超詳細的光模塊介紹

　　光模塊發(fā)展簡述

　　光模塊分類

　　按封裝：1*9 、GBIC、 SFF、SFP、XFP、SFP+、X2、XENPARK、300pin等。

　　按速率：155M、622M、1.25G、2.5G、4.25G、10G、40G等。

　　按波長：常規(guī)波長、CWDM、DWDM等。

　　按模式：單模光纖(黃色)、多模光纖(橘紅色)。

　　按使用性：熱插拔(GBIC、 SFP、XFP、XENPAK)和非熱插拔(1*9、SFF)。

　　封裝形式

　　光模塊基本原理

　　光收發(fā)一體模塊(Optical Transceiver)

　　光收發(fā)一體模塊是光通信的核心器件，完成對光信號的光-電/電-光轉(zhuǎn)換。由兩部分組成：接收部分和發(fā)射部分。接收部分實現(xiàn)光-電變換，發(fā)射部分實現(xiàn)電-光變換。

　　發(fā)射部分：

　　輸入一定碼率的電信號經(jīng)內(nèi)部的驅(qū)動芯片處理后驅(qū)動半導體激光器(LD)或發(fā)光二極管(LED)發(fā)射出相應速率的調(diào)制光信號，其內(nèi)部帶有光功率自動控制電路(APC)，使輸出的光信號功率保持穩(wěn)定。

　　接收部分：

　　一定碼率的光信號輸入模塊后由光探測二極管轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)前置放大器后輸出相應碼率的電信號，輸出的信號一般為PECL電平。同時在輸入光功率小于一定值后會輸出一個告警信號。

　　光模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　光模塊的主要參數(shù)

　　1. 傳輸速率

　　傳輸速率指每秒傳輸比特數(shù)，單位Mb/s 或Gb/s。主要速率：百兆、千兆、2.5G、4.25G和萬兆。

　　2.傳輸距離

　　光模塊的傳輸距離分為短距、中距和長距三種。一般認為2km 及以下的為短距離，10～20km 的為中距離，30km、40km 及以上的為長距離。

　　■光模塊的傳輸距離受到限制，主要是因為光信號在光纖中傳輸時會有一定的損耗和色散。

　　注意：

　　• 損耗是光在光纖中傳輸時，由于介質(zhì)的吸收散射以及泄漏導致的光能量損失，這部分能量隨著傳輸距離的增加以一定的比率耗散。

　　• 色散的產(chǎn)生主要是因為不同波長的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時速度不等，從而造成光信號的不同波長成分由于傳輸距離的累積而在不同的時間到達接收端，導致脈沖展寬，進而無法分辨信號值。

　　• 因此，用戶需要根據(jù)自己的實際組網(wǎng)情況選擇合適的光模塊，以滿足不同的傳輸距離要求。

　　3.中心波長

　　• 中心波長指光信號傳輸所使用的光波段。目前常用的光模塊的中心波長主要有三種：850nm 波段、1310nm 波段以及1550nm 波段。

　　• 850nm 波段：多用于≤2km短距離傳輸

　　• 1310nm 和1550nm 波段：多用于中長距離傳輸，2km以上的傳輸。

　　光纖類型

　　1. 光纖模式(Fiber Mode)

　　按光在光纖中的傳輸模式可將光纖分為單模光纖和多模光纖兩種。

　　多模光纖(MMF，Multi Mode Fiber)，纖芯較粗，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，且隨傳輸距離的增加模間色散情況會逐漸加重。多模光纖的傳輸距離還與其傳輸速率、芯徑、模式帶寬有關(guān)，具體關(guān)系請參見下表。

　　單模光纖(SMF，Single Mode Fiber)，纖芯較細，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊。

　　2. 光纖的端面與直徑

　　• 按照光纖連接器連接頭內(nèi)插針端面分：PC，SPC，UPC，APC

　　• 按照光纖連接器的直徑分：Φ3，Φ2, Φ0.9

　　3. 光纖接口連接器類型

　　接口連接器用于連接可插拔模塊及相應的傳輸媒質(zhì)。光纖連接器是光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的無源器件，它的使用使得光通道間的可拆式連接成為可能，既方便了光系統(tǒng)的調(diào)測與維護，又使光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接調(diào)度更加靈活。

　　按照光纖的類型分：

　　單模光纖連接器(一般為G.652 纖：光纖內(nèi)徑9um，外徑125um);

　　多模光纖連接器(一種是G.651 纖其內(nèi)徑50um，外徑125um;另一種是內(nèi)徑62.5um，外徑125um);

　　按照光纖連接器的連接頭形式分：FC，SC，ST，LC，MU，MTRJ 等等，目前常用的有FC，SC，ST，LC

　　SC(Subscriber Connector Standard Connector，標準光纖連接器)，由日本NTT公司開發(fā)的模塑插拔耦合式連接器。其外殼采用模塑工藝，用鑄模玻璃纖維塑料制成，呈矩形;插針由精密 陶瓷制成，耦合套筒為金屬開縫套管結(jié)構(gòu)。緊固方式采用插拔銷式，不需要旋轉(zhuǎn)。外觀圖如下所示

　　LC 連接器(Lucent Connector or Local Connector，朗訊連接器)，外觀圖如下：

　　注意：為了保護光纖連接器的清潔，請務必保證在未連接光纖時蓋上防塵帽。

　　接口指標

　　輸出光功率

　　輸出光功率指光模塊發(fā)送端光源的輸出光功率。

　　可以理解為光的強度，單位為W或mW或dBm。其中W或mW為線性單位，dBm為對數(shù)單位。在通信中，我們通常使用dBm來表示光功率。

　　公式：

　　P(dBm)=10Log(P/1mW)

　　光功率衰減一半，降低3dB，0dBm的光功率對應1mW

　　使用光功率計測量。針對PON產(chǎn)品，由于其ONU端采用的是突發(fā)模式，因此需使用專用的光功率計進行測量，串接在線路中，可以即時給出當前上行和下行的光功率。

　　接收靈敏度

　　接收靈敏度指的是在一定速率、誤碼率情況下光模塊的最小接收光功率，單位：dBm。一般情況下，速率越高接收靈敏度越差，即最小接收光功率越大，對于光模塊接收端器件的要求也越高。

　　考慮到光纖老化或其他不可預見因素導致的鏈路損耗增大，最佳接收光功率范圍控制在接收靈敏度以上2-3dB 至過載點以下2-3dB，即上圖中的白色區(qū)域。

　　受壓靈敏度

　　受壓靈敏度指輸入信號在附加了抖動和垂直眼閉(vertical eye closure)劣化條件后測得的靈敏度值，單位：dBm。此概念僅針對于10G 接口模塊(XENPAK 模塊及XFP 模塊)。

　　光模塊發(fā)射光功率和接收靈敏度

　　發(fā)射光功率指發(fā)射端的光強，接收靈敏度指可以探測到的光強度。兩者都以dBm為單位，是影響傳輸距離的重要參數(shù)。光模塊可傳輸?shù)木嚯x主要受到損耗和色散兩方面受限。

　　損耗限制可以根據(jù)公式：

　　損耗受限距離=(發(fā)射光功率‐接收靈敏度)/光纖衰減量

　　來估算。

　　光 纖衰減量和實際選用的光纖相關(guān)。一般目前的G.652光纖可以做到1310nm波段0.5dB/km，1550nm波段0.3dB/km甚至更佳。 50um多模光纖在850nm波段4dB/km 1310nm波段2dB/km。對于百兆、千兆的光模塊色散受限遠大于損耗受限，可以不作考慮。

　　飽和光功率值

　　指光模塊接收端最大可以探測到的光功率，一般為‐3dBm。當接收光功率大于飽和光功率的時候同樣會導致誤碼產(chǎn)生。因此對于發(fā)射光功率大的光模塊不加衰減回環(huán)測試會出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象。

　　光飽和度

　　又稱飽和光功率，指的是在一定的傳輸速率下，維持一定的誤碼率(10-10～10-12)時的最大輸入光功率，單位：dBm。

　　■需要注意的是，光探測器在強光照射下會出現(xiàn)光電流飽和現(xiàn)象，當出現(xiàn)此現(xiàn)象后，探測器需要一定的時間恢復，此時接收靈敏度下降，接收到的信號有可能出現(xiàn)誤判而造成誤碼現(xiàn)象，而且還非常容易損壞接收端探測器，在使用操作中應盡量避免超出其飽和光功率。

　　注意

　　對于長距光模塊，由于其平均輸出光功率一般大于其最大輸入光功率(即光飽和度)，因此請用戶使用時關(guān)注光纖使用長度，以保證到達光模塊的實際接收光功率小于其光飽和度，否則有可能造成光模塊的損壞。

　　SFP光模塊

　　SFP 光模塊，全稱Small Form-factor Pluggable，即：小型可熱插拔光收發(fā)一體模塊。 SFP模塊體積比GBIC模塊減少一半，可以在相同的面板上配置多出一倍以上的端口數(shù)量。SFP模塊的其他功能基本和GBIC一致。有些交換機廠商稱 SFP模塊為小型化GBIC(MINI-GBIC)。

　　外觀結(jié)構(gòu)：

　　分類：

　　速率：155M、1.25G、2.5G、4.25G等

　　波長：常規(guī)波長、CWDM、DWDM

　　距離：短距、中距、長距

　　傳輸模式：電口、單模(光纖黃色)、多模(光纖橘紅色)

　　SFP光模塊的特殊類型包括：BIDI-SFP、電口SFP、CWDM SFP、DWDM SFP、SFP+光模塊等。

　　BIDI 模塊

　　BiDi(Bidirectional) 即：單纖雙向。利用WDM技術(shù),發(fā)送和接收兩個方向使用不同的中心波長。實現(xiàn)一根光纖雙向傳輸光信號。一般光模塊有兩個端口，TX為發(fā)射端口，RX為接收 端口;而該光模塊只有1個端口，通過光模塊中的濾波器進行濾波，同時完成1310nm光信號的發(fā)射和1550nm光信號的接收，或者相反。因此該模塊必須 成對使用，他最大的優(yōu)勢就是節(jié)省光纖資源。

　　應用領(lǐng)域：常規(guī)SFP、xWDM SFP、以及PON SFP

　　C-SFP

　　Compact SFP，緊湊型SFP，在現(xiàn)有SFP封裝基礎(chǔ)上，發(fā)展為更先進、更緊湊的CSFP封裝。

　　CSFP MSA中共定義了3種C-SFP：

　　1ch Compact SFP

　　2ch Compact SFP(Option 1)

　　2ch Compact SFP(Option 2)

　　CWDM模塊

　　CWDM光模塊采用CWDM 技術(shù)，可以通過外接波分復用器，將不同波長的光信號復合在一起，通過一根光纖進行傳輸，從而節(jié)約光纖資源。同時，接收端需要使用波分解復用器對復光信號進行分解。

　　●CWDM SFP光模塊分為18個波段，從1270nm~1610nm，每兩個波段之間相隔20nm。

　　●CWDM SFP具有速率和協(xié)議透明性，CWDM 提供了在一根光纖上提供不同速率的、對協(xié)議透明的傳輸通道，允許使用者直接上下某一個波長，而不用轉(zhuǎn)換原始信號的格式。

　　●常用8個波段，從1470nm~1610nm，每通道間隔20nm。

　　●一般會用顏色來區(qū)分不同波段光模塊。

　　什么情況下使用CWDM SFP?

　　DWDM 模塊

　　DWDM SFP屬于密集波分復用技術(shù)，可以將不同波長的光偶合到單芯光纖中去，一起傳輸。 DWDM SFP的通道間隔根據(jù)需要有0.4nm,0.8nm,1.6nm等不同間隔,間隔較小、需要額外的波長控制器件。

　　DWDM SFP的一個關(guān)鍵優(yōu)點是它的協(xié)議和傳輸速度是不相關(guān)的。

　　電口模塊

　　電口模塊，即Copper SFP，SFP封裝，電口模塊，100米可支持最大傳輸距離 100m(RJ45，5類雙絞線為傳輸介質(zhì))。

　　SFP+光模塊

　　SFP+光模塊：是新一代的萬兆光模塊,它按照ANSI T11協(xié)議,可以滿足光纖通道的8.5G和以太網(wǎng)10G的應用。

　　●SFP+比早期的XFP光模塊外觀尺寸縮小了約30%,和普通的SFP光模塊外觀一樣。

　　●SFP+只保留了基本的電光、光電轉(zhuǎn)換功能,減少了原有XFP設(shè)計中的SerDes, CDR, EDC, MAC等信號控制功能,從而簡化了10G光模塊的設(shè)計,功耗也因而更小。

　　●具有高密度、低功耗、更低系統(tǒng)構(gòu)造成本等顯著優(yōu)點

　　●SFP+的屏蔽要求比SFP更嚴格,要求具備更好的屏蔽效果。

　　XFP 模塊

　　XFP模塊是一種可熱插拔的、占電路板面積很小的、串行-串行光收發(fā)器，可以支持SONET OC‐192、10 Gbps 以太網(wǎng)、10 Gbps 光纖通道和G.709鏈路。

　　GBIC光模塊

　　GBIC是Giga Bitrate Interface Converter的縮寫，是將千兆位電信號轉(zhuǎn)換為光信號的接口器件。GBIC設(shè)計上可以為熱插拔使用，是一種符合國際標準的可互換產(chǎn)品。

　　Xenpak光模塊

　　Xenpak光模塊通過70pin的SFP連接器與電路板連接，其數(shù)據(jù)通道是XAUI接口;Xenpak支持所有IEEE 802.3ae定義的光接口，在線路端可以提供10.3 Gb/s、9.95 Gb/s或4×3.125 Gb/s的速率。

　　Xpak和X2光模塊

　　Xpak 和X2光模塊都是從Xenpak標準演進而來的，其內(nèi)部功能模塊與Xenpak基本相同，在電路板上的應用也相同，都是使用一個模塊即可實現(xiàn)10G以太網(wǎng) 光接口的功能。由于Xenpak光模塊安裝到電路板上時需要在電路板上開槽，實現(xiàn)較復雜，無法實現(xiàn)高密度應用。而Xpak和X2光模塊經(jīng)過改進后體積只有 Xenpak的一半左右，可以直接放到電路板上，因此適用于高密度的機架系統(tǒng)和PCI網(wǎng)卡應用。

　　SFP光模塊的選用

　　光模塊的傳輸距離分為短距、中距和長距三種。模塊型號標稱的傳輸距離只作為一種分類方法，實際應用中不能直接套用。因為光信號在光纖中傳輸時會有一定的損耗和色散，無法達到標稱的傳輸距離。

　　損耗是光在光纖中傳輸時，由于介質(zhì)的吸收散射以及泄漏導致的光能量損失，這部分能量隨著傳輸距離的增加以一定的比率耗散。

　　色散的產(chǎn)生主要是因為不同波長的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時速度不等，從而造成光信號的不同波長成分由于傳輸距離的累積而在不同的時間到達接收端，導致脈沖展寬，進而無法分辨信號值。

　　因此，用戶需要根據(jù)自己的實際組網(wǎng)情況選擇合適的光模塊，以滿足不同的傳輸距離要求。實際傳輸距離取決于對應型號光模塊的實際發(fā)射功率、光路上的傳輸衰減和光口的接收靈敏度。

　　發(fā)射光功率和接收靈敏度是影響傳輸距離的重要參數(shù)。

　　損耗限制可以根據(jù)公式來估算：

　　損耗受限距離=(發(fā)射光功率-接收靈敏度)/光纖衰減量

　　光纖衰減量和實際選用的光纖相關(guān)：

　　G.652光纖可以做到：

　　1310nm波段0.5dB/km

　　1550nm波段0.25dB/km

　　50um多模光纖：

　　850nm波段3.5dB/km

　　1310nm波段2dB/km。

　　對于長距光模塊：平均輸出光功率>飽和光功率

　　注意光纖使用長度，以保證到達光模塊的實際接收光功率小于其光飽和度，否則有可能造成光模塊的損壞。

　　SFP光模塊安裝

　　SFP光模塊安裝

　　SFP光模塊卸載

　　注意：永遠不要讓光纖尾部正對你的眼睛，永遠不要向光纖里面看，不要直接或使用儀器看光纖尾部。激光是不可見的，但可能會對人眼造成永久傷害。

　　光模塊功能失效重要原因

　　光模塊功能失效分為發(fā)射端失效和接收端失效，分析具體原因，最常出現(xiàn)的問題集中在以下幾個方面：

　　1. 光口污染和損傷

　　由于光接口的污染和損傷引起光鏈路損耗變大，導致光鏈路不通。產(chǎn)生的原因有：

　　A. 光模塊光口暴露在環(huán)境中，光口有灰塵進入而污染;

　　B. 使用的光纖連接器端面已經(jīng)污染，光模塊光口二次污染;

　　C. 帶尾纖的光接頭端面使用不當，端面劃傷等;

　　D. 使用劣質(zhì)的光纖連接器;

　　2. ESD損傷

　　ESD 是ElectroStatic Discharge縮寫即"靜電放電"，是一個上升時間可以小于1ns(10億分之一秒)甚至幾百ps(1ps=10000億分之一秒)的非常快的過 程，ESD可以產(chǎn)生幾十Kv/m甚至更大的強電磁脈沖。靜電會吸附灰塵，改變線路間的阻抗，影響產(chǎn)品的功能與壽命; ESD的瞬間電場或電流產(chǎn)生的熱，使元件受傷，短期仍能工作但壽命受到影響;甚至破壞元件的絕緣或?qū)w，使元件不能工作(完全破壞)。ESD是不可避免， 除了提高電子元器件的抗ESD能力，重要的是正確使用，引起ESD損傷的因素有：

　　• 環(huán)境干燥，易產(chǎn)生ESD;

　　• 不正常的操作，如：非熱插拔光模塊帶電操作;不做靜電防護直接用手接觸光模塊靜電敏感的管腳[t2];運輸和存放過程中沒有防靜電包裝;

　　• 設(shè)備沒有接地或者接地不良;

　　光收發(fā)一體光模塊應用注意點

　　1. 光口問題

　　光鏈路上各處的損耗衰減都關(guān)系到傳輸?shù)男阅?，因此要求?/p>

　　A. 選擇符合入網(wǎng)標準的光纖連接器;

　　B. 光纖連接器要有封帽，不使用時蓋上封帽，避免光纖連接器污染而二次污染光模塊光口;封帽不使用時應放在防塵干凈處保存;

　　C. 光纖連接器插入是水平對準光口，避免端面和套筒劃傷;

　　D. 光模塊光口避免長時間暴露，不使用時加蓋光口塞;光口塞不使用時儲存在防塵干凈處;

　　E. 光纖連接器的端面保持清潔，避免劃傷;

　　2. ESD 損傷

　　ESD是自然界不可避免的現(xiàn)象，預防ESD從防止電荷積聚和讓電荷快速放電兩方面著手：

　　A. 保持環(huán)境的濕度30～75%RH;

　　B. 對光模塊操作時做靜電防護工作(如：帶靜電環(huán)或?qū)⑹滞ㄟ^預先接觸機殼等手段釋放靜電)，接觸光模塊殼體，避免接觸光模塊PIN 腳;

　　C. 使用的相關(guān)設(shè)備采用并聯(lián)接地的公共接地點接地，保證接地路徑最短，接地回路最小，不能串聯(lián)接地，應避免采用外接電纜連接接地回路的設(shè)計方式;

　　D. 包裝和周轉(zhuǎn)的時候，采用防靜電包裝和防靜電周轉(zhuǎn)箱/車;

　　E. 禁止對非熱插拔的設(shè)備，進行帶電插拔的操作;

　　F. 避免用萬用表表筆直接檢測靜電敏感的管腳;

　　簡易光模塊失效判斷步驟

　　1. 測試光功率是否在指標要求范圍之內(nèi)，如果出現(xiàn)無光或者光功率小的現(xiàn)象。處理方法：

　　A. 檢查光功率選擇的波長和測量單位(dBm)

　　B. 清潔光纖連接器端面，光模塊光口。

　　C. 檢查光纖連接器端面是否發(fā)黑和劃傷，光纖連接器是否存在折斷，更換光纖連接器做互換性試驗

　　D. 檢查光纖連接器是否存在小的彎折。

　　E. 熱插拔光模塊可以重新插拔測試。

　　F. 同一端口更換光模塊或者同一光模塊更換端口測試。

　　2. 光功率正常但是鏈路無法通，檢查link燈。

　　SFP光模塊相關(guān)參考標準

　　INF-8074i：SFP MSA

　　SFF-8472：數(shù)字診斷接口協(xié)議

　　DWDM MSA SFP ：密集波分復用模塊標準

　　GR-468-CORE：光器件可靠性方面的通用標準

　　ITU-T G.651：多模光纖標準

　　ITU-T G.652：單模光纖標準

　　21CFR 1040.10 激光安全等級

　　YD/T1352-2005：千兆以太網(wǎng)行業(yè)標準