光模块基础知识培训课件.ppt

1、Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块基础知识培训（初级 进阶）供应商管理部 王诚刚Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块的应用Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想什么是光模块 信息信息 物理物理/模拟变换模拟变换 模模/数变换（电端机）数变换（电端机）电电/光变换光变换 光纤（信道）光纤（信道）光光/电变换电变换 数数/模模变换变换 模拟模拟/物理变换物

2、理变换 信息接受者信息接受者中国领先的光电变换专家中国领先的光电变换专家！数字光模块？模拟光模块？数字光模块是必然的发展趋势 Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块的应用场景物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层传输层传输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层开放式系统互联模型（OSI）提供应用程序间的通信接口提供应用程序间的通信接口处理数据格式、加密等处理数据格式、加密等建立、维护、管理会话建立、维护、管理会话建立主机端到端连接、传输建立主机端到端连接、传输寻址和路由选择寻址和路由选择提供介质访问、链路管

3、理等提供介质访问、链路管理等比特流传输、规定电压、比特流传输、规定电压、电流、线缆、光口等电流、线缆、光口等我们的模块工作在物理层！我们的模块工作在物理层！Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块的应用场景硬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Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块的应用场景FTTx接入网无线接入网SDH/SONET以太网MSTPWDMOTNIP-RANPTN承载网POTN

4、Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想谁在主宰市场Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块厂商的多种经营Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块的发展史性能功耗成本Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光的通路 光纤Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighti

5、ng Your Dreams|让光引领梦想光纤分类按光在光纤中的传输模式分为：单模光纤和多模光纤 1 多模光纤MMF:可传多种模式的光;纤芯为50/62.5m;模间色散严重;应用于短距离传输.2 单模光纤SMF:只能传输单一模式的光;纤芯为9m;损耗低;带宽大;存 在材料色散和波导色散模间色散严重;可应用于高速长距离传输.3 其他类型光纤:用于光纤放大器的掺铒光纤EDF 用于色散补偿的色散补偿光纤DCF 用于对相位变化引起的偏振效应进行补偿的保偏光纤G.652 标准单模光纤,零色散窗口在1.3mG.653 DSF色散位移单模光纤,零色散窗口在1.55mG.654 最低衰耗单模光纤,零色散窗口在

6、1.3m,1.55m衰耗最低G.655 NZDSF非零色散位移单模光纤,在DSF基础上在1.55m窗口 保留一定的色散Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光纤的导光原理 基本概念：1）数值孔径NA：能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角的正弦值。数值孔径并不是越大越好。2）截止波长c：能使光纤实现单模传输的最小工作光波波长。（单模光纤）cAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光纤举例多模光纤的几何尺寸与光学特性单模光纤的几何尺寸与光学特性

7、Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想单模光纤波段划分O 波段（原始波段）1260-1360nm.E 波段（扩展波段）1360-1460nm.S 波段（短波段）1460-1530nm.C 波段（常规波段）1530-1565nm.L 波段（长波段）1565-1625nm.U 波段（超长波段）1625-1675nm.1260136014601530 156516251675OESCLUAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光纤损耗 固有损耗 a 吸

8、收损耗 b 散射损耗 附加损耗 a 微弯损耗 b 弯曲损耗 c 连接损耗石英光纤损耗特性曲线典型损耗值：0.85m2.5dB/km1.31m0.35dB/km1.55m0.18dB/kmAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光纤色散1 概念 色散描述光脉冲沿光纤传输后脉冲展宽现象，主要是因为光脉冲的前端和后端在光纤中传输的距离不一致。色散是光纤的传输的重要特性之一.光纤的色散引起传输信号的畸变,使传输质量下降,从而限制了通信容量和通信距离.光放大器的广泛应用,目前影响光纤通信系统的制约因数主要是色散。2 色散的成因 1

9、 光源发出的光不是单色光,他包含不同的频率成分.2 调制信号有一定的带宽 数字系统表现形式为具有一定频率的脉冲信号,若是全”0”或全”1”信号,色散就不会带来任何影响.Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光纤色散3 色散对数字信号传输的影响123输入脉冲输出脉冲+时间时间光功率Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光纤色散例：G.652光纤在1310nm区域与1550nm区域的色散系数色散系数的定义：每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值

10、Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光纤色散4 色散的分类 1）模式色散(模间色散)多模光纤中,同一波长但不同模式的传播速度差异引起的色散.2）色度色散（模内色散）指光谱中不同波长在光纤中的群时沿差引起的光脉冲展宽现象 (1)材料色散 (2)波导色散 3）偏振模色散 偏振模色散是影响高速(10Gb/s)通信系统传输距离主要因素之一（单模光纤特有，由于单模光纤结构上的缺陷或纤芯折射率分布不均匀等因素造成的）。Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦

11、想光纤非线性特性一般在WDM系统上反映较多。Why？合波器、分波器的插入损耗，对16路波系统一般相加在10dB左右，对32路波系统一般相加在15dB左右，因此需要EDFA进行放大补偿，在放大光功率的同时，使光纤中的非线性效应大大增加，成为影响系统性能，限制中继距离的主要因素之一。1）散射效应 受激布里渊散射SBS、受激拉曼散射SRS2）与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关 自相位调制SPM、交叉相位调制XPM、四波混频效应FWMAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块的基本原理Accelink Technolo

12、gies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想目前公司光模块种类40G TransponderQSFP+SFPSFFxPON ONU/OLTBIDI ModuleTriple-play module40G/100G CFP XFP/SFP+10G 300pin MSA/SFFAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想当前典型结构示例Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块功能框图-SFPNow the deve

13、lopment trend of IC which work under the rate 2.5Gbit/s is integration of LD driver,limiting amplifier and DDM function ICTOSALD DriverROSAFiberDisableData inputFiberLimiting AmplifierData outputLOSMCUEEPROMSerial data interfaceDDM:Digital Diagnostic Monitoring FunctionIbias MonImod MonPRX MonPTX Mo

14、nAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块功能框图-SFP+TOSALD DriverROSAFiberDisableData inputFiberLimiting AmplifierData outputLOSMCUEEPROMSerial data interfaceDDM:Digital Diagnostic Monitoring FunctionIbias Mon Imod MonPRX MonPTX MonThe function block diagram is same as SFP except t

15、he work rate up to 10Gbit/s14Gbit/s,and the most important the IC must maitain is the low power consumption and low cost,the integration of LD driver and Limiting amplifier is the choice of most manufacturer.For the uncertainty of DDM function that customer require to,the single MCU is preferred.Not

16、e:SFP+module integrated with CDRs is the trend.(see detail below)Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块功能框图-XFPYou can find the XFP module have an additional function which is CDR(clock and data recovery)compared to the SFP+module.The development trend of the IC is integration

17、of LD driver,Limiting amplifier and CDR which can lower the power consumption and the cost,however the good performance of it is a great challenge for the IC design.Note:There is trend the SFP+module integrated with CDR instead of XFP module.Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光

18、模块功能框图-ONU/OLTWhat we focus on is the Burst mode IC which is different from the other module,such as the burst mode LD driver,burst mode limiting amplifier and burst mode TIA(transimpedance amplifier)of which the burst mode LA and TIA is hard to get in the market,thus we suggest you do the work with

19、 respect to them.Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块功能框图-QSFP+Just as its name implies that QSFP+means Quad SFP+,you can find from the diagram that the ICs used in it are also integration which can save the PCB space and lower the power consumption,so as to meet the requirem

20、ents of application which to extend the interface density with a limited module size.The challenge of the IC design is minimize the crosstalk when integrating the four channels in one chip.Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块功能框图-100G CFP4:10Gear BoxTIAPINTIAPINTIAPINTIAPIN10

21、:4Gear BoxDriverLaserDriverLaserDriverLaserDriverLaserControl InterfaceRxdata1Rxdata10Txdata1Txdata10MDCMDIOOptical fiberOptical fiberGear Box has two paths:The transmit datapath receives data from the line-card ASIC on ten parallel CAUI lanes and transmits it to the optical module on four lanes;The

22、 receive datapath receives data from the optical module on four lanes and transmits it to the line-card ASIC on ten parallel CAUI lanes.Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块功能框图-100G CFP2The next generation of CFP is 100G CFP2 which is different on reducing the gear box functi

23、on(without the data transition)and only reserve the CDR function.Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想发射器件分类 波长波长1550nm 管芯结构管芯结构FP-LDDFB-LD 封装形式封装形式 同轴DIP14 双列直插DIL14 蝶形 工作状况工作状况Cooler 光谱光谱 MLM SLMTOSA Pigtail LC SC FC STMINI-DILVCSEL1310nm850nmDWDMCWDM 980nmUn-cooler0+70-40+85 E

24、ML-DFB-LDAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想接收器件分类 响应波长响应波长 1100-1650nm 管芯结构管芯结构 1310nmPIN APDDIP 双列直插 单 PIN 850nm 类型类型PIN-FET PIN-TIAAPD-TIA 封装形式封装形式MINI-DIL 同轴ROSA Pigtail LC SC FC ST 应用应用数字 模拟Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想激光器管芯种类Accelink Technologi

25、es Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想激光器管芯种类Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想激光器管芯种类Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想CWDM与DMDMAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想激光器管芯温漂Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想探测器管

26、芯Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想TOSA和ROSAAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想BOSAAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想TriplexerAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想TO-CANHOLDERCAPFlat-windowBall-lensAspheric-lensC

27、ouple efficiencyAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想TIAAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想TIA放大器对大信号是双向限幅的光信号是单向的（0、1）光信号过大时就会产生脉冲失真（单边削波），01判别就会出错出现误码TIA就必须有AGC功能，以保证足够的信号动态范围自动增益控制（AGC)电路Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想LA限幅放大器Limi

28、ting Amplifier主放大器Post Amplifier量化器Quantizer限幅放大器主要由三部分组成：直流耦合多级放大器直流漂移补偿(自动调零)电路光功率检测告警电路(有滞回的比较器)Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想LDDAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想重要概念：直流耦合与交流耦合AC耦合DC耦合电路元件多24个元件最少多速率工作有低速率限制无低速率限制易于匹配元件多LD引脚不能靠近驱动器芯片，不易匹配LD引脚直接连接

29、LDD芯片，易于匹配，突发性能好驱动器功耗较大较小输出调制电流较大（不受Headroom限制）较小（受Headroom限制）Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块的主要参数及性能指标 Key parameter of module（一）Transmitter module(operation temperature range)spectrum:optical eye diagram:optical:central wavelength rise/fall time power of mean spectrum

30、width extinction ratio optical isolation frequency chirp crossing point SMSR SNR jitter other:EMI/EMCAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想光模块的主要参数及性能指标 Key parameter of module（二）Receiver module(operation temperature range)spectrum:optical:electronic:respond wavelength sensitivity

31、 LOS detector saturation jitter tolerance optical reflect jitter transport jitter generation EMI/EMC Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想发射部分指标发射光功率指模块工作时光源输出的平均光功率，单位为dBm 模块内部APC环路将保持发射光功率的稳定 影响发射光功率的主要因素 1 光源的电光转换效率 2 光源驱动电路的电流能力 3 光源组件的耦合效率Pavg=(P1+P0)/2Accelink Technologies

32、Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想发射部分指标2 消光比指模块输出“”的平均光功率与“”的平均光功率的比值，单位为dBExt.r=10lgP1/P0模块内部温度补偿电路（ATC)将使模块工作在不同温度时保持消光比的稳定Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想发射部分指标消光比消光比是一项指标，用于描述激光功率转化为调制功率或信号功率的效率。理论情况下，在保证适当的比特误码率的情况下，消光比消光比越大，信号所能传输的距离越远。思考：消光比是否越大越好？工作速率越高，消光比偏小？消光比对产

33、品使用的影响。-啁啾、渡越时间，驱动能力Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想发射部分指标3 眼图 眼图的形成：当二进制码信号在示波器上显示波形时，扫描周期是码元周期的整数倍，而荧光屏的余辉作用，使多个波形叠加在一起，这样形成了类似人眼的图形“眼图”Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想发射部分指标4 中心波长 激光器的波长有三种表示方法：峰值波长、中心波长、平均波长其中中心波长用得最多，对于DFB-LD，中心波长与峰值波长值几乎相同；对于FP

34、-LD，一般用中心波长或平均波长表示激光器的工作波长。一般FP型激光器中心波长随着温度增加将以0.5nm/的速度变长 一般DFB型激光器中心波长随着温度增加将以0.1nm/的速度变长因为不同波长对应的光纤衰耗及色散系数不一样，所以模块不同的传输距离对工作波长要求就不一样。对各种速率及传输距离下对波长的要求在G.957中都做了严格规定。Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想发射部分指标5 光谱宽度 对于FP-LD，一般用3dB谱宽的均方根RMS来表示 对于DFB-LD，以主模中心波长的最大峰值功率跌落-20 dB的最大全

35、宽表示-3dB波长相对强度-20dB波长相对强度Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想发射部分指标6 边模抑制比（SMSR）指激光器发射光谱中，在规定的输出光功率时最高光谱峰强度与次高光谱峰强度之比此指标仅针对DFB单纵模激光器，一般要求大于30dB 传输距离越长，要求SMSR越高7 输入电信号幅度指模块要求的系统输入的电信号的幅度范围此指标一般由所选用的驱动芯片决定Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想接收部分指标1 灵敏度 在一定误码率的条

36、件下，模块所能接收到的最小光功率，单位为dBm 影响接收灵敏度的因素 1)比特速率（Bit rate)2)发射光信号质量 激光器的RIN；眼图眼开度(Opening)；抖动Jitter等 3)发射消光比(Ext.r)4)传输后的脉冲波形失真(Distortion)5)输入光信噪比（OSNR）6)接收机的性能（响应度、暗电流、带宽、LA输入灵敏度，etc）7)空间与线路噪声影响Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想接收部分指标2 最小过载点 在一定误码率的条件下，模块所能接收到的最大光功率，单位为dBmn 影响最小过载点

37、的主要因素 1)PIN/APD饱和 2)TIA前放饱和3 无光告警点LOS/SD 指模块在输出LOS/SD告警信号时对应接收到的光功率，单位为dBm“0”“1”PassertPdeassertAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想接收部分指标2 最小过载点 在一定误码率的条件下，模块所能接收到的最大光功率，单位为dBmn 影响最小过载点的主要因素 1)PIN/APD饱和 2)TIA前放饱和3 无光告警点LOS/SD 指模块在输出LOS/SD告警信号时对应接收到的光功率，单位为dBm“0”“1”PassertPdeass

38、ertAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想什么叫DDM模块n 数字诊断DDM模块特点（以ESFP为例）：Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想相关产品特点概述（交流互动）Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想SFP管壳专利DDM专利侵权Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想SFP+&XFPFP

39、C软带的应用自制LD管芯的瓶颈调制方式多样化：直调调制、外调制Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想SFP+&XFP直接调制EA调制MZ调制Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想xPONOLT:Burst mode receiver ONU:Burst mode transmitterUpstream of xPON:TDMAAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想xPO

40、NOLT:Burst mode receiver ONU:Burst mode transmitterDownstream of xPON:BroadcastAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想xPON分光比？分光比？EPON:1:32GPON:1:321:641:128Class BClass B+Class C+Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想xPONThe previous application we have mentione

41、d is G-EPON(EPON)and GPON which is mature in the market,the next hot point is 10G-EPON and WDM PON which you can further study into,and not explained here.xPON的发展Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想QSFP+ESD防护等级较高Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想QSFP+Accel

42、ink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想QSFP+Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想QSFP+Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想100G CFPAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想100G CFPAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|

43、让光引领梦想100G CFP100GBASE-LR4Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想100G CFP100GBASE-ER4Accelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想100G CFPAccelink Technologies Co.,Ltd.Lighting Your Dreams|让光引领梦想100G CFP4:10Gear BoxTIAPINTIAPINTIAPINTIAPIN10:4Gear BoxDriverLaserDriverLaserDriverLaserDriverLaserControl InterfaceRxdata1Rxdata10Txdata1Txdata10MDCMDIOCMOS ICs28Gb/s TOSA28Gb/s ROSAOMUX/ODeMUX