通信光模块基础讲解

光模块基础学习资料201901光模块基础介绍★基本定义★主要分类★结构原理光通信专业术语光通信术语名词解释英文全称光通信术语名词解释英文全称100GLambdaMSA单通道100Gbps100GLambdaMulti-SourceAgreementQSFP28四通道小型可插拔光模块QuadSmallForm-factorPluggable28ASIC专用集成电路ApplicationSpecificIntegratedCircuitTEC半导体热电制冷器ThermoElectricCoolerCAUI100G以太网电接口100GbpsAttachmentUnitInterfaceTIA跨阻放大器Trans-ImpendanceAmpilfierCFP100G可插拔光模块CenturmForm-factorPluggableAPD雪崩光电二极管AvalanchePhoto-DiodeCDR时钟数据恢复ClockDataRecoveryPIN同质PN结光电二极管PositiveIntrinsicNegativeCWDM4四路粗波分复用CoarseWavelengthDivisionMultiplexing4VCSEL垂直腔面发射激光器VerticalCavitySurfaceEmittingLaserDeMux光学多路解复用器（分波器）DemultiplexerDFB分布反馈式激光二极管DistributedFeedbackLaserDML直接调制激光器DirectModulatedLaserFP法布里-珀罗激光二极管Fabry-PerotEAM电吸收调制器ElectroAbsorptionModulatorPD光电二极管photo-DiodeEML电吸收调制激光器Electro-absorptionModulatedLaserTOSA光发射模块TransmitterOpticalSubassemblyLAN-EDM（局域网）波分复用（LocalAreaNewwork）WavelengthDivisionMultiplexingROSA光接收模块ReceiverOpticalSubassemblyMD监测光电二极管MonitorDiodeBOSA光电收发一体模块Bi-DirectionalOpticalSub-AssemblyMMF多模光纤Multi-ModeFiberNRZ非归零调制NonReturnZeroMux光学多路复用器（合波器）MultiplexerPSM4四路并行单模通道ParallelSingleMode4laneSMT表面贴装技术Surface Mount TechnologyFoB“软板”贴片Flexible Printed CircuitonBoard

光模块(OpticalModule)由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。简单的说，光模块的作用就是光电转换，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。光模块定义光模块类型一、按封装：1X9、GBIC、SFF、SFP、XFP、SFP+、X2、XENPAK、300pin二、按电接口分类：热插拔（金手指）(GBIC/SFP/XFP)、排针焊接样式(1×9/2×9/SFF)

一般信号超过2.5G，用排针焊接方式对信号有一定的损耗。超过10G的时候，就必须要用金手指。所以目前的高端模块电接口全部是采用金手指的方式。但排针焊的优点是相对金手指更牢固，在一些特殊情况下需使用排针焊接口。三、按速率：100M、622M、1.25G、2.5G、4.25G、10G、40G、100G、200G、400G四、按波长：850nm、1310nm、1550nm、CWDM、DWDM五、按模式：单模光纤（黄色）、多模光纤（橘红色）六、按光接口分类：LC、SC、FC、ST、MPO/MTP七、按功能：不带数字诊断功能（NoneDDM）、

带数字诊断功能（DDM）光模块类型QSFP+LC与QSFP+MTP/MPO1、CWDM(粗波分复用)粗波分复用（Coarsewavelengthdivisionmultiplexing，CWDM）是一种利用光复用器将在不同光纤中传输的波长复用到一根光纤中传输的技术。它的ITU最新标准为G.695，规定了从1271nm到1611nm之间间隔为20nm的18个波长通道，考虑到普通G.652光纤的水峰影响，一般使用16个通道。因为通道间隔大，所以合分波器件以及激光器都比DWDM器件便宜。2、DWDM（密集波分复用）密集波分复用技术（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，DWDM），指的是一种光纤数据传输技术，这一技术利用激光的波长按照比特位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据。它的通道间隔根据需要有0.4nm、0.8nm、1.6nm等不同间隔，间隔较小、需要额外的波长控制器件，所以基于DWDM技术的设备较之基于CWDM技术的设备价格高。名词解释-CWDM、DWDM3、CWDM和DWDM的比较CWDM是DWDM的近亲，皆属于波分复用技术，都可以将不同波长的光偶合到单芯光纤中去，一起传输。区别主要有三点：（1）CWDM光波通道间距较宽，同一根纤上复用光波长数比DWDM少，“粗”与“密集”称谓的来由就在于此。（2）CWDM光调制采用非冷却激光，用电子调谐；而DWDM采用的是冷却激光，用温度调谐。由于在一个很宽的光波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本，目前CWDM系统成本一般只有DWDM的30％。（3）CWDM系统的功耗和物理尺寸均比DWDM系统的小得多。CWDM粗波分复用传输系统数字诊断功能（DDM）

在SFF-8472MSA中，规范了数字诊断功能及有关SFF-8472的详细内容。该规范规定，在模块内部的电路板上侦测和数字化参数信号。然后，提供经过标定的结果或提供数字化的测量结果及标定参量。这些信息被存贮在标准的内存结构中，以便通过双缆串行接口读取。SFF-8472保留了原来SFP/GBIC在地址A0h处的地址映射，并在地址A2h处又新增了一个256字节的存贮单元。这个存贮单元除了提供参数侦测信息外，还定义了报警标志或告警条件，各个管脚的状态镜像，有限的数字控制能力和用户可写的存储单元。功能应用光纤收发模块中的故障诊断功能为系统提供一种性能监测手段，可以帮助系统管理预测收发模块的寿命、隔离系统故障并在现场安装中验证模块的兼容性。

●兼容性验证数字诊断的另一个功能是模块的兼容性验证。兼容性验证就是分析模块的工作环境是否符合数据手册或和相关的标准兼容。模块的性能只有在这种兼容的工作环境下才能得到保证。在有些情况下，由于环境参数超出数据手册或相关的标准，将造成模块性能下降，从而出现传输误码。工作环境与模块不兼容的情况有：1）电压超出规定范围；2）接收光功率过载或低于接收机灵敏度；3）温度超出工作温度范围。名词解释-DDM光模块结构（以SFP为例）

各种类型光模块虽然封装，速率，传输距离有所不同，但是其内部组成基本是一致的。SFP收发合一光模块因其小型化，热插拔方便，支持SFF8472标准，模拟量读取方便，且检测精度高(+/-2dBm以内)而逐渐成为运用主流，下面就以SFP光模块为例，介绍其内部的组成和相关的工作原理。光模块结构（以SFP为例）光模块的基本构成包含以下几部分：1、光器件（opticaldevice）2、集成电路板（PCBA）3、外壳光模块结构（以SFP为例）1、光器件（opticaldevice）光器件是由少数几个光电子元件和IC、无源元件（如电阻、电容、电感、互感、微透镜、隔离器）、光纤及金属连线组合、封装在一起，完成单项或少数几项功能的混合集成件。分类：按功能分类：光发射器件、光接收器件按结构分类：TO器件(TOSA，ROSA，BOSA)、DIP（或Butterfly）器件、表面贴装（SurfaceMount)器件等；按传输速率分类：155M、622M、1.25G、2.5G、10G等；光模块结构（以SFP为例）1.1、发射组件TOSA（是光模块的主要部件）光源激光二极管（LD芯片）是核心-Chip监测光电二极管(MPD)其他元件封装在TO同轴中就构成光发射组件TOSA。根据光源类型的不同，主要分为以下几类：光源类型波长（nm）材料主要特点可实现速率传输距离应用场景VCSEL850GaAs（砷化镓）面发射，耦合效率高，多模光纤25G及以下500m数据中心、无线接入DFB1270-1610GaAs、InP边发射，耦合效率低，单模光纤25G及以下80km数据中心、城域网及接入网EML1310-1550InP（磷化铟）边发射，成本高50G及以下80km骨干网、城域网及DCI互联光模块结构（以SFP为例）1.1.1、FP激光器FP激光器的谐振腔由镀膜的自然解理面形成的，只能实现静态单模工作。在高速调制或温度和电流变化时，会出现模式跳跃和谱线展宽。光模块结构（以SFP为例）1.1.2、DFB激光器DFB(DistributedFeedbackLaser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（BraggGrating），属于侧面发射的半导体激光器。DFB激光器将布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中（也就是增益介质中），在谐振腔内即形成选模结构，可以实现完全单模工作。1.2激光器的工艺难度Process（工艺流程）GaSb-processing（锑化镓材料生长）BackEnd（后续处理）coating/lift-off（镀膜/剥离）cleaving（切割）opticallithography（光学光刻）facetcoating（端面镀膜）e-beam（电子束成象）characterization（参数塑造）vaporcoating（气相涂盖）mounting(TO-header)（安装）etching（蚀刻）fibercoupling（光纤耦合）electroplating（电解沉积）burn-In（预烧）qualitycontrol（质量控制）......激光器的制作工艺非常复杂，体现了半导体产品在生产制造上的最复杂程度，下表是以DFB激光器为例的主要生产工艺流程（从材料生长到封装的整个过程）：光模块结构（以SFP为例）光模块结构（以SFP为例）1.3、接收组件ROSA接收组件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、整形恢复为原输入的电信号。光电检测器（PIN光电二极管-短距，或APD雪崩光电二极管-长距）前置（跨阻）放大器TIA其他元件封装在TO同轴中就构成光发射组件TOSA。

APD：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，但是需要提供30~60V的偏置高电压。

TIA：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信号电压输出，为适应高速率应用,前置放大器一般使用跨阻放大器，跨阻放大器就是一个I-V变换器，TIA中还有AGC自动增益控制功能电路，以保证足够的信号动态范围。光模块结构（以SFP为例）2、PCB'A（PrintedCircuitBoard+Assembly）PCB空板经过SMT（贴片）上件，或经过DIP插件的整个制程，简称PCBA。光发射电路/光接收电路芯片（控制芯片、储存芯片）放大器（限幅放大器）时钟数据恢复（CDR）金手指光发射电路结构包括下列部分：①差分电流开关电路—向LD输出调制电流；②偏置电流发生器—向LD提供直流偏置电流③自动功率控制(APC)电路—在不同温度和LD老化的情况下,改变BIAS,保持功率不变。④故障告警、保护电路光模块结构（以SFP为例）2.1、时钟和数据恢复（CDR-ClockandDataRecovery）电路在数字通信系统中，码元同步是系统正常工作的必要条件。时钟和数据恢复电路的作用就是在输入数据信号中提取时钟信号并找出数据和时钟正确的相位关系光模块结构（以SFP为例）3、外壳外部配件包含有外壳（钣金上盖）、解锁件、卡扣、底座（锌合金压铸）、拉环、橡胶塞，拉环的颜色可以辨别模块的参数类型。1、拉手扣2、接收接口3、发送接口4、壳体5、标签6、防尘帽7、裙片8、接头光模块结构（以SFP为例）3.1、如何用拉环颜色区分波段拉环颜色波长黑色850nm蓝色1310nm紫色1490nm黄色1550nm（120km以上用绿色）常用波段对应的拉环颜色拉环颜色灰色紫色蓝色绿色黄色橘色红色棕色波长（nm）14701490151015301550157015901610CWDM光模块各个波段对应的拉环颜色常见的光通信中的编码方式一、NRZ编码1、NRZcoding:1用发光表示，0用熄灭表示。这种编码通常只用于低于10Gbps速率光连接信号，目前也有逐渐被替代的趋势。2、NRZI编码：为了确保在数据传输时有足够的跳变便于接收端稳定的工作，,大多数采用光纤传输的数字通讯系统采用Non-ReturntoZeroInverted(NRZI)coding.在NRZIcoding,0表示成线路上的信号状态跳变，1表示成状态不变。这种算法可以确保数据上有0串时不会出问题。常见的光通信中的编码方式二、RZ编码在RZ编码里,信号在每个单位时间里都会回到0状态即熄灭无光状态，1也只是有一半的时间处于激光开状态。常见的光通信中的编码方式三、NRZ和RZ两种编码的眼图比较NRZ编码眼图，高功率电平为逻辑1，低功率电平为逻辑0，在两高低两阶跳变。RZ编码眼图，底部有一根线为逻辑0，逻辑1显示为脉冲。

●NRZ编码长期在光纤传输中占据统治地位，但是这种局面已经开始显示终结。NRZ编码更适合在传统的Coppermedia中传输，目前主要通常在10Gbps及以下的速率长距系统中应用。

●RZ比较NRZ码而言，相同速率下具有较宽的频谱范围，更低的失真、更低的功耗、能更好地抑制非线性的影响。适合在大功率条件下工作，缺点是展宽了信号的频谱，限制了信道的间隔。但对现代光纤传输系统而言带宽已经不再是限制条件，因此在高带宽传输系统中普遍采用RZ码，目前在10Gbps以上系统中已经开始采用RZ码。光模块的应用场景磁盘阵列磁盘驱动主机总线适配器光纤通道交换机以太网交换机/路由器网卡服务器/数据中心光模块的应用场景FTT×接入网无线接入网SDH/SONET以太网MSTPWDMOTNIP-RANPTN承载网POTN光模块PCB’A的SMT（贴片）工艺难点解析

光模块本身体积非常小，其对应PCB’A上的元件密度大、尺寸小。一般片式元件(Chip)大都采用0402封装，且0201封装也开始逐步推广。另外，由于光模块需要通过金手指（GolderFinger）与系统基站进行连接，因此，金手指在SMT过程中的“污染”问题也成为工艺难点之一。另外，由于集成度非常高，有些光模块PCB’A需要采用一些工艺创新方法：通孔接插件（THC：ThroughHoleComponent）采用通孔回流焊新工艺（THR：ThroughHoleReflow）；柔性线路板FPC（FlexiblePrintedCircuit）与硬制线路板PCB（PrintedCircuitBoard）之间采用软、硬板结合焊接新工艺（FoB：FPConBoard）；0402片式（电）阻、（电）容之间的三维实装焊接新工艺（CoC：ChiponChip）。光模块PCB’A的SMT（贴片）常见问题点

1、THR（通孔回流焊）常见问题点

1.1THR少锡

●插针引脚太长、当插针引脚面过长超出板面≥1.5mm时，针尖插入后带有锡膏在回流时无法拉回造成通孔内少锡，如图1所示。通常针脚露出PCB表面0.8-0.15mm，如图2。图1、插针引脚过长图2、最佳引脚长度

●印刷锡膏量不够与钢网开口、印刷参数有密切关联。常见的THR开口方式有圆形、椭圆形、方形，分别如图3、4、5所示。建议THR工艺采用阶梯(StepUp)钢网。刮刀速度范围20mm/s-40mm/s，刮刀压力范围5kg-8kg，还可采用重复印刷两次的方式来增加通孔内填充的锡膏量。图3、圆形开口图4、椭圆形开口图5、方形开口光模块PCB’A的SMT（贴片）常见问题点

2、金手指（GoldenFinger）上锡金手指上锡的可能原因是制程污染（如印刷、5S等）、锡膏误印后的清洁不彻底、回流过程中“爆锡”等。目前比较成熟的解决方法为：在印刷前贴高温胶带进行保护，SMT完成后撕开高温胶带。图6、7表示的是金手指贴高温胶带前后的对比效果。图6、未贴高温胶带的金手指图7、已贴高温胶带的金手指

3、Microchip0201常见问题

3.1Microchip0201元件空焊●印刷偏移印刷偏移是影响到元件空焊的关键因素之一，印刷参数设定及PCB本身布局直接影响到印刷效果，所以一般印刷偏移现象需对印刷参数和条件进行调整如（Mark相似度、刮刀速度、刮刀压力、脱膜速度/距离、顶针摆放等），对一些特殊的PCB可能需要制作夹具来保证印刷质量。从图8中可看出0201元件印刷锡膏偏移量控制在±0.05mm以内，可以获得较好的品质。图8、锡膏偏移量与焊接品质的关系光模块PCB’A的SMT（贴片）常见问题点

●贴装偏移贴装偏移可能为元件识别参数设置不当及元件坐标偏移等导致，需对元件参数重新进行设置及较正元件贴片坐标。图9、10分别表示元件识别和贴装效果。图9、Microchip0201识别效果图10、Microchip0201贴装效果

●回流曲线设置不当Microchip0201器件回流曲线设置建议使用RTS曲线，避免因使用RSS曲线恒温区到回温区急促升温导致焊盘两端拉力不一致而产生不良。参考Profile曲线如图11。3.2Microchip0201漏件●吸嘴发白、脏污吸嘴发白、脏污可能是贴片过程中沾有锡膏或异物造成，针对此现象需要对吸嘴进行清洗并测试真空值是否OK即可，同时需规范清洗的频度，一般生产两小时需对吸嘴进行清洗一次。●取料偏移当物料取料偏移时，机器在高速运行状态物料吸附真空不够，造成偏移。针对此现象需对物料取料位置进行“Teach”保证取料无偏移情况，并对元件识别参数进行调整。图11、参考Profile曲线光模块PCB’A的SMT（贴片）常见问题点

4、FoB（“软板”贴片）常问题解析

4.1FPC（柔性印刷线路板）通孔不透锡，如图12所示

FPC通孔不透锡通常是由锡膏量不足或FPC变形导致。锡膏量不足可采用阶梯(StepUp)钢网的方式增加FoB处的锡膏量，阶梯高度一般为0.05-0.1mm。而FPC变形则可以采用类似相片过塑的方式将其整平，达到变形量小于0.1mm的工艺要求，FoB通孔透锡OK如图13。图12、FoB通孔透锡NG图13、FoB通孔透锡OK

5、CoC（三维实装焊接新工艺）常见问题CoC片式元件三维实装结构图及焊点实际图片分别如图14、15所示，其中T/C表示TopComponent，即顶层元件；B/C表示BottomComponent，即底层元件。图14、CoC示意图图15、CoC实物图光模块PCB’A的SMT（贴片）常见问题点

5.1T/C取不上料

●由于CoC工艺的特殊性质，在T/C无法取料时，可将设备运行速度进行调整到5%-10%，同时需观察吸嘴是否与物料接触到位及“Pickup”高度是否合理。

●吸嘴是否有堵孔及脏污现象，如有需将其进行清洗并测试真空。

●顶针放置是否平稳，PCB贴片顶针摆放不在同一平面将导致吸嘴无法接触到物料表面进行取料。

●元件参数设置不当，元件吸取与贴装参数都相对要慢。例如：使用YAMAHA设备一般需使用QFP模式进行取料及贴装。

5.2T/C漏件

●T/C漏件可能为吸嘴脏污造成误识别等，CoC工艺需定时对吸嘴进行检查是否有脏污及其它真空异常(如两小时对吸嘴真空进行测试检查)。

●T/C元件识别参数设置不当，元件识别误参范围过大导致T/C漏件(一般设置在25%为最佳条件)。

5.3T/C空焊

●检查T/C托盘取料位置是否在元件中心，当T/C取料位置非元件中心时，T/C贴装叠加到B/C，造成中心不一致，B/C与T/C电极端没有重合，回流时两端所拉力不一致导致空焊。

●B/C贴片坐标是否有偏移，T/C物料贴装位置是B/C顶部，如T/C贴装坐标不是B/C中心，T/C与B/C电极端没有重合导致空焊。光模块PCB’A的SMT（贴片）常见问题点

6、PCB’A润湿不良

所谓润湿不良，也就是俗称的”吃锡”不良。原因一般为ENIG焊盘的镀镍层中的镍扩散至金层表面，导致可焊性的急剧下降。除推动供应商进行改善外，通过优化工艺参数也可“消化”一部分不良，改善效果如图16所示。

●PCB镍镀层中镍扩散至金表面，对PCB表面进行清洗，清洗除表面残留的镍提高焊盘表面可焊性（此方案比较费时）。

●对钢网进行扩孔增加锡膏来弥补此类缺陷，0402元件开口一般外延0.8-0.12mm，0603元件一般外延0.1-0.15mm，IC类元件一般外延0.1mm（扩孔尺寸可根据实际情况进行对应调整）。

●可以适当采用活性较强的锡膏。如YikstFLY905-CQ-4或TamuraLFT-204-93K，活性较强的锡膏内助焊剂成份配方不一样，可以更好的去除焊粉和被焊表面的氧化物，使焊接时的表面张力减小，改善焊料和焊盘表面的润湿性。图16、改善前后对比光模块的发展趋势低功耗发展趋势热插拔小型化智能化高速率远距离1、小型化目前的光通信市场竞争越来越激烈，通信设备要求的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高。传统的激光器和探测器分离的光模块，已经很难适应现代通信设备的要求。为了适应通信设备对光器件的要求，光模块正向高度集成的小封装发展。高度集成的光电模块使用户无须处理高速模拟光电信号，缩短研发和生产周期，减少元气件采购种类，减少生产成本，因此也越来越受到设备制造商的青睐。2、低成本、低功耗通信设备的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高，要求光电器件向低成本、低功耗的方向发展。目前光器件一般均采用混合集成工艺和气密封装工艺，下一步的发展将是非气密的封装，需要依靠无源光耦合(非X-Y-Z方向的调整)等技术进一步提高自动化生产程度，降低成本。3、高速率人们对信息量要求越来越多，对信息传递速率要求越来越快，作为现代信息交换、处理和传输主要支柱的光通信网，一直不断向超高频、超高速和超大容量发展，传输速率越高、容量越大，传送每个信息的成本就越来越小。4、远距离如今的光网络铺设距离越来越远，这要求远程收发器来与之匹配。典型的远程收发器信号在未经放大的条件下至少能传输100公里，其目的主要是省掉昂贵的光放大器，降低光通讯的成本。基于传输距离上的考虑，很多远程收发器都选择了1550波段(波长范围约为1530到1565nm)作为工作波段，因为光波在该范围内传输时损耗最小，而且可用的光放大器都是工作在该波段。5、热插拔即无需切断电源，模块即可以与设备连接或断开，由于光模块是热插拔式的，网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统，对在线用户不会造成什么影响。热插拔性也简化了总的维护工作，并使得最终用户能够更好地管理他们的收发模块。同时，由于这种热交换性能，该模块可使网络管理人员能够根据网络升级要求，对收发成本、链路距离以及所有的网络拓扑进行总体规划，而无需对系统板进行全部替换。全球主要光模块厂家及硅光生态主要厂商

Finisar、AVAGO、WTD、华工正源、光迅、旭创、新易盛、索尔思、优博创、网动。迪普、储翰、索尔斯、FCI、Samtec、Molex、贵州航天（苏州奥雷）、中航光电、武汉永力、44所、34所。其中光模块的核心技术：高速率光驱动芯片、激光器等，目前还受制于人，靠进口。国内的厂家仅能生产10G以下芯片和激光器，高速率光模块相当于在进行组装工作。光模块的标准化组织对于光模块的定义主要是两个关键组织，即IEEE和MSA，两者之间互补而又互相借鉴。

一、IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）想必大家都知道IEEE是电子电气工程师协会，而802．3是IEEE下面的一个工作组，很多10G、40G、100G、400G的光模块标准都是由IEEE802.3工作组提出的。二、MSA（MultiSourceAgreement，多源协议）MSA是一种多供应商规范，相比IEEE算是一个民间的非官方组织形式，针对不同的光模块标准会形成不同的MSA协议，可以理解是产业内企业联盟行为。MSA除了定义光模块的结构封装（包括外形尺寸，电连接器，引脚分配等），也会定义电接口、光接口，从而形成完整的光模块标准。很久以前光模块产业链很混乱，每个厂家都有各自的结构封装，开发的光模块有大有小，接口也是五花八门。为了解决这个问题，MSA多源协议应运而生，各厂家都遵循MSA提出的标准统一光模块的结构封装和相关接口，这就像手机充电口的标准化。针对100G，MSA定义的标准包括100GPSM4MSA、100GCWDM4MSA和100GLambdaMSA。100G光模块命名规则

如右图，100GBASE－LR4名称中，LR表示longreach，即10Km，4表示四通道，即4＊25G，组合在一起为可以传输10Km的100G光模块。其中－R的命名规则如下：XXXGBASE-mRn速率传输距离通道数－R的命名规则

100GBASE－SR4和100GBASE－LR4是IEEE定义的最常用的100G接口规范。但是对于大型数据中心内部互联场景，100GBASE－SR4支持的距离太短，不能满足所有的互联需求，而100GBASE－LR4成本太高。因此，MSA为市场带来了中距离互联的解决方案，PSM4和CWDM4是这次革命的产物。当然100GBASE－LR4的能力完全覆盖了CWDM4，但在2Km传输的场景下，CWDM4方案成本更低，更具竞争力。

下图是100GBASE－LR4以及100GCWDM4的原理图：25G/100G光模块的选择100GBASE－LR4原理图100GCWDM4原理图

关于25G／100G数据中心内部互联光模块如何选择，建议大家不妨参考如下标准：不超过100米的100G短距互联场景（TOR－LEAF），使用100GBASE－SR4QSFP28光模块；100米到500米的100G中距互联场景（LEAF－SPINE），使用100GPSM4QSFP28光模块；500米到2Km的100G中长距互联场景（LEAF－SPINE、SPINE－CORE），使用100GCWDM4QSFP28光模块；超过2Km的长距互联场景（CORE－MAN），使用100GBASE－LR4QSFP28光模块。光模块制作流程1、方案确定：确定好模块的框架和功能。2、元器件选型：选型包括光组件（TOSA，ROSA，BOSA）选型、IC选型和样品请购。3、原理图设计：包括MCU控制电路、模块功能电力设计和电源电路设计。光模块制作流程4、PCB设计：包括信号完整性设计和高速电路仿真，这些工作大概耗时约半个月到一个月。5、PCB制板：提供PCB加工文件和Gerber文件个给制版厂进行PCB板的制作。6、PCB板贴片：在PCB基础上进行加工，是一项复杂繁多的工艺流程。制版厂需把光绘文件给贴片厂，我们则要提供贴状图/贴装表给贴片厂。7、光模块性能调试：要进行发射、接收调试和协议功能调试，还要测试通光度、光功率、灵敏度、电流、电压和眼图，看它们是否正常。8、温度补偿：进行温度补偿这项工作，需要花费技术人员大量的时间，以每上升或降低5度（或10度）为一个节点来计算它的斜率，得出结果后再写入光模块相应的IC（芯片）里，这项工作需要技术人员至少得在高低温循环老货箱前呆上十几个小时甚至更长时间。原材料和制造成本的增加，这就是工业级光模块产品价格偏高的原因所在。温补后和温补前工作电流对比图：光模块制作流程9、小批量样品：量产前的小批量试产是非常必要的，如果盲目的把产品大批量投入市场，一旦发生问题，会导致非常严重的后果。样品做出来之后，需要配合的是高低温老化测试（24小时以上），去验证产品各项参数的稳定性和和合格率。10、交换机验证：把模块插入交换机检查是否正常工作和审计EEPROM信息。11、量产：经过各种测试验证后，接踵而至的是批量生产。主流交换机SFP光模块与其他类型光模块的区别1、SFP光模块与SFP+光模块的区别SFP+光模块的外形与SFP没有很大的区别，同时也采用了20pin金手指电接口。与SFP不同的是，SFP+光模块支持的最大速率为10Gbps，而SFP大多只支持1Gbps。2、SFP光模块与XFP光模块的区别XFP与SFP光模块相比主要区别在于，XFP主要应用于小型化及低成本10G解决方案，而且XFP光模块的尺寸较大，传输距离较长，最远可达80km。目前大部分被SFP+所取代。3、SFP光模块与GBIC光模块的区别GBIC为GigabitInterfaceConverter的缩写，意思是千兆接口转换器，可以将千兆位的电信号转化为光信号。它体积较大，大概为SFP的两倍，而功能则与SFP光模块类似，现在相当大一部分的市场份额被SFP光模块所取代。4、SFP光模块与QSFP光模块的区别QSFP采用四通道SFP接口，是为了满足市场对更高密度可插拔解决方案而产生的，支持SFF-8436MSA和IEEE802.3ba40GBASE-LR4等协议，传输速率达到了40Gbps，远远超过了SFP光模块，主要用于交换机，路由器和主机适配器总线。5、SFP光模块与BIDI光模块的区别BIDI是单纤双向的光模块，即采用波分复用技术实现一根光纤双向传输光信号，因此也只有一个光纤插孔。而常规的SFP光模块是双纤，有两个光纤插孔。BIDI光模块需要成对的使用，它的最大优势是节约光纤资源，减少成本。SFP光模块制作过程中的难点环境污染问题。由于采用锌合金压铸，所以必须要采用电镀，而电镀对环境的污染是比较严重的。尺寸稳定性的问题。由于锌合金在压铸后，涉及到去毛刺、喷砂、电镀等工序，这些工序中有的需要人工操作，所以对尺寸的稳定性影响很大。造成SFP封装模块的尺寸一致性不好。制造成本高。目前SFP封装模块从压铸到最后装配成品率比较低，大概在85%左右，因此制造成本相对较高。整机的可靠性受到SFP封装模块的影响比较大。由于电镀本身的工艺问题，很少有电镀能够满足双85试验(在85°C、85%的相对湿度条件下，将SFP封装模块老化一段时间后测试其性能的变化，比如力学性能，黄边指数，耐热，耐酸碱盐，热失重等。然后把这些数据和老化前的数据比较，差值越小越好。其实就是材料的耐湿热稳定性试验)。因此整个产品的可靠性受这种结构的影响非常大。光模块的主要性能指标1、光模块传输数率：传输速率指在单位时间内通过信道的平均信息量，一般有比特速率和码元速率两种表示方法．由于对于二进制码元，比特速率和码元速率相等．比特速率指系统每秒钟传送的比特数，单位为bit/s。

使用光功率计测量。针对PON产品，由于其ONU端采用的是突发模式，因此需使用专用的光功率计进行测量，串接在线路中，可以即时给出当前上行和下行的光功率。3、光接收灵敏度：接收灵敏度指的是在一定速率、误码率情况下光模块的最小接收光功率，单位：dBm。一般情况下，速率越高接收灵敏度越差，即最小接收光功率越大，对于光模块接收端器件的要求也越高。2、光模块发射光功率：

指光模块发送端光源的输出光功率，可以理解为光的强度，是影响传输距离的重要参数。在通信中，我们通常使用dBm来表示光功率。公式：P(dBm)=10Log(P/1mW)。光功率衰减一半，降低3dB，0dBm的光功率对应1mW。考虑到光纤老化或其他不可预见因素导致的链路损耗增大，最佳接收光功率范围控制在接收灵敏度以上2-3dB至过载点以下2-3dB，即右上图中的白色区域。影响接收灵敏度的因素：比特速率（Bitrate)、发射光信号质量（眼图；抖动，OSNR等）、发射消光比、传输后的脉冲波形失真(Distortion)、接收机的带宽(Bandwidth)、电源纹波、串扰等。光模块的主要性能指标4、传输距离：指模块在特定光纤传输系统中能够无差错传输的最大距离，按照传输距离分为短距、中距和长距三种。一般认为2km及以下的为短距离，10～20km的为中距离，30km、40km及以上的为长距离。影响传输距离的因素：光纤（损耗、色散等），激光器（功率，波长，工作方式），探测器灵敏度，传输速率等。●功率受限系统传输距离的计算:（光功率，灵敏度，光纤损耗等）目标传输距离L(km)L<（Pmin－Smin－Pb－M）／Ｋ（K为光纤损耗系数、Pb是传输代价、M为功率裕量、Pmin发射最小光功率、Smin接收最小灵敏度）。(以G.652光纤为例)K=0.18dB/km@λc=1.31μmK=0.35/km@λc=1.55μm●色散受限系统传输距离的计算:（光纤模式，激光器工作方式，传输速率等）（B比特速率，D色散系数，L为距离）5、消光比：光数据全部为“1”时，平均光功率为A；光数据全部为“0”时，平均光功率为B，则消光比为：

EX=10lg(A/B)●消光比太大，则引起啁啾声，频谱变宽，色散变大；消光比太小，则接收机很难将光的“1”和“0”分开，因此消光比不能太小，也不能很大，在协议上只规定了最小消光比。●一般建议实际消光比实际光接口类型与速率传输距离有关的最低要求消光比大0.5~1.5dB。●这不是一个绝对的数值之所以给出这么一个数值是害怕消光比太高了传输以后信号劣化太厉害导致误码产生或通道代价超标。●如果一个光模块传输其标称距离以后没有产生误码并且通道代价满足指标要求，只要消光比大于ITU-T建议的最低值多大都可以。光模块的主要性能指标6、光眼图：对于数字信号的质量，可通过眼图分析(过识别)来衡量,数字信号的质量包括幅度稳定度、码间干扰、信号畸变、光反射、消光比、抖动过冲和张弛振荡、噪声、调制电路匹配等。●眼图包含了信号的上升时间、下降时间、脉冲过冲、脉冲下冲以及震荡等特性光模块的主要性能指标●眼图中心眼张开度和眼皮厚度,反映码间干扰、色散、消光比的可容忍程度,以及幅度稳定度、过冲和张弛振荡、光反射、噪声的大致量度。●眼图上/下前沿反映带宽和电路匹配信息。陡度反映带宽，线粗度反映电路匹配信息，但过陡易产生色散相位调制和交叉相位调制。●眼图上/下沿交点在50%处消光比最好,但由于传输过程中光信号的脉冲宽度将会展宽，导致接收侧的交叉点相对于发送侧上移。为了有利于长距离传输保证接收侧的交叉点比例在大约50左右，使得接收侧的灵敏度最佳。我们一般建议在发送侧把交叉点的位置稍微下移一些。一般发送侧交叉点比例建议控制在40%~45%。●眼图上/下沿交点的粗细程度反映了抖动的大小。7、谱宽

●最大均方根谱宽：发光二极管（LED）和多纵摸（MLM）激光器的参数，指光谱中比主峰小20dB的谱宽。

●最大-20dB谱宽：单纵摸（SLM）激光器的参数，是用中心波长的幅度下降到20dB处对应的波长宽度来表示。8、最小边模抑制比

●单纵摸（SLM）激光器的参数，指主纵模的平均光功率与最显著边模的光功率之比的最小值。

●如果太小，那么经过长距离的传输，可能会引起比较大的色散。9、接收机过载功率：这个参数指接收机在达到规定的比特差错率所能接收到的最高平均光功率。影响最过载点的主要因素：PIN/APD饱和TIA饱和。光模块的主要性能指标10、光通道代价：光通道代价代表了由于反射、符号间的干扰、模式分配噪声、激光器的啁啾声等引起的总的色散代价。●由于发送机发出来的光不是理想的激光，而且在激光器处存在反射等等都引起了光的色散，在接收机处要对色散加以一定的处理，因此光通道代价是说明了发送机和接收机两个方面的性能。11、抖动：所谓抖动，其定义为数字信号各有效瞬间相对于理论规定时间位置的短期偏离。抖动的单位为UI，所谓UI指光传送比特率的倒数：例如10Gb/s信号，1UI=1/10G=100ps光模块测试与调试一个光模块制成成品后，为保证产品的质量，要经过多个步骤的测试方可出货。1、首先测发射光功率、接收灵敏度、眼图、消光比和误码，需要用到的设备有光衰减器、光功率计、误码仪（通过速率来调光功率和灵敏度）和眼图仪。1）发射光功率：发射光功率指发射端的光强度，以dBm为单位，是影响传输距离的重要参数。2）接收灵敏度：接收灵敏度指可以探测到的光强度，以dBm为单位。一般情况下，速率越高接收灵敏度越差，即最小接收光功率越大，对于光模块接收端器件的要求也越高。3）偏置电流：为了使激光器LD高速开关正常工作，必须对它加上略大于阈值电流ITH的直流偏置电流IBIAS，直接用BIAS表示。BIAS过大会加速器件的老化，BIAS太小激光器无法正常工作。4）消光比：信号逻辑为1时的光功率与为0时的光功率的大小之比，单位为dB。消光比和光功率成反比关系，在调试过程中会发现把光功率调大消光比会变小，反之把光功率调小消光比会变大。5）饱和光功率：是指在一定的传输速率下，维持一定的误码率时的最大输入光功率。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。6）工作温度：光模块工作温度分两种。商业级：0~70℃，工业级：-40~85℃。光模块测试与调试光模块测试与调试光模块测试与调试2、然后进行高低温老化测试，检验产品稳定性光模块测试与调试3、上交换机测试，检测产品兼容性，保证兼容性SFP光模块光模块测试与调试4、最后在光纤端面检测仪上进行端面检测，用清洗笔清洗端口，保持端口清洁，保证品质。SFP光模块的安装与拆除SFP光模块安装SFP光模块卸载选择光模块的注意事项

光模块的传输距离分为短距、中距和长距三种。模块型号标称的传输距离只作为一种分类方法，实际应用中不能直接套用。因为光信号在光纤中传输时会有一定的损耗和色散，无法达到标称的传输距离。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。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。实际传输距离取决于对应型号光模块的实际发射功率、光路上的传输衰减和光口的接收灵敏度。

发射光功率和接收灵敏度是影响传输距离的重要参数。损耗限制可以根据公式来估算：损耗受限距离=（发射光功率-接收灵敏度）/光纤衰减量

光纤衰减量和实际选用的光纤相关：●G.652光纤可以做到：1310nm波段0.5dB/km；1550nm波段0.25dB/km

●50um多模光纤：850nm波段3.5dB/km；1310nm波段2dB/km。对于长距光模块：平均输出光功率>饱和光功率★注意光纤使用长度，以保证到达光模块的实际接收光功率小于其光饱和度，否则有可能造成光模块的损坏。光模块功能失效重要原因

光模块功能失效分为发射端失效和接收端失效，分析具体原因，最常出现的问题集中在以下几个方面：

1、光口污染和损伤由于光接口的污染和损伤引起光链路损耗变大，导致光链路不通。产生的原因有：A.光模块光口暴露在环境中，光口有灰尘进入而污染；B.使用的光纤连接器端面已经污染，光模块光口二次污染；C.带尾纤的光接头端面使用不当，端面划伤等；D.使用劣质的光纤连接器。

2、ESD损伤ESD（ElectroStaticDischarge）静电放电，是一个上升时间可以小于1ns（10亿分之一秒）甚至几百ps（1ps=10000亿分之一秒）的非常快的过程，ESD可以产生几十Kv/m甚至更大的强电磁脉冲。静电会吸附灰尘，改变线路间的阻抗，影响产品的功能与寿命;ESD的瞬间电场或电流产生的热，使元件受伤，短期仍能工作但寿命受到影响;甚至破坏元件的绝缘或导体，使元件不能工作（完全破坏）。ESD是不可避免，除了提高电子元器件的抗ESD能力，重要的是正确使用，引起ESD损伤的因素有：

A.环境干燥，易产生ESD；

B.不正常的操作，如：非热插拔光模块带电操作;不做静电防护直接用手接触光模块静电敏感的管脚[t2];运输和存放过程中没有防静电包装；

C.设备没有接地或者接地不良。常见的光通信中的编码方式

光模块功能失效分为发射端失效和接收端失效，分析具体原因，最常出现的问题集中在以下几个方面：

1、光口污染和损伤由于光接口的污染和损伤引起光链路损耗变大，导致光链路不通。产生的原因有：A.光模块光口暴露在环境中，光口有灰尘进入而污染；B.使用的光纤连接器端面已经污染，光模块光口二次污染；C.带尾纤的光接头端面使用不当，端面划伤等；D.使用劣质的光纤连接器。

2、ESD损伤ESD（ElectroStaticDischarge）静电放电，是一个上升时间可以小于1ns（10亿分之一秒）甚至几百ps（1ps=10000亿分之一秒）的非常快的过程，ESD可以产生几十Kv/m甚至更大的强电磁脉冲。静电会吸附灰尘，改变线路间的阻抗，影响产品的功能与寿命;ESD的瞬间电场或电流产生的热，使元件受伤，短期仍能工作但寿命受到影响;甚至破坏元件的绝缘或导体，使元件不能工作（完全破坏）。ESD是不可避免，除了提高电子元器件的抗ESD能力，重要的是正确使用，引起ESD损伤的因素有：

A.环境干燥，易产生ESD；

B.不正常的操作，如：非热插拔光模块带电操作;不做静电防护直接用手接触光模块静电敏感的管脚[t2];运输和存放过程中没有防静电包装；

C.设备没有接地或者接地不良。02光纤知识介绍★基本定义★主要分类★结构原理

光纤（Fiber）是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（lightemitt