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1、光模块工作原理Date1内容摘要n 光模块在光通信设备中的作用 n 光发射组件和光发射模块基本原理 n 光接收组件和光接收模块基本原理 n 单纤双向(收发一体)光模块基本原理 n 用于PON的突发式光模块 n 光模块发展趋势 n 光模块常见失效模式Date2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 )Date3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Date4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
2、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Date5激光二极管的特性n激光二极管（LDLaser 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n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IBIASnLD的两个主要参数：阈 值电流Ith和斜效率S（ Slope efficiency）是温 度的函
3、数，且具有较大 的离散性Date6LD的温度特性nLD是半导体器件，它 的特性与半导体二极 管类似n温度升高 阈值电流Ith增大 斜效率S降低 n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IMODDate7光发射组件(TOSA)n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n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)Date8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Date9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
4、接口电路原理图Date10激光器驱动电路原理图Date11驱动电路结构一个典型的激光器驱动电路包括下列部分： n差分电流开关电路向LD输出调制电流 n偏置电流发生器向LD提供直流偏置电流 n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 n故障告警、保护电路 n调制电流、偏置电流监控电路 n输入端整形电路(D触发器)Date12消光比n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: EX=10lg(P1/P2)n消光比是光发射机的一个非常重要的指标, 因为它反映了光信号的相对幅度Date13光
5、眼图n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”n光脉冲信号的质量都可以在光眼图上观察 到n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n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 Date14眼图模板155.52Mbps622.08Mbps1244.16Mbps2488.32Mbpsx1/x40.15/0.850.25/0.750.28/0.72-x2/x30.36/0.650.40/0.600.40/0.60-x3x2-0.2/0.8y1/y20.20/0.800.20/0.8
6、00.20/0.800.25/0.75右图是ITU-T G.983.1G.984.2 规定的上行 光信号的眼图模板Date15光眼图实例Date16光接收模块n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Date17光接收器件n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n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)nPIN的响应度通常为 0.650.97A/W(=0.91.7m) nAPD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
7、10dBDate18前置(跨阻)放大器n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n为适应高速率应用,前置放 大器由跨阻放大器(TIA Tranimpedance Amplifier ) 构成n跨阻放大器就是一个I-V变 换器nTIA中还有AGC功能电路， 以保证足够的信号动态范围跨阻放大器原理图Date19光接收组件(ROSA)n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)Date20限幅放大器nTIA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n限幅放
8、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n限幅放大器 Limiting Amplifier 主放大器 Post Amplifier 量化器 QuantizerDate21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)Date22接收灵敏度n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n噪声是限制接收灵敏度 的最主要因素n右图就是误码率和信噪 比的关系曲线n只要知道了TIA的等
9、效输 入噪声电流,应用此曲线 就可推算出接收灵敏度Date23影响灵敏度的因素n信号噪声比(SNR)n光信号的消光比n传输速率(数据比特率)n抖动n信号码型n工作波长n码间干扰Date24接收机最小过载光功率n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)n最小过载和灵敏度之间的差值(dB)就是接 收机的动态范围n接收机的过载能力主要取决于TIA的AGC 性能Date25误码仪(BERT)n误码仪(Bit Error Ratio Tester)由图案发生器和 误码分析仪组成n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
10、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Date26比特误码率n比特误码率(BERBit Error Ratio)是衡量 光接收机性能的最基本的参数BER= = nBER的表示形式：110-N 或者 1.0E-N(N是正整数)接收的误码比特数 被接收到的比特数在测量时间内误码数 比特率测量时间Date27伪随机二进制序列(PRBS)n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)nPRBS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
11、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n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Date28抖 动n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n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Date29抖动特性 n 抖动传输输出信号抖动 与输入信号抖动的线性比 值随频率变化的关系 n 抖
12、动容限施加到接收机 输入信号上引起接收灵敏 度1dB代价的正弦抖动峰- 峰值 n 抖动产生当输入无抖动 信号时,输出信号产生的在 规定频率范围内的抖动峰- 峰值Date30时钟和数据恢复(CDR)电路n在数字通信系统中,码元同步是系统正常工 作的必要条件n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nCDR电路大多基于锁相环(PLL)原理Date31锁相环(PLL)电路n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)Date
13、32CDR典型电路(1)Date33光收发一体模块n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n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Date34光收发一体模块的构成光源（激光器） + 驱动器+光电检测器 + 放大器光收发一体模块 =Date35单纤双向光组件(BOSA)n单纤双向光组件 (BOSA)是将光源(FP- LD或DFB-LD)、PIN- TIA、分光片、光纤
14、等 另部件用同轴耦合工 艺全部集成于一体Date36无源光网络(PON)n接入有多种方式 点对点(以太网)、铜线、XDSL、无 线(WLAN)、XPON等n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 nPON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 nPON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
15、 Date37PON技术特点PON与光模块有关的技术特点：n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nONU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nOLT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
16、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nONU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10dBDate38APON/BPONnAPON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1550nmnBPON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)n上行光波长为1310nm 下行光波长为1490nm 1550nm作为传输视频信号用n传输码型为扰码的不归零码,CID抗扰度大于72bitDate39GPON
