光模块基础知识培训硬件

1、光模块基础知识培训硬件光纤通信的优点光纤通信的优点n 通信容量大通信容量大n中继距离长中继距离长n 不受电磁干扰不受电磁干扰n资源丰富资源丰富n 光纤重量轻、体积小光纤重量轻、体积小光纤通信发展史光纤通信发展史n19661966年年“光纤之父光纤之父”高锟博士首次提出光纤通信的想法。高锟博士首次提出光纤通信的想法。n19701970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器。年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器。n19701970年康宁公司的卡普隆年康宁公司的卡普隆(Kapron) (Kapron) 之作出损耗为之作出损耗为20dB/km20dB/km光纤。光纤。n197

2、71977年芝加哥第一条年芝加哥第一条45Mb/s45Mb/s的商用线路。的商用线路。电磁波谱电磁波谱1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長波長10G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f (Hz)1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm光通信使用范围光通信使用范围红外线红外线紫外线紫外线光的基本知识光的基本知识n 光是一种电磁波光是一种电磁波n可见光可见光 350nm750nmn 光纤通信所用的波长光纤通信所用的波长 800nm1600nmn 光的反射、折射光的反

3、射、折射n 全反射全反射光的基本知识光的基本知识n1n2n1 n2n1n2临界角临界角900临界角临界角n1n2全反射全反射入射角入射角=反射角反射角12典型的数字光纤通信系统方框图典型的数字光纤通信系统方框图 光纤通信用光器件光纤通信用光器件n 发光二极管（发光二极管（LED）n 激光二极管（激光二极管（LD） VECSEL FP DFB MQWLED优缺点优缺点GaAsAl材料材料 ，非阈值器件。，非阈值器件。 优点：优点：n 线性度好线性度好 n 温度特性好温度特性好 n 价格低、寿命长、使用简单价格低、寿命长、使用简单 缺点：缺点：n 谱线较宽谱线较宽 （30-100nm）n 与光纤的

4、耦合效率低与光纤的耦合效率低 （光纤耦合效率一般仅有（光纤耦合效率一般仅有12，最多不超过最多不超过10%） 激光二极管激光二极管LDn LD发光机理发光机理 LD 的发光机理是受激发光，即利用的发光机理是受激发光，即利用LD 中的谐振腔发生振荡而激发出许许多中的谐振腔发生振荡而激发出许许多多的频率相同的光子，从而形成激光。多的频率相同的光子，从而形成激光。 用半导体工艺技术在用半导体工艺技术在PN结两侧加工出两个相互平行的反射镜面，这两个反射结两侧加工出两个相互平行的反射镜面，这两个反射镜面与原来的两个解理面（晶体的天然晶面）构成了谐振腔结构。当在镜面与原来的两个解理面（晶体的天然晶面）构成

5、了谐振腔结构。当在LD两两端加上正偏置电压时，象端加上正偏置电压时，象LED 一样在一样在PN 结区域内因电子与空穴的复合而释结区域内因电子与空穴的复合而释放光子。而其中的一部分光子沿着和反射镜面相垂直的方向运动时，会受到放光子。而其中的一部分光子沿着和反射镜面相垂直的方向运动时，会受到反射镜面的反射作用在谐振腔内往复运动。只要外加正偏置电流足够大，光反射镜面的反射作用在谐振腔内往复运动。只要外加正偏置电流足够大，光子的往复运动会激射出更多的、与之频率相同的光子，即发生振荡现象，从子的往复运动会激射出更多的、与之频率相同的光子，即发生振荡现象，从而发出激光。此之所谓受激发光。而发出激光。此之所

6、谓受激发光。LD优缺点优缺点优点：优点：n 发光谱线窄发光谱线窄 （1-5nm）n 与光纤的耦合效率高与光纤的耦合效率高 n 阈值器件阈值器件 缺点：缺点：n 温度特性的较差温度特性的较差 n 线性度较差线性度较差 n 工作寿命较短工作寿命较短 LD调制方式调制方式两种调制方式：两种调制方式：n 外调制外调制 光信号（无调制信号）光信号（无调制信号） 调制信号调制信号 调制的光信号调制的光信号n 内调制内调制 调制信号调制信号 LD工作电流工作电流 调制的光信号调制的光信号IPPavgP0P1Imodm = (P1 - P0) / (P1 + P0)m =I(Iavg - Ith) I = (

7、Imod) / 2IavgIthLD的温度特性的温度特性n LD是半导体器件，它的特性与二极管是半导体器件，它的特性与二极管类似类似n 温度升高，阈值电流温度升高，阈值电流Ith增大，斜效率增大，斜效率S降低降低 n 为了保持输出平均光功率和消光比不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变，在温度上升时要增大IBIAS和和IMOD 消光比消光比 ER = 10*log(P1 / P0) 平均光功率平均光功率PAVG = (P1 + P0) / 2LD的温度特性的温度特性常用光功率自动控制电路常用光功率自动控制电路VCCImpdIbVCCVCCn 通过检测背光二极管(MD)产生的

8、光电流(平均值)来实现闭环控制。n APC调节偏置电流来保持平均输出光功率稳定；APC只对偏置电流回路起作用。n APC对调制电流无法控制，温度升高，斜效率降低，调制幅度变小，APC却使偏流加大，消光比就变小了。稳定光功率和消光比的方法稳定光功率和消光比的方法n 闭环自动功率控制（闭环自动功率控制（APC）+ 补偿调制电流（热敏电阻或补偿调制电流（热敏电阻或MCU查表）查表）n 开环补偿法开环补偿法热敏电阻补偿热敏电阻补偿(调制电流和偏置电流调制电流和偏置电流)通过通过MCU查表精确设置调制电流和偏置电流查表精确设置调制电流和偏置电流n K因子补偿法因子补偿法 “K-因子因子”补偿，是在激光器

9、偏置电流增大的同时，按比例增大调制电流。补偿，是在激光器偏置电流增大的同时，按比例增大调制电流。 LD和驱动芯片接口要求和驱动芯片接口要求nTO型激光器安装在型激光器安装在PCB边沿时，接地层要扩展到边沿时，接地层要扩展到PCB边沿以减少管脚引线电感，过大的电感边沿以减少管脚引线电感，过大的电感会使波形边沿速度变慢。会使波形边沿速度变慢。n激光器要尽可能靠近驱动器芯片，只要接线长度小于传输波长，可以不考虑传输线的几激光器要尽可能靠近驱动器芯片，只要接线长度小于传输波长，可以不考虑传输线的几何尺寸，减少线宽有利于减小寄生电容。何尺寸，减少线宽有利于减小寄生电容。n要仔细考虑高速信号电流环路，尽量

10、减小返回路径的连接阻抗，并使高速电流环路闭合面积最要仔细考虑高速信号电流环路，尽量减小返回路径的连接阻抗，并使高速电流环路闭合面积最小，就能减少小，就能减少EMI。n在激光器阳极处在激光器阳极处Vcc要有足够的旁路电容，以降低高速电流切换而产生的电源开关噪声。要有足够的旁路电容，以降低高速电流切换而产生的电源开关噪声。数字系统中常用参数定义数字系统中常用参数定义10%90%50%脉冲宽度脉冲宽度上升时间上升时间下降时间下降时间周期周期振幅振幅数字系统中常用参数定义数字系统中常用参数定义n 振幅：脉冲的高度在光纤系统中表示光功率能量。振幅：脉冲的高度在光纤系统中表示光功率能量。n 上升时间：脉冲

11、从最大振幅的上升时间：脉冲从最大振幅的10%上升到上升到90%所需要的时间。所需要的时间。n 下降时间：脉冲从振幅的下降时间：脉冲从振幅的90%下降到下降到10%所需要的时间。所需要的时间。n 脉冲宽度：脉冲在脉冲宽度：脉冲在50%振幅位置的宽度，用时间表示。振幅位置的宽度，用时间表示。n 周期：脉冲特定的时间，就是完成一个循环所需要的工作时间。周期：脉冲特定的时间，就是完成一个循环所需要的工作时间。n 消光比：消光比：1信号光功率于信号光功率于0信号光功率的比值。信号光功率的比值。光纤的结构光纤的结构纤芯纤芯包层包层保护套保护套光纤的尺寸光纤的尺寸外径：一般为外径：一般为125um （一根头发平均（一根头发平均100um）内径：内径： 单模单模9um OS1 多模多模50/62.5um OM1 第一代多模光纤第一代多模光纤 62.5um OM2 第二代多模光纤第二代多模光纤 50um OM3 万兆多模光纤万兆多模光纤 50um12595012562.5125常用连接器类型常用连接器类型SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack常用连接器类型常用连接