光模块工作原理

光模块工作原理生产部艾玉伟内容摘要内容摘要1.1.光模块在光通信设备中的作用光模块在光通信设备中的作用2.2.光发射组件和光发射模块基本原理光发射组件和光发射模块基本原理3.3.光接收组件和光接收模块基本原理光接收组件和光接收模块基本原理4.4.单纤双向单纤双向((收发一体收发一体))光模块基本原理光模块基本原理5.5.用于用于PONPON的突发式光模块的突发式光模块6.6.光模块发展趋势光模块发展趋势7.7.光模块常见失效模式光模块常见失效模式光模块在通信设备中的作用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信号通过光模块实现传输媒体的转换((光纤光纤←→←→铜线铜线))光发射模块光发射模块光发射模块是由将带有信息的电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将光信号送入光纤的传输装置组成成右图是光发射模块的示意图右图是光发射模块的示意图放大驱动电路(电流开关)RF输入直流偏置光功率监控自动功率控制LDMD光发射器件(FP-LD、DFB-LD)光发射器件(FP-LD、DFB-LD)法布里法布里--帕罗型激光二极管帕罗型激光二极管(FP(FP--LD)LD)和分布反馈激光二极管和分布反馈激光二极管(DFB(DFB--LD)LD)是光通是光通信设备中最常用的半导体光发射器件信设备中最常用的半导体光发射器件,,与其他激光器相比与其他激光器相比,LD,LD具有体积小具有体积小、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、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等一系列优点,,这两种这两种LDLD是目前在接入网光模块中用得最多的光发射器件是目前在接入网光模块中用得最多的光发射器件激光二极管的特性激光二极管的特性••激光二极管（激光二极管（LDLD——LaserLaserdiodediode）是一个）是一个电流器件电流器件，，只在它通过的正向电流超只在它通过的正向电流超过阈值电流过阈值电流IthIth（（ThreholdThreholdcurrentcurrent）时它发出激光）时它发出激光••为了使为了使LDLD高速开关工作，高速开关工作，必须对它加上略大于阈值必须对它加上略大于阈值电流的直流偏置电流电流的直流偏置电流IBIASIBIAS••LDLD的两个主要参数：阈值的两个主要参数：阈值电流电流IthIth和斜效率和斜效率SS（（SlopeSlopeefficiencyefficiency）是温度的函数）是温度的函数，且具有较大的离散性，且具有较大的离散性LD的温度特性LD的温度特性••LDLD是半导体器件，它的特性是半导体器件，它的特性与半导体二极管类似与半导体二极管类似••温度升高温度升高阈值电流阈值电流IthIth增大增大斜效率斜效率SS降低降低••为了保持输出平均光功率和消为了保持输出平均光功率和消光比不变光比不变,,在温度上升时要增在温度上升时要增大大IBIASIBIAS和和IMODIMOD光发射组件(TOSA)光发射组件(TOSA)••光发射组件是光发射模块的主要部件光发射组件是光发射模块的主要部件,,其中光源其中光源((半导体发光二极管或激半导体发光二极管或激光二极管光二极管))是核心是核心••将将LDLD芯片和监测光电二极管芯片和监测光电二极管(MD)(MD)加上其他元件封装在一个紧密结构中加上其他元件封装在一个紧密结构中(TO(TO同轴封装或蝶形封装同轴封装或蝶形封装),),就构成光发射组件就构成光发射组件(TOSA)(TOSA)激光二极管驱动电路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实质上就是一个高速电流开关驱动电路原理电路驱动电路原理电路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激光器驱动电路原理图驱动电路结构驱动电路结构一个典型的激光器驱动电路包括下列部分：一个典型的激光器驱动电路包括下列部分：1.1.差分电流开关电路差分电流开关电路——向向LDLD输出调制电流输出调制电流2.2.偏置电流发生器偏置电流发生器——向向LDLD提供直流偏置电流提供直流偏置电流3.3.自动功率控制自动功率控制(APC)(APC)电路电路——在不同温度和在不同温度和LDLD老化的情况下老化的情况下,,改变改变IIBIASBIAS,,保保持持PPAVGAVG不变不变4.4.故障告警、保护电路故障告警、保护电路5.5.调制电流、偏置电流监控电路调制电流、偏置电流监控电路6.6.输入端整形电路输入端整形电路(D(D触发器触发器))消光比消光比••消光比消光比((rree))的定义的定义::rree=P=P11//PP00其中其中:P:P11是是‘‘11’’码的光功率值码的光功率值PP00是是‘‘00’’码的光功率值码的光功率值用对数表示用对数表示::EX=10lg(PEX=10lg(P11//PP22))••消光比是光发射机的一个非常重要的指标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因为它反映了光信号的相对幅度光眼图光眼图••将光发射模块输出的将光发射模块输出的(NRZ(NRZ码码))光信号送入取样示波器光信号送入取样示波器,,就可以观察到光信号就可以观察到光信号波形的波形的““眼图眼图””••光脉冲信号的质量都可以在光眼图上观察到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,,以免降低接以免降低接收灵敏度收灵敏度••光脉冲形状特性由眼图模板给出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眼图模板在光通信系统的标准中都已做了具体的规定了具体的规定眼图模板眼图模板155.52Mbps155.52Mbps622.08Mbps622.08Mbps1244.16Mbps1244.16Mbps2488.32Mbps2488.32Mbpsx1/x4x1/x40.15/0.850.15/0.850.25/0.750.25/0.750.28/0.720.28/0.72----x2/x3x2/x30.36/0.650.36/0.650.40/0.600.40/0.600.40/0.600.40/0.60----x3x3－－x2x2------------0.2/0.80.2/0.8y1/y2y1/y20.20/0.800.20/0.800.20/0.800.20/0.800.20/0.800.20/0.800.25/0.750.25/0.75右图是ITU-TG.983.1G.984.2规定的上行光信号的眼图模板光眼图实例光眼图实例光接收模块光接收模块••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、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整形恢复为原输入的电信号；光接收模块的原理框图如下PD/APD信号检测光接收组件(ROSA)TIA判决/限幅放大主放DATADATASD/LOS偏置电压光接收器件光接收器件••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光纤通信中常用的光电检测器是PINPIN光电二极管和雪崩光电二极管光电二极管和雪崩光电二极管(APD)(APD)••PINPIN的响应度通常为的响应度通常为0.650.65～～0.97A/W(0.97A/W(λλ=0.9=0.9～～1.71.7μμm)m)••APDAPD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,,它可它可以使接收灵敏度提高以使接收灵敏度提高66～～10dB10dB前置(跨阻)放大器前置(跨阻)放大器••经光电探测器产生的微弱信号电流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由前置放大器转换成有足够幅度的信号电压输出信号电压输出••为适应高速率应用为适应高速率应用,,前置放大器由跨前置放大器由跨阻放大器阻放大器(TIA(TIA——TranimpedanceTranimpedanceAmplifier)Amplifier)构成构成••跨阻放大器就是一个跨阻放大器就是一个II--VV变换器变换器••TIATIA中还有中还有AGCAGC功能电路，以保证足功能电路，以保证足够的信号动态范围够的信号动态范围VccRiuo=iRffPIN跨阻放大器原理图光接收组件(ROSA)光接收组件(ROSA)••在高速率光模块中在高速率光模块中,,通常都是将通常都是将PIN(PIN(或者或者APD)APD)光电二极管光电二极管TIATIA组装在一个密组装在一个密封的金属外壳内封的金属外壳内,,这就构成了光接收组件这就构成了光接收组件(ROSA)(ROSA)限幅放大器限幅放大器••TIATIA输出的是模拟信号输出的是模拟信号,,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限幅放大器起的作用就是把TIATIA输出的幅度不同的信号处理成等幅的数字输出的幅度不同的信号处理成等幅的数字信号信号••限幅放大器限幅放大器LimitingAmplifierLimitingAmplifier主放大器主放大器PostAmplifierPostAmplifier量化器量化器QuantizerQuantizer限幅放大器工作原理和典型电路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：限幅放大器主要由三部分组成：直流耦合多级放大器直流耦合多级放大器直流漂移补偿直流漂移补偿((自动调零自动调零))电路电路光功率检测告警电路光功率检测告警电路((有滞回的比有滞回的比较器较器))接收灵敏度接收灵敏度••接收灵敏度指光接收机满足指定比接收灵敏度指光接收机满足指定比特误码率特误码率((如如1010--1010或或1010--12)12)时可接收时可接收的最小平均光功率的最小平均光功率((dBmdBm))这是光接收机的重要指标之一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噪声是限制接收灵敏度的最主要因素素••右图就是误码率和信噪比的关系曲右图就是误码率和信噪比的关系曲线线••只要知道了只要知道了TIATIA的等效输入噪声电的等效输入噪声电流流,,应用此曲线就可推算出接收灵应用此曲线就可推算出接收灵敏度敏度影响灵敏度的因素影响灵敏度的因素••信号噪声比信号噪声比(SNR)(SNR)••光信号的消光比光信号的消光比••传输速率传输速率((数据比特率数据比特率))••抖动抖动••信号码型信号码型••工作波长工作波长••码间干扰码间干扰接收机最小过载光功率接收机最小过载光功率••最小过载光功率定义为最小过载光功率定义为::接收机满足指定比特误码率接收机满足指定比特误码率((如如1010--1010或或1010--1212))时可接收的最大平均光功率时可接收的最大平均光功率((dBmdBm))••最小过载和灵敏度之间的差值最小过载和灵敏度之间的差值(dB)(dB)就是接收机的动态范围就是接收机的动态范围••接收机的过载能力主要取决于接收机的过载能力主要取决于TIATIA的的AGCAGC性能性能误码仪(BERT)误码仪(BERT)••误码仪误码仪(BitErrorRatioTester)(BitErrorRatioTester)由图案发生器和误码分析仪组成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