《光模块工作原理简介-zte》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光模块工作原理简介-zte（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光模块工作原理简介目录摘要2关键词21 引用的文档和参考标准说明22 缩写说明23 正文2摘要以SFP光模块为例，介绍光模块内部的组成和工作原理。关键词SFP光模块1引用的文档和参考标准说明2缩写说明SFP： Small Form-factor Pluggable 小型化可插拔3正文光模块是我们群路科都要用到的PHY层的器件，虽然封装，速率，传输距离有所不同，但是其内部 组成基本是一致的。SFP收发合一 Transceiver因其小型化，热插拔方便，支持SFF8472标准，模拟量 读取方便（IIC读取），且检测精度高（+/-2dBm以内）而逐渐成为运用的主流，下面就以SFP光模块为 例，介绍其
2、内部的组成和相关的工作原理。互阻放大器SFP内部结构图SFP光模块的内部结构：由上图可见，光模块主要部分是由光发射组件，激光驱动器，光接收组件（L16.2光模块光接收部 分使用APD接收机，还需要升压电路），限幅放大器和控制器组成的。驱动芯片和限幅放大器一般都支 持从155Mb/s到2.67Gb/s多速率。速率不同，传输距离不同的光模块有很多只是前端光组件的差别，高 速率SFP光模块BOM成本的90%都集中在光组件上。由上图还可以看出，为了保证上电顺序，SFP光模 块的金手指部分的长度是不一样的，最长的是信号地，其次是电源，最短的是信号，这样在插拔的时候 就保证了地一电源一信号的顺序。光发射组
3、件 TOSA （Transmiter Optical Sub-Assembly）：常用的光发射组件由两大类，一类是采用发光二极管LED封装的TOSA，一类是采用半导体激光二极 管LD封装的TOSA。前者谱线宽，耦合效率低（虽然LED可以发出几毫瓦的光功率，但是方向性差，能 2耦合到光纤中用于传输的部分只占1%2%），但是价格低，使用寿命长，在低速短距的情况下还是有 少量的运用，常用于百兆以太网多模光纤中短距离的数据传输，波长一般是1300nm。我们接触到的光模 块一般都是采用的激光二极管。激光器的种类1.VCSEL激光器（垂直表面腔发射激光器）：850nm波长，用于千兆以太网多模光纤短距传输，
4、千兆以太 网交换机大量使用该类型的光模块，传输光板不会用到，不详细介绍2.FP和DFB激光器5FP激光器光谱特性DFR激光器光谱特性二者的区别在于输出光特性的不同，FP激光器是多纵模激光器MLM，能够产生包含有若干离散波长 的光，除了中心波长的主模外，其他波长的次模也具有较高的幅度，而且主模和次模也处于动态的竞争 当中，不过频带范围十分狭窄DFB激光器是单纵模激光器SLM，主模光功率占到整个发光功率的99% 以上，其他少量的次模可以忽略不计。对于这两种不同类型激光器的光模块，用光谱仪测试其谱宽的时候方法是不一样的。FP激光器光模块，测试其发送侧的谱宽是测试RMS谱宽DFB激光器光模块，测试其发
5、送侧的谱宽是测试一20dB的谱宽，而且要求测试边模抑制比。目前在我们所使用的光模块中，155M，622M模块发射波长为1310nm，采用的都是FP激光器，1550nm 波长采用的是DFB激光器2.5G除了2险 即I-16使用FP激光器外，其他都是使用的DFB激光器。.IL激光二极管的谐振腔有两个反射镜面，它们是半透明的。它们的作用一方面构成谐振腔保证光子在 其中往复运动以激射出新的光子，另一方面有相当一部分光子从反射镜透射出去即发光。前镜面透射出 去的光谓之主光，通过与光纤的耦合发送光纤当中变成有用的传输。而后反射镜面幅射出去的光谓之副 光又叫背向光TOSA将此背向光转换为背光电流，利用它可以
6、来监控光源器件发光功率的大小。输出充功率和激光上图为温度升高情况下，激光器输入电流和输出光功率的变化情况当激光器腔中的光学增益超过腔体端反射面的损耗时，激光器就会激射出相干的光信号，临界时激 光器中的电流称为阈值电流（Ith）。随着温度升高激光器腔体中的光学增益会降低，由于腔体内光学增 益降低，激光器就需要更大的注入电流来获得相干光输出，结果激光器的阈值电流就升高了。由上图可 见，由于阈值电流的升高，导致了输出光功率的降低，如果要保持光功率不变的话，则驱动器必须要输 出的更大的偏置电流。为了补偿激光器阈值的变化，需要采用“自动功率控制（APC）”电路，APC电 路监测激光器背光电流，通过调节激
7、光器的偏置电流来保持背光电流的稳定。一般来说，背光电流与平 均光功率之间的比例关系是线性的，因此通过保持背光电流的稳定，使得激光器的平均光功率保持恒定。由上图看出，随着温度的升高，激光器输入电流和输出光功率的特性曲线的斜率会变小，也就是说 激光器光电转换的效率降低了。我们知道，消光比Er=10XlgP1/P0（dB），其中，P1、P0分别代表数 字逻辑信号“1”和“0”时激光器的输出光功率，P1-P0表示调制之后光信号的幅度。假定输出光功率 不变的情况下，转换斜率的降低，会引起输出光信号消光比的降低，反映到眼图上，眼图的张开度会变 小。对于光模块而言，在温度变化过程中，除了要保持输出光功率的稳
8、定，同时也要保持消光比的稳定。 保持消光比的稳定就是要增加调制电流，最常用的做法是查表法，利用控制器内部的数字可调电位器（电 阻器）来保持消光比。在数字电位器内置有受温度控制的电阻值表，电阻值作为温度的函数，存储在非 易失存储器中，温度范围从一45 C+ 95 C，步长为2。C。使用芯片内集成的温度传感器，这种电阻 的阻值就可以随温度的变化而自动调整。数字电位器是设置成随温度升高而减小电阻值，将其连接在驱 动器的“调制电流设定端”，在温度升高的过程中，控制器根据测得的温度值查表，不断减小电位器的电 阻值，使得调制电流增大，这样，消光比的变化将会得到补偿。保持消光比，还有一种方法就是K因子补偿法
9、，激光器的驱动器中加入-因子”补偿特性，它是 在激光器偏置电流增大的同时，按比例增大调制电流。过程如下：为保持平均光功率稳定，偏置电流是 由APC电路控制的，随着偏置电流提高，电路提取偏置电流的一部分用以调节调制电流。这样，总的调 制电流等于原有调制电流加上偏置电流乘以一个因子K。这个K因子可以通过驱动器芯片外接的电阻来 设定，由于调制电流能随着偏置电流增大而增大，于是当激光器温度发生变化或者激光器老化时，消光 比能够得到补偿。DSlB5ailEia&9OHTHCLLffi 削IC HlM州I 控制器kwhIC-32 驱动钢邮制睥彩I OPnaMM. SHUTKTWKI CReuirr/PER
10、 RITE EUD而二 WOfJVA-n1ii毗一邮LH ) HE PBES0I1S A CDNTOLLD-I MFfflmCE 1IWIWGE邙 UNE光模块发射部分电路上图是一个典型的查表法的控制电路，在控制器中，H0和H1是控制器自带的两个数字电位器，H0 用于控制调制电流，H1用于控制偏置电流。APC功能是驱动器内部集成的，但是其补偿能力在一40到85 度这么宽的范围内往往有限，所以用H1实现粗调，驱动器内的APC实现比较精确的自动调整。这两个数 字电位器均使用查表法。具体的电阻值是光模块厂商根据TOSA的特性摸索出来设定的，往往对于不同厂 家或者不同批次的TOSA，都要重新修正该电阻
11、值。MON1用于检测偏置电流的值，MON2用于检测输出光 功率，MON3 一般用于接收光功率的检测。这些测量的值都可以通过IIC总线读取相应的寄存器获得，使 用方便，精度高，绝大部分厂家能够保证精度控制在2dBm以内，可以有效避免目前一些单板模拟量检测 不准这个问题。从上图也可以看出，光模块的工作原理还是比较简单的，除了保持稳定的光功率和消光比之外，就 是要做好驱动器到激光器之间的RC匹配（上图没有画出，在经过串行的10欧姆电阻后，一般都需要加 RC电路到地），光模块光口指标的好坏都是由这些RC来决定的。光接收组件 ROSA （Receiver Optical Sub-Assembly）：RO
12、SA里面封装了光检测二极管和互阻放大器TIA光检测二极管有PIN管和APD雪崩二极管两类。APD光二极管具有倍增效应，能使在同样大小光的 作用下产生比PIN光二极管大几十倍甚至几百倍的光电流，相当于起了一种光放大作用（实际上不是真 正的光放大），因此能大大提高光接收机的灵敏度（比PIN光接收机提高约10dB以上），但是APD的倍增 效应会使耦合进ROSA的噪声也会同时被放大，影响接收机的灵敏度，因此对采用APD作为接收机的光模 块需要处理好滤波等问题。对于接收机，光功率高于过载点或者低于灵敏度，均可能会出现误码或者LOF。PIN管的过载点为一 3dBm （一般能达到0dBm），APD为一9dB
13、m（ 一般能达到一5dBm），对于APD接收机，因为其过载功率低， 如果接收功率过大的话，可能会照成击穿损坏。在我们使用的光模块中，除了匚16.1和L16.2使用APD 接收机的光模块外，其余都是采用PIN管接收机。1.2.3.SFP模块决大部分厂家都采用内部交流耦合，模块内部也做好了上下拉匹配，所以靠近光模块这一侧不需要加匹配。 对于 MOD_DEF0 （光模块在位），MOD_DEF1（IIC Clock），MOD_DEF0（IIC Data），LOS （和 SFF 定义相反，高为无 光输入，低为正常。SFF是Signal Detect，SD高表示有光信号，低表示无光信号），Tx_Fault（发送失效）都必须 要在用户侧的上拉。当SFP检测到异常情况引发保护关断后，Tx_Fault变高，无光输出，必须要用Tx_Disable信号对其 进行复位。
