功耗、 声、调制电流范围宽、增大了电感容限。 易于匹配 不足：功耗大、引入了低频截止、元件数量多。 不足：调制电流范围窄、低负载阻抗遇高内阻 器件时对指标要求高。 注意事项：考虑是否需要加入补偿网络来消除 振铃和过冲？交耦电容的参数值在不同速率下 注意事项：布线尽可能的短，OUT-端负载要与 使用需要进行适当调整，特别是低频条件下 OUT+到LD的负载匹配，725型器件适用性高。 （<155M），应用于SDH、SONET系统时频接收灵敏度（Receiver Sensitivity） 衡量接收端为保证一定误码率（1×10exp(-12)）所需接收的最小平均光功率，单位为 dBm。误码率是指在较长一段时间内，经过接收端的光电转换后收到的误码码元数与 误码仪输出端给出码元数的比率。
信号丢失指示（LOS Assert）和信号丢失恢复指示（LOS Dessert） 接收器输出一个电信号，其电位高低反映出接收器所接收的光信号强度是否足够，将该 电位与预设电位比较以判定光信号是否丢失。电位比较是采用具有一定回滞效应的比 较器实现，通常用预设电信号对应的光功率作为指示，单位为dBm。
SFF模块
GBIC模块
SFP模块
PON系列 SFP+模块
单纤三向
数字 模块
XFP模块
单收单发模块
40G模块
按传输链路所使用的光纤纤芯分类
2b
2a
多模光纤(850nm VCSEL 、1310nmLED)(标准ITU-T G.651)： 纤芯直径2a＝62.5μm/50μm 包层直径2b＝125μm 单模光纤(1310nm 1550nm FP DFB、CWDM)(标准ITU-T G.652)： 纤芯直径2a＝9μm 包层直径2b＝125μm 衰减Maximum at 1310 nm 0.5 dB/km 衰减Maximum at 1550 nm 0.4 dB/km
谢 谢！
电路相关元件参数及光器件指标范围设置： 1、APC电阻&背光范围。 一般无特殊要求。理论上APC电阻对应符合Imd（常用范围为Ith +20mA ＝100～1000uA）电流的范围即可。但如遇数字电阻存有初始挡位现象时， 需合理的将器件的背光电流值进行调整。如：DS1856&50K的初始0档对应 电阻为700R，参考驱动器MAX3738 APC与Imd的IR曲线图，700R对应的 电流约在800uA。所以在遇到此类方案配置设计时，需考虑是否可将背光 范围值调整至800uA以下，以防平均功率无法调整至合格指标范围内。
数字光模块基本指标（一）
平均发送光功率（TxLOP：Optical Average Power） 平均发送光功率指信号逻辑为1时的光功率与为0时的光功率的算术平均值。
P0 +P1 PAVG = 2
(dBm)
数字光模块基本指标（二）
消光比（ER：Extinction Ratio） 信号逻辑为1时的光功率与为0时的光功率的大小之比。其计算公式为：
ATC部分
当由于某种原因，使LD的输出光功率降低时，耦合至光电二极管的电流也同比例减小，这样，通常状态下的平衡被打破，使得运放 输出端的电压增大，于是，三极管的基极电流增大，集电极电流也随之增大，而集电极电流正是流入LD的偏置电流。因此，流入激 光器的电流增大，输出光功率相应增大，从而使输出光功率保持不变。 通过以上描述，理论上我们是可以通过驱动器的APC控制来实现TE的性能指标。而由于热胀冷缩有可能导致PD机械位移等多种因 素，使得LD的出光与PD的监测光电流不是理论上的线性关系。故此现在很多光模块的TE指标控制在高端客户需求的±1dB很困难。
5、DDM监控电阻设置 。 a、需考虑监控输出的参考电压满足DAC输入端的模拟量要求 （DS1856一般为0～2.5V的模拟量检测范围，取值应不超过满量程的90 ％）。 b、监控电压必须在驱动器故障指示范围外。 (MAX3738一般要求在1V 以下）
光模块常用测试设备
Agilent 86100
Q8384 optical spectral analyzer
二、光收发一体模块分类
按照速率分： 以太网应用的100Base（百兆）、1000Base（千兆）、10GE SDH应用的155M、 622M、2.5G、10G （IEEE802.3，ITU-T G957, GR-253-CORE) 按照封装分： 1×9、SFF、SFP、GBIC、XENPAK、XFP 1×9封装--焊接型光模块，一般速度不高于千兆，多采用SC接口 SFF封装--焊接小封装光模块，一般速度不高于千兆，多采用LC接口 GBIC封装--热插拔千兆接口光模块，采用SC接口 SFP封装--热插拔小封装模块，目前最高数率可达4G，多采用LC接口 XFP封装--10G光模块，可用在万兆以太网，SONET等多种系统，多采用LC接口 按照激光类型分：LED、VCSEL、FP LD、DFB LD 按照发射波长分：850nm、1310nm、1550nm等等 按照使用方式分：非热插拔（1×9、SFF），可热插拔（GBIC、SFP、XFP）
3、接收端TIA与LA接口电阻设置。 在TIA输出端，需考虑TIA的输出阻抗是否为内置？如无则需外接电阻进 行阻抗匹配来消除抖动。 另为提高灵敏度，降低LA输入端噪声，需根据应用速率考虑是否要增 加π型补偿网络？
4、接收LOS/SD阈值电阻设置 。 电阻设置必须符合LA图表或参数列表要求，也需将高低温器件响应度 的变化考虑进去。但一般响应度在高低温下的变化很微小，基本上都忽略。
电信号 均衡
码型变换
ATC
扰码
编码
驱动
光源
光纤
时钟
APC
光监测
告警输出
调制驱 动部分 光监测 部分
APC控制部分
用背光二极管将激光二 极管的光输出转换为相 应的光电流，经APC环 路反馈来控制激光二极 管LD的偏置电流，从而 维持光输出功率恒定。 恒定功率值由外接电阻 RAPCSET设定，APC 环路的时间常数则由外 接电容CAPC确定。