光模块工作原理

伪随机二进制序列(PRBS)
• 在测试通信系统的性能时,经常使用的编码图案是 不归零码(NRZ)伪随机二进制序列(PRBS— Pseudo Random Binary Sequence) • PRBS相当于“随机数据”(在一个序列长度内的 数据‘0’和‘1’码是随机排列,且‘0’和‘1’码的数 目相等),因此它的频谱特征(在有限频带内)与白噪 声接近,所以它适合用于测试通信系统的性能 • 但是这种数据的排列规则又是确定的,序列长度为 2n-1比特，每隔2n-1个比特就重复同样的一组“随 机数据”,这样就为测试误码率提供了方便
PON技术特点
• • • PON与光模块有关的技术特点： 在OLT到ONU 下行方向采用TDM (Time Division Multiplexing ) 方式,以广播方式送至每一个ONU,OLT的发 送部分和ONU的接收部分都是连续工作方式 ONU到OLT 的上行信号的传输采用TDMA (Time Division Multiple Access)技术; OLT的接收部分和ONU的发送部分 都是突发模式工作 OLT光接收机必须能够适应不同ONU 信号的不同光功率, 接收机需要有一个很大的动态范围,并设定判决门限,以最 快的速度来判决; OLT光接收机必须能够迅速恢复从不同 节点传来的每个突发信号的正确时钟,在上行信元到达OLT 的前几个bits内实现快速突发比特同步 ONU光发送机必须能够快速开/关; 当发送机不发送时只能 “泄漏”极小的光功率—比接收灵敏度低10dB
光模块在通信设备中的作用
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
LD,LED PD,APD
光电转换
光发射 模块 E/O 电发射机
光纤 O/E
光接收 模块
电接收机
光发射模块
光发射模块是由将带 有信息的电信号转换 成光信号的转换装置 RF输入 和将光信号送入光纤 的传输装置组成 右图是光发射模块的 示意图
•
APON/BPON
• APON是基于ATM的PON 其标准是G.983.1 工作速率为155Mbps 622Mbps 上行光波长为1310nm 下行光波长为1550nm • BPON即宽带PON 是在APON基础上加上动态带宽分配 (DBA) 在G.983.3/.4/.5指定了标准；通常下行为622Mbps 上行为155Mbps(或622Mbps)；(G.983.1AMD下行速率可 达到1.25Gbps) • 上行光波长为1310nm 下行光波长为1490nm 1550nm作为传输视频信号用 • 传输码型为扰码的不归零码,CID抗扰度大于72bit
LD的温度特性
• LD是半导体器件，它的 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 • 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
光发射组件(TOSA)
• 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)
锁相环(PLL)电路
• 基本锁相环(PLL)电路主要由三部分组成： 相位检测器(鉴相器 PD) 低通滤波器(LPF) 压控振荡器(VCO)
CDR典型电路(1)
D Flip-Flop
光收发一体模块
• 由于微电子技术、有源和无源光器件技术的发展, 将传统的分离发射、接收模块组装在同一外壳中 的光收发一体模块近年来已经成为普通光模块的 主流产品 • 这种光收发一体模块的优点： 小型化—目前做到SFF、SFP封装,目前还有进一 步小型化的趋势 降低成本 可靠性提高 性能提高—由于PCB缩小,寄生参数减小,高频性能 提高
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 • 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
眼图ຫໍສະໝຸດ Baidu板
右图是EPON 上行IEEE802.3ah 2004规定的眼图模板 下图是GPON上行G.984.2 规定 的的眼图模板
1+y1
1 y2 幅 0.5 度 y1 0 −y1 0 x1 x2 1UI x3 x4 1
{0.22UI, 0.375UI, 0.20UI, 0.20UI, 0.30UI}
Error Detector Data
Optical Transmitter Optical Variabl Attenuator Optical Receiver
Data
Decision Circuit
Error Detector
Counter
Optical Powermater Clock Buffer
光收发一体模块的构成
光源（激光器） + 驱动器
光收发一体模块 =
光电检测器
+
+ 放大器
单纤双向光组件(BOSA)
• 单纤双向光组件(BOSA) 是将光源(FP-LD或DFBLD)、PIN-TIA、分光片 、光纤等另部件用同轴 耦合工艺全部集成于一 体
WDM分光片
λ1 λ2
TO-LD 光纤
TO-PIN-TIA
无源光网络(PON)
• 接入有多种方式— 点对点(以太网)、铜线、XDSL、无线 (WLAN)、XPON等 • 无源光网络(PON)一直被认为是光接入网中颇具应用前景 的技术，它打破了传统的点到点解决方法，在解决宽带接 入问题上是一种经济的、面向未来多业务的用户接入技术 • PON自出现以来，已经过多年的发展，形成了APON、 BPON、GPON、 EPON等一系列概念、规范及产品序列 • PON作为一种点到多点的光网络，指的是信号的通道从源 头到目的节点间都是通过无源器件完成的，这些无源的器 件包括单模光纤光缆、无源光分束器/耦合器、连接器和 接头等等
光眼图实例
光接收模块
• 光接收模块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、整形恢复为原输入的电信 号；光接收模块的原理框图如下
偏置电压
PD/APD TIA 光接收组件(ROSA)
主放
DATA 判决/限幅放大 DATA SD/LOS
信号检测
光接收器件
• 光接收器件是利用光电效应把通信中光信 号转换为电信号的光电检测器 • 光纤通信中常用的光电检测器是PIN光电二 极管和雪崩光电二极管(APD) • PIN的响应度通常为 0.65～0.97A/W(λ=0.9～1.7μm) • APD是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍 增的高灵敏度光电检测器,它可以使接收灵 敏度提高6～10dB
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
驱动电路原理电路
LD调制电流输出电路原理图
LD直流耦合接口电路原理图
激光器驱动电路原理图
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)
抖 动
• 抖动是数字信号的取样时刻相对于理想参 考时刻位置的短时间偏离,抖动的单位是UI, 即1bit码时间间隔 • 光模块电路中的直流漂移和耦合电容都会 引起输出光信号或电信号的抖动,信号的抖 动会造成通信系统性能下降,因此,抖动性能 也是光发射和光接收的重要指标
时钟和数据恢复(CDR)电路
• 在数字通信系统中,码元同步是系统正常工 作的必要条件 • 时钟和数据恢复电路(Clock and Data Recovery —CDR)的作用就是在输入数据 信号中提取时钟信号并找出数据和时钟正 确的相位关系 • CDR电路大多基于锁相环(PLL)原理
MD 放大驱动电路 (电流开关) LD
光功率监控 自动功率控制
直流偏置
光发射器件(FP-LD、DFB-LD)
法布里-帕罗型激光二极管(FP-LD)和分布 反馈激光二极管(DFB-LD)是光通信设备中 最常用的半导体光发射器件,与其他激光器 相比,LD具有体积小、重量轻、低功率驱动 、输出光功率大、调制方便、寿命长和易 于集成等一系列优点,这两种LD是目前在接 入网光模块只用得最多的光发射器件
用于宽带接入网的光模块 工作原理
光通事业部：李远谋 2009-9-01
内容摘要
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 光模块在光通信设备中的作用 光发射组件和光发射模块基本原理 光接收组件和光接收模块基本原理 单纤双向(收发一体)光模块基本原理 用于PON的突发式光模块 光模块发展趋势 光模块常见失效模式
• 经光电探测器产生的微弱信 号电流,由前置放大器转换成 有足够幅度的信号电压输出 • 为适应高速率应用,前置放大 器由跨阻放大器(TIA— Tranimpedance Amplifier )构 成 • 跨阻放大器就是一个I-V变换 器 • TIA中还有AGC功能电路，以 保证足够的信号动态范围
前置(跨阻)放大器
误码仪(BERT)
• 误码仪(Bit Error Ratio Tester)由图案发生器和误 码分析仪组成 • 它通过比较图案发生器产生的数据码和光接收机 收到并转换成电信号的数据码来测试待测光接收 机在不同输入光功率时的误码率
Patter Generator
Clock Source Pattern Generator Data Buffer
限幅放大器工作原理和典型电路
限幅放大器主要由三 部分组成： 直流耦合多级放大器 直流漂移补偿(自动调 零)电路 光功率检测告警电路( 有滞回的比较器)
接收灵敏度
• 接收灵敏度指光接收机满 足指定比特误码率(如10-10 或10-12)时可接收的最小平 均光功率(dBm) 这是光接收机的重要指标 之一 • 噪声是限制接收灵敏度的 最主要因素 • 右图就是误码率和信噪比 的关系曲线 • 只要知道了TIA的等效输 入噪声电流,应用此曲线就 可推算出接收灵敏度
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
Clock
Pattern Generator
比特误码率
• 比特误码率(BER—Bit Error Ratio)是衡量 光接收机性能的最基本的参数
接收的误码比特数 在测量时间内误码数 BER= = 比特率×测量时间 被接收到的比特数
• BER的表示形式：1×10-N 或者 1.0E-N
(N是正整数)
影响灵敏度的因素
• • • • • • • 信号噪声比(SNR) 光信号的消光比 传输速率(数据比特率) 抖动 信号码型 工作波长 码间干扰
接收机最小过载光功率
• 最小过载光功率定义为: 接收机满足指定比特误码率(如10-10或10-12) 时可接收的最大平均光功率(dBm) • 最小过载和灵敏度之间的差值(dB)就是接收 机的动态范围 • 接收机的过载能力主要取决于TIA的AGC性 能
Vcc
PIN
Rf
i
A
u o =iR f
跨阻放大器原理图
光接收组件(ROSA)
• 在高速率光模块中,通常都是将PIN(或者APD)光 电二极管TIA组装在一个密封的金属外壳内,这就 构成了光接收组件(ROSA)
限幅放大器
• TIA输出的是模拟信号,要把它转换成数字信 号才能被信号处理电路识别 • 限幅放大器起的作用就是把TIA输出的幅度 不同的信号处理成等幅的数字信号 • 限幅放大器 Limiting Amplifier 主放大器 Post Amplifier 量化器 Quantizer