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1、光模块基本原理主要内容主要内容光模光模块简块简介介光模光模块块内部主要元器件内部主要元器件光模光模块调块调制方式制方式光模光模块块的特点及的特点及应应用用光模光模块块原理框原理框图图光模光模块块主要性能指主要性能指标标光模光模块块接口接口电电平平光模光模块定定义以光器件以光器件为为核心增加一些核心增加一些电电路部分和路部分和结结构件等完成相构件等完成相应应功能的功能的单单元元光模光模块分分类按速率划分：按速率划分：155Mb/s 622Mb/s 1.25Gb/s 2.5Gb/s 155Mb/s 622Mb/s 1.25Gb/s 2.5Gb/s 10Gb/s 10Gb/s 等等按功能划分：按功能
2、划分：发发射模射模块块，接收模，接收模块块，收，收发发合一模合一模块块(transceiver,)(transceiver,)按封装划分：按封装划分：19/ 29/SFF/GBIC/SFP/XFP/300pin19/ 29/SFF/GBIC/SFP/XFP/300pin等等按使用条件划分：按使用条件划分：热热插拔插拔 (GBIC/SFP/XFP) (GBIC/SFP/XFP) 带带插插针针 ( (19/29/SFF)19/29/SFF)按按应应用划分：用划分：SDH/SONET, Ethernet, Fiber Channel, SDH/SONET, Ethernet, Fiber Chann
3、el, CWDM, DWDMCWDM, DWDM等等按工作模式划分：按工作模式划分：连续连续和突和突发发（OLTOLT：Optic Line TerminalOptic Line Terminal，光，光线线路路终终端；端；ONU ONU ：Optic Network Unit,Optic Network Unit,光网光网络单络单元）元） 光模光模块发展展历史史封装形式：封装形式：1X9 1X9 SFF SFF GBIC GBIC SFP, XFP, SFP+ SFP, XFP, SFP+传输传输速率：速率：155M155M,622M ,622M 1.25G,2.5G 1.25G,2.5G
4、4.25G, 8.5G, 10G, 4.25G, 8.5G, 10G, 40G 40G功能：不功能：不带监带监控功能（控功能（None DDMNone DDM） 带带数字数字诊诊断功能（断功能（DDMDDM）接入接入应应用：用：P to P P to P P to MP: PON (GE-PON, GPON, WDM-PON) P to MP: PON (GE-PON, GPON, WDM-PON)光接口形式：尾光接口形式：尾纤纤型（型（PigtailPigtail）；插拔型（）；插拔型（ReceptacleReceptacle）光光传输传输形式：双形式：双纤纤双向（双向（MSAMSA）；）；
5、单纤单纤双向（双向（BiDiBiDi）光模光模块发块发展展趋势趋势主要内容主要内容光模光模块简块简介介光模光模块块内部主要元器件内部主要元器件光模光模块调块调制方式制方式光模光模块块的特点及的特点及应应用用光模光模块块原理框原理框图图光模光模块块主要性能指主要性能指标标光模光模块块接口接口电电平平光模光模块内部主要元器件内部主要元器件探探测测器器激光器激光器放大器放大器时钟时钟数据恢复数据恢复驱动驱动芯片芯片MUX&DeMUXMUX&DeMUX光器件光器件光器件是由少数几个光电光器件是由少数几个光电子元件和子元件和IC 、无源元件、无源元件（如电阻、电容、电感、（如电阻、电容、电感、互感、微透
6、镜、隔离器）、互感、微透镜、隔离器）、光纤及金属连线组合、封光纤及金属连线组合、封装在一起，完成单项或少装在一起，完成单项或少数几项功能的混合集成件。数几项功能的混合集成件。光器件光器件结结构构图图光器件分光器件分类类如按功能，可分为：如按功能，可分为： 光发射器件光发射器件 光接收器件光接收器件按结构，可分为：按结构，可分为： TO器件器件(TOSA， ROSA，BOSA)； DIP（或（或Butterfly）器件；）器件； 表面贴装（表面贴装（surface mount) 器件等；器件等；按传输速率，可分为按传输速率，可分为 155M、622M、1.25G、2.5G、10G等；等；传输距离
7、，工作波长，工作方式等传输距离，工作波长，工作方式等 探探测测器器光探测器光探测器 作用把光信号转变为电信号的器件作用把光信号转变为电信号的器件.PIN探测器探测器 P型掺杂、本征（型掺杂、本征（I）和）和N型掺杂。型掺杂。APD探测器探测器 内部具有光电倍增内部具有光电倍增(或称雪崩或称雪崩)光电二极管光电二极管.（Avalanche Photodetector)PIN探探测器器响响应应度：度：PINPIN探探测测器即器即P-I-N P-I-N 探探测测器：器：P P型型掺杂掺杂IntrinsicIntrinsicN N型型掺杂掺杂 需加需加5 510V10V反偏反偏电压电压APDAPD探探
8、测器器响响应应度：度：APDAPD探探测测器：器： 雪崩光雪崩光电电探探测测器（器（A Avalanche photodetectorvalanche photodetector）需加需加303060V60V反偏反偏电压电压MM与温度和反偏与温度和反偏电压电压有关有关激光器激光器FP LD (Fabry-Perot Laser)DFB LD (Distributed-Feedback Laser)VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)LED (Light-Emitting Diode)EAM LD (Electro-absorption m
9、odulated lasers)FP LD 和和 DFB LD都是都是边缘发边缘发光光谐谐振腔振腔结结构不同构不同FPFPLDLDDFBDFBLDLDLED 和和 VCSEL都是面都是面发发光光谐谐振腔振腔结结构不同构不同LEDLEDVCSELVCSELEAM LD构成：构成：TECTEC致冷器，激光二极管，致冷器，激光二极管，EAEA调调制制器，背光器，背光检测检测二极管和，二极管和，热热敏敏电电阻等阻等放大器分放大器分类类跨阻放大器：跨阻放大器：Transimpedance Amplifier（TIA ）主放主放Main Amplifiers (MA) 或后放或后放 Post Amplif
10、iers 限幅放大器：限幅放大器：Limiting Amplifier (LA) 自动增益控制放大器：自动增益控制放大器：Automatic Gain Control Amplifier (AGC). 跨阻放大器（跨阻放大器（TIA）这这种种I-VI-V变换电变换电路中有一个路中有一个负负反反馈电馈电阻阻RfRf，所以又被称做跨阻，所以又被称做跨阻放大器（放大器（TIATIA）低的等效低的等效输输入噪声入噪声电电流流高高输输入阻抗，低入阻抗，低输输入入电电容容足足够宽够宽的通的通频带频带fH0.75fH0.75工作速工作速率率宽动态宽动态范范围围Rf Rf 要足要足够够大，以保大，以保证证有足
11、有足够够大的大的输输出出电压电压主放主放LALA：转换转换速度快，功耗低，但是非速度快，功耗低，但是非线线性限制了其性限制了其应应用用AGCAGC： 在很大的在很大的动态动态范范围围都是都是线线性的，性的，应应用范用范围围广。例如：广。例如：带带均衡均衡器的接收机。器的接收机。限幅放大器限幅放大器自自动动增益控制放大器增益控制放大器时钟和数据恢复（和数据恢复（CDR）电路路在数字通信系在数字通信系统统中，中，码码元同步是系元同步是系统统正常工作的必要条件。正常工作的必要条件。时钟时钟和数据恢复和数据恢复电电路（路（Clock and Data Recovery CDRClock and Dat
12、a Recovery CDR）的作用就是在）的作用就是在输输入数据信号中提取入数据信号中提取时钟时钟信号并找出数据和信号并找出数据和时时钟钟正确的相位关系正确的相位关系驱动驱动芯片芯片激光器驱动（电流）激光器驱动（电流）调制器驱动（电压）调制器驱动（电压） MUX &DeMUXMUX：16路并行路并行 数据输入，经过并串转换，输出数据。数据输入，经过并串转换，输出数据。（如并行数据输入为（如并行数据输入为622Mb/s ，那么输出数据为，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：则反过来，输入数据经过串并转换，输出16路路并行并行 数据数据主要内容主要内
13、容光模光模块简块简介介光模光模块块内部主要元器件内部主要元器件光模光模块调块调制方式制方式光模光模块块的特点及的特点及应应用用光模光模块块原理框原理框图图光模光模块块主要性能指主要性能指标标光模光模块块接口接口电电平平调调制方式制方式直接调制直接调制 外调制外调制 EA调制（调制（Electroabsorption Modulator） MZ调制（调制（Mach-Zehnder Modulator）直接直接调调制制P1P1P0P0利用利用电电信号的信号的 11和和 00控制激光器的控制激光器的电电流大小。流大小。EA调制制激光器一直激光器一直处处于于发发光状光状态态，电电信号信号 11、 00
14、 作用于作用于电电吸收吸收调调制器。制器。 来控制激光器出光大小。来控制激光器出光大小。MZ调制制激光器一直激光器一直处处于于发发光状光状态态，发发出的光出的光经过经过一个一个Y Y型波型波导导分束器分出两分束器分出两束相位等一束相位等一样样的光信号，的光信号， 电电信号控制两个干涉臂信号控制两个干涉臂电级电级，使两束光信，使两束光信号号产产生不同的相位，再生不同的相位，再经过经过Y Y型合束器，型合束器， 11信号信号时时，相位相同，相位相同，进进行行叠加，叠加， 00信号信号时时，相位相差，相位相差180180度，光信号度，光信号 抵消。抵消。主要内容主要内容光模光模块简块简介介光模光模块
15、块内部主要元器件内部主要元器件光模光模块调块调制方式制方式光模光模块块的特点及的特点及应应用用光模光模块块原理框原理框图图光模光模块块主要性能指主要性能指标标光模光模块块接口接口电电平平1X9光模光模块特点：特点：工作速率工作速率: 155Mb/s1Gb/s工作电压：工作电压：3.3 V或或5V波长：波长：1310nm，1550nm宽温工作范围宽温工作范围传输距离可达传输距离可达80km应用应用数据通信：快速以太网，千兆以太网数据通信：快速以太网，千兆以太网电信：电信： OC -3/STM -1, OC -12/STM -4GBIC模模块特点：特点：工作速率工作速率:155Mb/s 2.5Gb
16、/s工作电压：工作电压：3.3 V或或5V波长：波长：850nm，1310nm，1550nm传输距离可达传输距离可达160km带数字诊断功能（部分）带数字诊断功能（部分）应用：应用：数据通信：千兆以太网，数据通信：千兆以太网，1x/2x光纤通道光纤通道电信：电信：OC-3/STM-1、OC-12/STM-4、 OC-48/STM-16 SFF模模块特点：特点：工作速率工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压：工作电压：3.3 V波长：波长：850nm，1310nm，1550nm宽温工作范围宽温工作范围传输距离可达传输距离可达80km带数字诊断功能（部分）带数字诊断功能（部分）应用：应用
17、：数据通信：快速以太网，千兆以太网，数据通信：快速以太网，千兆以太网，1x/2x/4x 光纤通道光纤通道电信：电信：OC -3/STM-1、OC -12/STM-4、OC-48/STM-16 SFP模模块特点：特点：工作速率工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压：工作电压：3.3 V3.3 V波长：波长：850nm850nm，1310nm1310nm，1550nm1550nm，WDMWDM宽温工作范围宽温工作范围传输距离可达传输距离可达100km+100km+带数字诊断功能带数字诊断功能应用：应用：数据通信：快速以太网，千兆以太网，数据通信：快速以太网，千兆以太网，1x/2x/4x
18、1x/2x/4x 光纤光纤通道通道电信：电信：OC-3/STM-1OC-3/STM-1、OC-12/STM-4OC-12/STM-4、OC-48/STM-16 OC-48/STM-16 PON模模块特点：特点：工作速率工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压：工作电压：3.3 V传输距离可达传输距离可达20km带数字诊断功能带数字诊断功能应用：应用：PON接入网接入网XFP模模块特点：特点：工作速率工作速率:10Gb/s波长：波长：1310nm，1550nm，DWDM传输距离可达传输距离可达80km带数字诊断功能带数字诊断功能应用：应用：数据通信：数据通信：10G以太网，以太网，10G
19、光纤通道光纤通道电信：电信： OC -192/STM -64300-pin Transponder模模块特点：特点：速率可达速率可达10Gb/s波长：波长：1550nm，DWDM传输距离可达传输距离可达80km带数字诊断功能带数字诊断功能应用：应用：电信：电信： OC -192/STM -64主要内容主要内容光模光模块简块简介介光模光模块块内部主要元器件内部主要元器件光模光模块调块调制方式制方式光模光模块块的特点及的特点及应应用用光模光模块块原理框原理框图图光模光模块块主要性能指主要性能指标标光模光模块块接口接口电电平平典型光典型光发射模射模块功能框功能框图（直接（直接调制）制）LaserLa
20、serDriverDriverAPCAPCTemp SensorTemp SensorAEC AEC 自自动动光功率控制光功率控制自自动动消光比控制消光比控制XCXC占空比控制占空比控制匹配匹配电电路路典型光典型光发射模射模块功能框功能框图（外（外调制）制） EAM LaserEAM LaserDriverDriverAPCAPCATC ATC 自自动动光功率控制光功率控制自自动动温度控制温度控制XCXC占空比控制占空比控制匹配匹配电电路路MCMCBC BC 偏置偏置电压电压控制控制调调制制电压电压控制控制PIN型光接收模型光接收模块功能框功能框图PIN/TIAPIN/TIAMAMAPIN/T
21、IAPIN/TIAMAMACDRCDR3R 3R 功能功能(Reshape, Reamplify, (Reshape, Reamplify, RetimeRetime) )2R 2R 功能功能(Reshape, Reamplify)(Reshape, Reamplify)APD型光接收模型光接收模块功能框功能框图APD/TIAAPD/TIAMAMAAPD/TIAAPD/TIAMAMACDRCDR3R 3R 功能功能(Reshape, Reamplify, (Reshape, Reamplify, RetimeRetime) )2R 2R 功能功能(Reshape, Reamplify)(Res
22、hape, Reamplify)High Voltage GenerationHigh Voltage GenerationHigh Voltage GenerationHigh Voltage Generation光收光收发合一模合一模块(Transceiver)功能框功能框图TOSATOSADriverDriverROSAROSAMAMAAPC/AECAPC/AECLOSLOSRxPowerRxPowerTxPowerTxPowerTxDisableTxDisableData InData InData OutData OutOptical Optical InInOptical OutO
23、ptical Out带数字数字诊断功能断功能(DDM)光收光收发合一模合一模块功能框功能框图TOSATOSADriverDriverROSAROSAMAMAAPC/AECAPC/AECLOSLOSTxDisableTxDisableData InData InData OutData OutOptical Optical InInOptical OutOptical OutMCUMCUEEPROMEEPROMI2C I2C 数字诊断(DDM)模块特点光收光收发合一模合一模块(XFP)功能框功能框图TOSATOSADriverDriverROSAROSAMAMAAPC/AEC/ATCAPC/AE
24、C/ATCLOSLOSTxDisableTxDisableData InData InData OutData OutOptical Optical InInOptical OutOptical OutMCUMCUEEPROMEEPROMI2C I2C CDRCDRCDRCDRTransponder模模块功能框功能框图TOSATOSADriverDriverROSAROSAMAMAAPC/AEC/ATCAPC/AEC/ATCLOSLOSTxDisableTxDisable1616路路 并行并行Data InData In1616路路 并并行行Data Data OutOutOptical Op
25、tical InInOptical OutOptical OutMCUMCUEEPROMEEPROMI2C I2C MUXMUXDeMUXDeMUXTDM: Time Division Multiplex TDM: Time Division Multiplex 时时分多路复用分多路复用 TDMA: Time Division Multiple Address TDMA: Time Division Multiple Address 时时分多路分多路访问访问PON模块ONU光收发合一模块功能框图OLT光收发合一模块功能框图BOSA单纤双向光组件单纤双向光组件(Bi-Dirctional Opt
26、ical Subassembly)主要内容主要内容光模光模块简块简介介光模光模块块内部主要元器件内部主要元器件光模光模块调块调制方式制方式光模光模块块的特点及的特点及应应用用光模光模块块原理框原理框图图光模光模块块主要性能指主要性能指标标光模光模块块接口接口电电平平光模光模块主要性能指主要性能指标v传输速率传输速率v传输距离传输距离v平均发射光功率平均发射光功率v消光比消光比v光眼图光眼图v谱宽谱宽v最小边模抑制比最小边模抑制比v接收灵敏度接收灵敏度v接受器过载接受器过载v光通道代价光通道代价v抖动抖动传输速率传输传输速率指在速率指在单单位位时间时间内通内通过过信道的平均信息量，一般有比特速率
27、和信道的平均信息量，一般有比特速率和码码元速率两种表示方法由于元速率两种表示方法由于对对于二于二进进制制码码元，元，比特速率和比特速率和码码元速率相等比特速率指系元速率相等比特速率指系统统每秒每秒钟传钟传送的比特数，送的比特数，单单位位为为bit/sbit/s SDHSDH等等级级 系列比特率系列比特率STM-1 STM-1 155.52Mb/s155.52Mb/s STM-4 STM-4 622.08Mb/s622.08Mb/s STM-16 STM-16 2.48832Gb/s2.48832Gb/s STM-64 STM-64 9.95328Gb/s9.95328Gb/s传输传输距离指模距
28、离指模块块在特定光在特定光纤传输纤传输系系统统中能中能够够无差无差错传输错传输的最大距离的最大距离影响影响传输传输距离的因素：光距离的因素：光纤纤（损损耗、色散等），激光器（功率，波耗、色散等），激光器（功率，波长长，工作方式），探工作方式），探测测器灵敏度，器灵敏度，传输传输速率等速率等 功率受限系功率受限系统传输统传输距离的距离的计计算算: :（光功率，灵敏度，光（光功率，灵敏度，光纤损纤损耗等）耗等） 目目标传输标传输距离距离L(km) LL(km) L=2.4V；VOL=2V；VIL=2.4V；VOL=2V；VIL=0.8V。 TTL使用注意：使用注意：TTL电平一般过冲都会比较严重，
29、可能在始端串电平一般过冲都会比较严重，可能在始端串22欧或欧或33欧电阻；欧电阻； TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用的话应用1k以下电阻下拉。以下电阻下拉。ECL，PECL和LVPECL电平ECLECL：Emitter Coupled Logic Emitter Coupled Logic 发发射极耦合射极耦合逻辑电逻辑电路路( (差分差分结结构构) ) Vcc=-5.2VVcc=-5.2V；VOH=-0.88VVOH=-0.88V；VOL=-1.72VVOL=-1.72V；VIH=-1.24VVIH=-1.24V；VIL=-V
30、IL=-1.36V1.36V。 速度快，速度快，驱动驱动能力能力强强，噪声小，很容易达到几百，噪声小，很容易达到几百MM的的应应用。但是功耗大，用。但是功耗大，需要需要负电负电源。源。为简为简化化电电源，出源，出现现了了PECL(ECLPECL(ECL结结构，改用正构，改用正电压电压供供电电) )和和LVPECLLVPECL。 PECLPECL：Pseudo/Positive ECL Pseudo/Positive ECL Vcc=5VVcc=5V；VOH=4.12VVOH=4.12V；VOL=3.28VVOL=3.28V；VIH=3.78VVIH=3.78V；VIL=3.64V VIL=3.
31、64V LVPELCLVPELC：Low Voltage PECL Low Voltage PECL Vcc=3.3VVcc=3.3V；VOH=2.42VVOH=2.42V；VOL=1.58VVOL=1.58V；VIH=2.06VVIH=2.06V；VIL=1.94V VIL=1.94V ECL ECL、PECLPECL、LVPECLLVPECL使用注意：不同使用注意：不同电电平不能直接平不能直接驱动驱动。中。中间间可用交可用交流耦合、流耦合、电电阻网阻网络络或或专专用芯片用芯片进进行行转换转换。以上三种均。以上三种均为为射随射随输输出出结结构，必构，必须须有有电电阻阻 拉到一个直流偏置拉到一
32、个直流偏置电压电压。( (如多用于如多用于时钟时钟的的LVPECLLVPECL：直流匹配：直流匹配时时用用130130欧上拉，同欧上拉，同时时用用8282欧下拉；交流匹配欧下拉；交流匹配时时用用8282欧上拉，同欧上拉，同时时用用130130欧下拉。但两欧下拉。但两 种方式工作后直流种方式工作后直流电电平都在平都在1.95V1.95V左右。左右。) ) LVDS电平平LVDS：Low Voltage Differential Signaling 差分对输入输出，内部有一个恒流源差分对输入输出，内部有一个恒流源3.5-4mA，在差分线上，在差分线上改变方向来表示改变方向来表示0和和1。通过外部的
33、。通过外部的100欧匹配电阻欧匹配电阻(并在差分并在差分线上靠近接收端线上靠近接收端)转换为转换为350mV的差分电平。的差分电平。 LVDS使用注意：可以达到使用注意：可以达到600M以上，以上，PCB要求较高，差分要求较高，差分线要求严格等长，差最好不超过线要求严格等长，差最好不超过10mil(0.25mm)。100欧电阻欧电阻离接收端距离不能超过离接收端距离不能超过500mil，最好控制在，最好控制在300mil以内。以内。 CML电平平CML电平是所有高速数据接口中最简单的一种。其输入电平是所有高速数据接口中最简单的一种。其输入和输出是匹配好的，减少了外围器件，适合于更高频段工和输出是匹配好的，减少了外围器件，适合于更高频段工作。作。CML 接口典型的输出电路是一个差分对形式。该差分对接口典型的输出电路是一个差分对形式。该差分对的集电极电阻为的集电极电阻为50 ，输出信号的高低电平切换是靠共发，输出信号的高低电平切换是靠共发射极差分对的开关控制的。差分对的发射极到地的恒流源射极差分对的开关控制的。差分对的发射极到地的恒流源典型值为典型值为16 mA。 谢谢 谢！谢！
