光模块基础知识介绍
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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。
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。
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）
衰减Maximum at 1310 nm 0.5 dB/km 衰减Maximum at 1550 nm 0.4 dB/km
源自文库
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
电 端 机
光 端 机 （发）
光 中 继 机
光 端 机 （收）
电 端 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、
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）
GBIC模块 PON系列 单纤三向
SFF模块
数字 模块
单收单发模块
40G模块
SFP模块 SFP+模块
XFP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
接收部分原理
接收部分
光
信 号
光电 检测
电信号
放 大 器
均 衡 器
判 决 器
时
AGC
钟
恢
复
输出部分
电 信 解 扰 码型 号 码 码 反变换
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：
直流耦合 优势：多速率兼容、更少的元件数量、低功耗、
交流耦合 优势：提高边沿速度、降低EMI 幅射及高频噪 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
注意事项：布线尽可能的短，OUT-端负载要与 OUT+到LD的负载匹配，725型器件适用性高。
振铃和过冲？交耦电容的参数值在不同速率下 使用需要进行适当调整，特别是低频条件下 （<155M），应用于SDH、SONET系统时频
谢 谢！
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。
PAVG
=
P0
+P1 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：
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。
整形、再生恢复原形后输入到电端机的接收。
发射部分原理
输入部分
发送部分
ATC
电信号 均衡 码型变换 扰码 编码
驱动
光源
光纤
时钟
APC 光监测
告警输出
光监测 部分
调制驱 动部分
APC控制部分
ATC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。
率要求更高。
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。
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。
数字光模块基本指标（四）
• 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。
光模块常用测试设备
Agilent 86100
Q8384 optical spectral analyzer
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
ER=10log P1 (dB) P0
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。
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
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。
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。
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）
衰减Maximum at 1310 nm 0.5 dB/km 衰减Maximum at 1550 nm 0.4 dB/km
源自文库
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
电 端 机
光 端 机 （发）
光 中 继 机
光 端 机 （收）
电 端 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、
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）
GBIC模块 PON系列 单纤三向
SFF模块
数字 模块
单收单发模块
40G模块
SFP模块 SFP+模块
XFP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
接收部分原理
接收部分
光
信 号
光电 检测
电信号
放 大 器
均 衡 器
判 决 器
时
AGC
钟
恢
复
输出部分
电 信 解 扰 码型 号 码 码 反变换
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：
直流耦合 优势：多速率兼容、更少的元件数量、低功耗、
交流耦合 优势：提高边沿速度、降低EMI 幅射及高频噪 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
注意事项：布线尽可能的短，OUT-端负载要与 OUT+到LD的负载匹配，725型器件适用性高。
振铃和过冲？交耦电容的参数值在不同速率下 使用需要进行适当调整，特别是低频条件下 （<155M），应用于SDH、SONET系统时频
谢 谢！
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。
PAVG
=
P0
+P1 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：
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。
整形、再生恢复原形后输入到电端机的接收。
发射部分原理
输入部分
发送部分
ATC
电信号 均衡 码型变换 扰码 编码
驱动
光源
光纤
时钟
APC 光监测
告警输出
光监测 部分
调制驱 动部分
APC控制部分
ATC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。
率要求更高。
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。
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。
数字光模块基本指标（四）
• 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。
光模块常用测试设备
Agilent 86100
Q8384 optical spectral analyzer
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
ER=10log P1 (dB) P0
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。
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