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光模块简介 光纤：光纤作为光通信的传播媒介，分为多模光纤和单模光纤。多模光纤（橘红色）的纤芯直径为50um62.5um，包层外直径125um，适用于短距离传输（2KM-5KM)；单模光纤（黄色）的纤芯直径为8.3um，包层外直径125um，多用于中长距离传输（20KM-120KM）。光纤通信的主要优点：大容量，损耗低，中继距离长，保密性强，体积小，重量轻，光纤的原材料取之不竭。 缺点：易折断，连接困难，怕弯曲。目前常规通用的光模块主要包括：光发送器，光接收器，Transceiver（光收发一体模块）以及Transponder（光转发器）。光收发一体模块Transceiver的主要功能是实现光电/电光变换，包括光功率控制、调制发送，信号探测、IV转换以及限幅放大判决再生功能，此外还有些防伪信息查询、TX-disable等功能，常见的有：SIP9、SFF、SFP、GBIC、XFP等。光转发器Transponder除了具有光电变换功能外，还集成了很多的信号处理功能，如：MUX/DEMUX、CDR、功能控制、性能量采集及监控等功能。常见的Transponder有：200/300pin，XENPAK，以及X2/XPAK等。传输距离光模块的传输距离分为短距、中距和长距三种。一般认为2km及以下的为短距离，1020km的为中距离，30km、40km及以上的为长距离。光模块的传输距离受到限制，主要是因为光信号在光纤中传输时会有一定的损耗和色散。l损耗是光在光纤中传输时，由于介质的吸收散射以及泄漏导致的光能量损失，这部分能量随着传输距离的增加以一定的比率耗散。l 色散的产生主要是因为不同波长的电磁波在同一介质中传播时速度不等，从而造成光信号的不同波长成分由于传输距离的累积而在不同的时间到达接收端，导致脉冲展宽，进而无法分辨信号值。 损耗和色散：损耗是光在光纤中传输时，由于介质的吸收散射以及泄漏导致的光能量损失，这部分能量随着传输距离的增加以一定的比率耗散。色散的产生主要是因为不同波长的电磁波在同一介质中传播时速度不等，从而造成光信号的不同波长成分由于传输距离的累积而在不同的时间到达接收端，导致脉冲展宽，进而无法分辨信号值。这两个参数主要影响光模块的传输距离，在实际应用过程中，1310nm光模块一般按0.35dBm/km计算链路损耗，1550nm光模块一般按0.20dBm/km计算链路损耗，色散值的计算非常复杂，一般只作参考。因此，用户需要根据自己的实际组网情况选择合适的光模块，以满足不同的传输距离要求。中心波长中心波长指光信号传输所使用的光波段。目前常用的光模块的中心波长主要有三种：850nm波段、1310nm波段以及1550nm波段。l 850nm波段：多用于短距离传输；l 1310nm和1550nm波段：多用于中长距离传输。第一、中心波长：单位纳米（nm），目前主要有3种：1） 850nm（MM，多模，成本低但传输距离短，一般只能传输500M）；2） 1310nm (SM，单模，传输过程中损耗大但色散小，一般用于40KM以内的传输)；3） 1550nm (SM，单模，传输过程中损耗小但色散大，一般用于40KM以上的长距离传输，最远可以无中继直接传输120KM)；第二、 传输速率：指每秒钟传输数据的比特数（bit），单位bps，目前常用的有4种: 155Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps、10Gbps等。传输速率一般向下兼容，因此155M光模块也称FE（百兆）光模块，1.25G光模块也称GE（千兆）光模块，这是目前光传输设备中应用最多的模块。此外，在光纤存储系统（SAN）中它的传输速率有2Gbps、4Gbps和8Gbps；第三、 传输距离：指光信号无需中继放大可以直接传输的距离，单位千米（也称公里，km）,光模块一般有以下几种规格：多模550m，单模15km、40km、80km和120km等等，详见第一项说明。光模块分类：光收发一体模块种类繁多：按封装可分为：1*9，SFF，SFP，SFP+，XFP，GBIC，X2，XENPARK，300Pin等； 其中，可热插拔封装：SFP，SFP+，XFP，GBIC，X2，XENPARK，300Pin； 不可热插拔封装（带插针）：1*9，SFF； （1）1*9封装-焊接型光模块，一般速度不高于千兆，多采用SC接口。 （2）SFF封装-焊接小封装光模块，一般速度不高于千兆，多采用LC接口。SFF（Small Form Factor）小封装光模块采用了先进的精密光学及电路集成工艺，尺寸只有普通双工SC（1*9)型光纤收发模块的一半，在同样空间可以增加一倍的光端口数，可以增加线路端口密度，降低每端口的系统成本。又由于SFF小封装模块采用了与铜线网络类似的MT-RJ接口，大小与常见的电脑网络铜线接口相同，有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡到更高速率的光纤网络以满足网络带宽需求的急剧增长。 （3）GBIC封装-热插拔千兆接口光模块，采用SC接口。GBIC是Giga Bitrate Interface Converter的缩写，是将千兆位电信号转换为光信号的接口器件。GBIC设计上可以为热插拔使用。GBIC是一种符合国际标准的可互换产品。采用GBIC接口设计的千兆位交换机由于互换灵活，在市场上占有较大的市场份额。 （4）SFP封装-热插拔小封装模块，目前最高速率可达4G，多采用LC接口。SFP是Small Form Pluggable的缩写，可以简单的理解为GBIC的升级版本。SFP模块体积比GBIC模块减少一半，可以在相同的面板上配置多出一倍以上的端口数量。SFP模块的其他功能基本和GBIC一致。有些交换机厂商称SFP模块为小型化GBIC（MINI-GBIC）。 （5）XENPAK封装-应用在万兆以太网，采用SC接口。 （6）XFP封装-10G光模块，可用在万兆以太网，SONET等多种系统，多采用LC接口。按速率可分为单位Mb/s或Gb/s。主要涵盖了以下速率：低速率、百兆（155M，622M）、千兆、1.25G、2.5G、4.25G、4.9G、6G、8G、10G和40G等。按波长可分为常规波长，CWDM，DWDM等几类；按颜色可区分为单模光纤（黄色）和多模光纤（橘红色）；光纤接口简介：光纤接口是用来连接光纤线缆的物理接口。通常有SC、LC、FC、ST等几种类型。我们公司SFP封装用LC接口较多，1*9封装用SC接口较多。光纤接口：SFP光模块都是LC接口的，GBIC光模块都是SC接口的，其他接口还有FC和ST等。下面就是几种接口类型的图片。技术参数：光发射器技术参数：（1）光功率:光发射器的光功率值，单位：dBm。由激光器发送光功率决定，光功率对光信号传输距离起着决定性作用。理论上来说，光功率越大，光信号传输距离越远（中继距离长），但实际上，光功率越大，对激光器的寿命会有很大的影响。 目前比较常用的激光器类型有：FP和DFP，当然还有其他几种类型，如VCSEL，EML等；LED发光二级管也可以作为光源使用，只是一般用于低速率（155M）、短距离（2KM）场合。几种常用半导体光发射器件的比较如下表：类型主要波长(nm）优点缺点主要应用场合LED1310nm线性度较好；温度特性好；价格低、寿命最长、使用简单谱线较宽；耦合效率低低速（155M）；短距离（2KM）VCSEL850nm谱线窄；功耗低；调制速率高；耦合效率最高；成本低线性度较差；温度特性较差155M16G；短距离（500M）FP1310 nm1550 nm多纵模；谱线较窄；调制速率高；成本较低耦合效率低；线性度、温度特性较差155M10G；中距离（40KM）DFB1270 nm1610 nm单纵模；谱线窄；调制速率高；波长稳定性好耦合效率较低；温度特性较差；成本高2.5G40G；长距离（80KM）EAM（EML电吸收调制激光器）驱动电压低；功耗低；调制带宽高；体积小；结构紧凑成本高比传统DFB激光器更适合高速率、长距离的传输激光器（Laser Device）FP与DFB：都是边缘发光，谐振腔结构不同，多用于单模中长距离传输，可以把此两种激光器归为同一类，两者主要区别就是，DFB激光器内置一个隔离器，可以滤掉不需要的波长，降低色散度，因此可以传得更远，但是价格要贵一些；LED与VCSEL（垂直腔面发射激光器）：都是面发光，谐振腔结构不同，多用于多模短距离传输，主要传输波长为850nm；EAM（EML）：电吸收调制激光器，光电集成器件，由TEC致冷器，激光二极管，EA调制器，背光检测二极管，热敏电阻等组成，常用于超长距离传输，价格就更贵一些。 在光纤通信中，占主要地位的是半导体激光二极管，它主要用于长距离和大容量（高码速）的光纤通信系统中，其次是发光二级管，可用于短距离、低容量系统或者用于模拟系统。（2） 谱宽：光源器件的谱线宽度，越窄越好。越窄，引起的光色散就越小，就越利于进行大容量传输。（3） 消光比：“1”码光脉冲功率与“0”码光脉冲功率之比。通常希望光发送机的消光比大一些为好。（4） 边模抑制比（SMSR）：针对使用单纵模激光器（DFB）的光发送机而言，主纵模的光功率与最大边模光功率之比，SMSR30dB，主光功率是最大边模光功率的1000倍以上。FP激光器与DFB激光器对比分析：FP激光器色散比DFB激光器色散大，主要用于20KM40KM中距离传输，DFB色散小，主要用于40KM以上长距离传输。FP激光器：光谱特性不好，存在多个边模，存在色散问题，只能用于中低速率（1G2G以下速率），短距离的应用（小于10KM）。OC-48速率，用于2KM产品组； （注：OC-48速率：48倍光学载波，传输速度为2488.32Mbit/s ，SONET光缆基本速率OC-1的48倍。）1G速率，通常用于10KM产品组；155M速率，通常用于40KM产品组。DFB激光器：光谱特性非常好，可以避免长距离传输中色散的影响，所以，广泛的应用于长距离、高速率的场合。OC-48速率，10KM以上产品都使用DFB激光器；1G速率，40KM以上产品都是使用DFB激光器；155M速率，80KM以上产品都是用DFB激光器。激光器类别：激光器是光模块中最核心的器件，将电流注入半导体材料中，通过谐振腔的光子振荡和增益射出激光。目前最常用的激光器有FP和DFB激光器，它们的差异是半导体材料和谐振腔结构不同，DFB激光器的价格比FP激光器贵很多。传输距离在40KM以内的光模块一般使用FP激光器；传输距离40KM的光模块一般使用DFB激光器；注：光发射器参数最重要的是光功率以及消光比，其他的只做了解。光接收器技术参数：半导体光接收器件的特性参数：（1） 响应度：单位光功率信号入射到光二极管时所产生的首次光电流，由其量子效率决定的，优质的光电二极管的量子效率可达到90%。（2） 响应时间（或频率特性）：PIN光电二极管响应时间一般为1ns左右。（3） 结电容：影响PIN光电二极管的响应时间，对光接收机的灵敏度起决定性作用，越小越好，一般为几个PF。（4） 暗电流：光电二极管附加噪声的主要来源，主要由结构决定的体电流和工艺造成的暗电流组成。 由于PIN光二极管无倍增效应，暗电流也很小，本身产生的附加噪声也很低，对光接收机灵敏度产生的影响并不显著。在光通信中使用的光接收器件（光探测器件）有2大类，即PIN光电二极管与APD雪崩光电二极管。两者比较如下表：类型响应波段优点缺点主要应用GaAs/InGaAs PIN PD(无倍增效应）830nm860nm/1100nm1600nm噪声小；工作电压低（仅十几伏）；工作寿命长；使用方便和价格便宜灵敏度不高155M40G；较短距离（40KM）InGaAs APD PD（有倍增效应）1550nm灵敏度高噪声大；工作电压高（50V200V）；价格较贵1.25G10G；长距离（120KM）注：PIN的响应度通常为：0.650.97A/W（=0.91.7m)；APD（雪崩光电二极管）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610dBm。两者的主要区别就是，PIN光电二极管没有光电倍增效应（放大作用），APD雪崩二极管有光电倍增效应（放大作用）。由于APD自身就有放大作用，因此自身就相当于一个放大器，可以把探测到的微弱信号放大，因此接收灵敏度要比PIN高一些，这就导致价格要比PIN高。但是也有一个缺点就是，因为放大作用，对光信号的纯度要求很高（因为杂质光信号经放大就会产生很大的噪声，对光接收机的灵敏度会产生很大的影响），因此，APD对整个光模块的品质要求更高。光接收机的主要技术指标：（1） 误码率：光纤通信系统中的误码率较低，主要来源于系统的各种噪声和干扰。（2） 灵敏度：在保证达到所要求的误码比特率的条件下，接收机所需要的最小输入光功率，单位dBm。 光接收机的灵敏度主要由光接收机的噪声决定，有时也要考虑码间串扰的影响。噪声主要来自于检测器和放大器的噪声。（码间串扰：光纤色散和光接收机的有限带宽都会引起脉冲展宽，造成码间串扰，从而降低接收机的灵敏度。） 灵敏度是光接收机最重要的性能指标，它的概念是和误码率联系在一起的。在数字光纤通信系统中，接收端的光信号经检测、放大均衡后，进行判决、再生。由于噪声的存在，接收信号就有被误判的可能性。接收码元被错误判决的概率，称为误码率。灵敏度是指保证达到给定的误码率的条件下，光接收机需要输入的最低光功率。灵敏度可以用每一光脉冲所需要的最低平衡能量来表示，但更经常的是用最低平均光功率（W或dBm）来表示。 灵敏度表示光接收机调整到最低状态时，能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号，也即接收灵敏度越高，中继距离越远。（3） 动态范围：在长期使用过程中，光接收机的光功率可能会变化。低于这个动态范围的下限（即灵敏度），将产生过大的误码；高于这个动态范围的上限（接收机的过载功率），在判决时亦产生过大的误码。在保证系统的误码率指标的情况下，接收机的最低输出光功率（dBm）和最大输入光功率（dBm）之差。（4） 饱和光功率值：光模块接收端最大可以探测到的光功率，一般为-3dBm。当接收光功率大于饱和光功率的时候同样会导致误码产生。因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。（5） 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作了具体的规定。光功率、灵敏度、衰减度、传输距离之间的关系： 光功率用Pout表示，灵敏度用Pin表示，传输距离用D（distance）表示，衰减度用A（attenuation)表示，他们之间的关系可以用如下公司作出粗略计算：。 一般光衰减除了光纤传输距离衰减，还包括出光接头衰减，但是比较小（大概0.5dB），可以忽略。不同波长的光有不同的衰减度：1310nm波长的光衰减度大概为0.35dB/KM；1550nm波长的光衰减度大概为0.25dB/KM-0.3dB/KM。注：增加光发射机的平均光功率可以增大传输距离，但考虑到安全问题与激光器的寿命，光发射机的发射功率（光功率）不宜过大，如一般不超过+5dB。 因传输距离的不同，光纤收发器本身的发射功率，接收灵敏度和使用波长也会不一样。如5KM光纤收发器的发射功率一般在-20dB-14dB之间，接收灵敏度为-30dB，使用1310nm波长；而120KM光纤收发器的发射功率多在-5dB0dB之间，接收灵敏度为-38dB，使用1550波长。 光功率单位常用毫瓦（mw）和分贝（dB）表示，其中两者的关系为：1mw=0dB，而小于1mw的分贝为负值。这就是为什么我们见到的光模块的光功率基本都是负值。可以通过如下公式进行换算：，通讯用的光信号大多数都小于5mw。 衰减的表示方法：。（注意，这里的Pout和Pin单位为瓦（W）。 发射光功率和接收灵敏度：发射光功率指光模块发送端光源的输出光功率，接收灵敏度指在一定速率、误码率情况下光模块的最小接收光功率。这两个参数的单位都是dBm(意为分贝毫瓦，功率单位mw的对数形式，计算公式为10lg，1mw折算为0dBm)，主要用来界定产品的传输距离，不同波长、传输速率和传输距离的光模块光发射功率和接收灵敏度都会不同，只要能确保传输距离就行。 光模块的使用寿命：国际统一标准，724小时不间断工作5万小时（相当于5年）。非对称模块：所谓的非对称模块主要是指发射和接收的速率不一样，比如发射1.25G，接收155M。光模块应用领域：光模块广泛应用于光纤收发器、PDH光端机、协议转换器、视频光端机、以太网光纤交换机等领域。其主要作用就是将通信设备传过来的电信号转换成光信号再通过光纤传输，最后通过光接收器将光信号转换成电信号，光模块在其中起着一个中介过渡的作用。光器件分类：按结构，可分为：TO器件（TOSA，ROSA，BOSA）；DIP（或Butterfly）器件；表面贴装（surface mount）器件。TOSA器件：光发射器件；ROSA器件：光接收器件；BOSA器件：光收发一体器件；单纤与双纤的区别： 单纤模块：接收和发送的数据在一根光纤上传输；双纤模块：接收和发送分别在两根光纤上传输。 单纤模块可以节省一半的光缆资源，即在一芯光纤上实现数据的收发，在光纤资源紧张的地方十分适用；双纤模块需要占用两根光纤，一根用于发送（TX），一根用于接收（RX）。 单纤模块普遍的波长分别为1310nm和1550nm，配对使用，即一端为1310nm波长，另一端为1550nm波长，既可以发送，也可以接收；而双纤模块都是统一波长，即发送和接收都是使用同一个波长。（注：单纤双向与双纤双向的主要区别在于传输与接收波长是否一致，单线双向要求波长不一致，双纤双向要求波长一致）。 单纤光接口常采用SC接口，双纤光接口常采用FC接口。光模块特点及应用：名称特点应用1*9光模块工作速率：155M1G；工作电压：3.3V或5V；波长：1310nm，1550nm；宽温工作范围；传输距离可达80KM。数据通信：快速以太网，千兆以太网；电信：OC-3/STM-1，OC-12/STM-4。GBIC光模块工作速率：155M2.5G；工作电压：3.3V或5V；波长：850nm，1310nm，1550nm；传输距离可达160KM；带数字诊断功能（部分）数据通信：千兆以太网，1X/2X光纤通道；电信：OC-3/STM-1，OC-12/STM-4，OC-48/STM-16。SFF光模块工作速率：155M2.5G；工作电压：3.3V；波长：850nm，1310nm，1550nm；宽温度工作范围；传输距离可达80KM；带数字诊断功能（部分）数据通信：快速以太网，千兆以太网，1X/2X/4X光纤通道；电信：OC-3/STM-1，OC-12/STM-4，OC-48/STM-16。SFP光模块工作速率：155M2.5G；工作电压：3.3V；波长：850nm，1310nm，1550nm，WDM；宽温度工作范围；传输距离可达100KM以上；带数字诊断功能数据通信：快速以太网，千兆以太网，1X/2X/4X光纤通道；电信：OC-3/STM-1，OC-12/STM-4，OC-48/STM-16。PON光模块工作速率：155M2.5G；工作电压：3.3V；传输距离可达20KM；带数字诊断功能PON接入网。XFP光模块工作速率：10G；工作电压：3.3V；波长：1310nm，1550nm，DWDM；传输距离可达80KM；带数字诊断功能数据通信：10G以太网，10G光纤通道。电信：OC-192/STM-64。300-Pin Transponder模块工作速率：10G；工作电压：3.3V；波长：1550nm，DWDM；传输距离可达80KM；带数字诊断功能电信：OC-192/STM-64。传输速率（bit/s)SDH等级系列比特率（bit/s)STM-1155.52MSTM-4622.08MSTM-162.48832GSTM-649.95328G工作温度：0+70； 储藏温度：-45+80；工作电压：3.3V； 工作电平：TTL。数字诊断（DDM）模块特点：（1） 数字电位器（或ADC）代替传统调节电阻，通过串行数据总线I2C访问及续写；（2） EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）空间有A0h和A2h两个空间组成；其中，A0h用来存储固定信息，而A2h则主要用来存储与DDM监控功能相关的信息；（3