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1、光模块基本原理光模块基本原理12/5/2022主要内容主要内容光模块简介光模块简介光模块内部主要元器件光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块调制方式光模块的特点及应用光模块的特点及应用光模块原理框图光模块原理框图光模块主要性能指标光模块主要性能指标光模块接口电平光模块接口电平12/5/2022光模块定义光模块定义以光器件为核心增加一些电路部分和结构件等完成相应功以光器件为核心增加一些电路部分和结构件等完成相应功能的单元能的单元12/5/2022光模块分类光模块分类按速率划分：按速率划分：155Mb/s 622Mb/s 1.25Gb/s 2.5Gb/s 10Gb/s 等等按功能划分：发射模块，

2、接收模块，收发合一模块按功能划分：发射模块，接收模块，收发合一模块(transceiver,)按封装划分：按封装划分：19/29/SFF/GBIC/SFP/XFP/300pin等等按使用条件划分：热插拔按使用条件划分：热插拔(GBIC/SFP/XFP)带插针带插针(19/29/SFF)按应用划分：按应用划分：SDH/SONET,Ethernet,Fiber Channel,CWDM,DWDM等等按工作模式划分：连续和突发（按工作模式划分：连续和突发（OLT：Optic Line Terminal，光线路终端；光线路终端；ONU：Optic Network Unit,光网络单元）光网络单元）12

3、/5/2022光模块发展历史光模块发展历史封装形式：封装形式：1X9 SFF GBIC SFP,XFP,SFP+传输速率：传输速率：155M,622M 1.25G,2.5G 4.25G,8.5G,10G,40G功能：不带监控功能（功能：不带监控功能（None DDM）带数字诊断功能（带数字诊断功能（DDM）接入应用：接入应用：P to P P to MP:PON(GE-PON,GPON,WDM-PON)光接口形式：尾纤型（光接口形式：尾纤型（Pigtail）；插拔型（）；插拔型（Receptacle）光传输形式：双纤双向（光传输形式：双纤双向（MSA）；单纤双向（）；单纤双向（BiDi）12/

4、5/2022光模块发展趋势光模块发展趋势小型化小型化智能化智能化热插拔热插拔低功耗低功耗高速率高速率远距离远距离12/5/2022主要内容主要内容光模块简介光模块简介光模块内部主要元器件光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块调制方式光模块的特点及应用光模块的特点及应用光模块原理框图光模块原理框图光模块主要性能指标光模块主要性能指标光模块接口电平光模块接口电平12/5/2022光模块内部主要元器件光模块内部主要元器件探测器探测器激光器激光器放大器放大器时钟数据恢复时钟数据恢复驱动芯片驱动芯片MUX&DeMUX12/5/2022光器件光器件光器件是由少数几个光电光器件是由少数几个光电子元件和子元

5、件和IC 、无源元件（、无源元件（如电阻、电容、电感、互如电阻、电容、电感、互感、微透镜、隔离器）、感、微透镜、隔离器）、光纤及金属连线组合、封光纤及金属连线组合、封装在一起，完成单项或少装在一起，完成单项或少数几项功能的混合集成件数几项功能的混合集成件。12/5/2022光器件结构图光器件结构图12/5/2022光器件分类光器件分类如按功能，可分为：如按功能，可分为：光发射器件光发射器件 光接收器件光接收器件按结构，可分为：按结构，可分为：TO器件器件(TOSA，ROSA，BOSA)；DIP（或（或Butterfly）器件；）器件；表面贴装（表面贴装（surface mount)器件等；器件

6、等；按传输速率，可分为按传输速率，可分为 155M、622M、1.25G、2.5G、10G等；等；传输距离，工作波长，工作方式等传输距离，工作波长，工作方式等 12/5/2022探测器探测器光探测器光探测器 作用把光信号转变为电信号的器件.PIN探测器探测器 P型掺杂、本征（I）和N型掺杂。APD探测器探测器 内部具有光电倍增(或称雪崩)光电二极管.（Avalanche Photodetector)12/5/2022PIN探测器探测器响应度：响应度：PRIPINPIN探测器即P-I-N 探测器：P型掺杂IntrinsicN型掺杂 需加需加510V反偏电压反偏电压12/5/2022APDAPD探

7、测器探测器响应度：APD探测器：探测器：雪崩光电探测器（雪崩光电探测器（Avalanche photodetector）RPMIAPD需加需加3060V反偏电压反偏电压M与温度和反偏电压有关与温度和反偏电压有关12/5/2022激光器激光器FP LD(Fabry-Perot Laser)DFB LD(Distributed-Feedback Laser)VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)LED(Light-Emitting Diode)EAM LD(Electro-absorption modulated lasers)12/5/2022

8、FP LD 和和 DFB LD都是边缘发光都是边缘发光谐振腔结构不同谐振腔结构不同FPLDDFBLD12/5/2022LED 和和 VCSEL都是面发光都是面发光谐振腔结构不同谐振腔结构不同LEDVCSEL12/5/2022EAM LD构成：TEC致冷器，激光二极管，EA调制器，背光检测二极管和，热敏电阻等12/5/2022放大器分类放大器分类跨阻放大器：跨阻放大器：Transimpedance Amplifier（TIA）主放主放Main Amplifiers(MA)或后放或后放 Post Amplifiers 限幅放大器：限幅放大器：Limiting Amplifier(LA)自动增益控制

9、放大器：自动增益控制放大器：Automatic Gain Control Amplifier(AGC).12/5/2022跨阻放大器（跨阻放大器（TIA）这种这种I-V变换电路中有一个负反变换电路中有一个负反馈电阻馈电阻Rf，所以又被称做跨阻，所以又被称做跨阻放大器（放大器（TIA）低的等效输入噪声电流低的等效输入噪声电流 高输入阻抗，低输入电容高输入阻抗，低输入电容 足够宽的通频带足够宽的通频带fH0.75工作工作速率速率 宽动态范围宽动态范围 Rf 要足够大，以保证有足够大要足够大，以保证有足够大的输出电压的输出电压12/5/2022主放主放LA：转换速度快，功耗低，但是非线性限制了其应用

10、：转换速度快，功耗低，但是非线性限制了其应用AGC：在很大的动态范围都是线性的，应用范围广。例如：带均衡在很大的动态范围都是线性的，应用范围广。例如：带均衡器的接收机。器的接收机。限幅放大器限幅放大器自动增益控制放大器自动增益控制放大器12/5/2022时钟和数据恢复（时钟和数据恢复（CDR）电路）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。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（时钟和数据恢复电路（Clock and Data Recovery CDR）的）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作用就是在输入数据信号中提取时钟信号并

11、找出数据和时钟正确的相位关系正确的相位关系12/5/2022驱动芯片驱动芯片激光器驱动（电流）激光器驱动（电流）调制器驱动（电压）调制器驱动（电压）12/5/2022MUX&DeMUXMUX：16路并行 数据输入，经过并串转换，输出数据。（如并行数据输入为622Mb/s，那么输出数据为9.95Gb/s）DeMUX：则反过来，输入数据经过串并转换，输出16路并行 数据12/5/2022主要内容主要内容光模块简介光模块简介光模块内部主要元器件光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块调制方式光模块的特点及应用光模块的特点及应用光模块原理框图光模块原理框图光模块主要性能指标光模块主要性能指标光模块接口

12、电平光模块接口电平12/5/2022调制方式调制方式直接调制直接调制 外调制外调制 EA调制（调制（Electroabsorption Modulator）MZ调制（调制（Mach-Zehnder Modulator）12/5/2022直接调制直接调制P1P0利用电信号的利用电信号的1和和0控制激光器的电流大小控制激光器的电流大小。12/5/2022EA调制调制激光器一直处于发光状态，电信号激光器一直处于发光状态，电信号1、0 作用于电吸作用于电吸收调制器。收调制器。来控制激光器出光大小。来控制激光器出光大小。12/5/2022MZ调制调制激光器一直处于发光状态，发出的光经过一个激光器一直处于

13、发光状态，发出的光经过一个Y型波导分束器分出两型波导分束器分出两束相位等一样的光信号，束相位等一样的光信号，电信号控制两个干涉臂电级，使两束光信电信号控制两个干涉臂电级，使两束光信号产生不同的相位，再经过号产生不同的相位，再经过Y型合束器，型合束器，1信号时，相位相同，进信号时，相位相同，进行叠加，行叠加，0信号时，相位相差信号时，相位相差180度，光信号度，光信号 抵消。抵消。12/5/2022主要内容主要内容光模块简介光模块简介光模块内部主要元器件光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块调制方式光模块的特点及应用光模块的特点及应用光模块原理框图光模块原理框图光模块主要性能指标光模块主要性能

14、指标光模块接口电平光模块接口电平12/5/20221X9光模块光模块特点：特点：工作速率:155Mb/s1Gb/s工作电压：3.3 V或5V波长：1310nm，1550nm宽温工作范围传输距离可达80km应用应用数据通信：快速以太网，千兆以太网电信：OC-3/STM-1,OC-12/STM-412/5/2022GBIC模块模块特点：特点：工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压：3.3 V或5V波长：850nm，1310nm，1550nm传输距离可达160km带数字诊断功能（部分）应用：应用：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、O

15、C-48/STM-16 12/5/2022SFF模块模块特点：特点：工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压：3.3 V波长：850nm，1310nm，1550nm宽温工作范围传输距离可达80km带数字诊断功能（部分）应用：应用：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 12/5/2022SFP模块模块特点：特点：工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压：3.3 V波长：850nm，1310nm，1550nm，WDM宽温工作范围传输距离可达100km+带数字诊断功能应用：应用：数据通

16、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 12/5/2022PON模块模块特点：特点：工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压：3.3 V传输距离可达20km带数字诊断功能应用：应用：PON接入网12/5/2022XFP模块模块特点：特点：工作速率:10Gb/s波长：1310nm，1550nm，DWDM传输距离可达80km带数字诊断功能应用：应用：数据通信：10G以太网，10G光纤通道电信：OC-192/STM-6412/5/2022300-pin Transponder模块模块特点：特点：速率可

17、达10Gb/s波长：1550nm，DWDM传输距离可达80km带数字诊断功能应用：应用：电信：OC-192/STM-6412/5/2022主要内容主要内容光模块简介光模块简介光模块内部主要元器件光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块调制方式光模块的特点及应用光模块的特点及应用光模块原理框图光模块原理框图光模块主要性能指标光模块主要性能指标光模块接口电平光模块接口电平12/5/2022典型光发射模块功能框图（直接调制）典型光发射模块功能框图（直接调制）LaserDriverAPCTemp SensorAEC 自动光功率控制自动光功率控制自动消光自动消光比控制比控制XC占空比控制占空比控制匹配电

18、路匹配电路12/5/2022典型光发射模块功能框图（外调制）典型光发射模块功能框图（外调制）EAM LaserDriverAPCATC 自动光功率控制自动光功率控制自动温度自动温度控制控制XC占空比控占空比控制制匹配电路匹配电路MCBC 偏置电压偏置电压控制控制调制电压调制电压控制控制12/5/2022PIN型光接收模块功能框图型光接收模块功能框图PIN/TIAMAPIN/TIAMACDR3R 功能功能(Reshape,Reamplify,Retime)2R 功能功能(Reshape,Reamplify)12/5/2022APD型光接收模块功能框图型光接收模块功能框图APD/TIAMAAPD/

19、TIAMACDR3R 功能功能(Reshape,Reamplify,Retime)2R 功能功能(Reshape,Reamplify)High Voltage GenerationHigh Voltage Generation12/5/2022光收发合一模块光收发合一模块(Transceiver)功能框图功能框图TOSADriverROSAMAAPC/AECLOSRxPowerTxPowerTxDisableData InData OutOptical InOptical Out12/5/2022带数字诊断功能带数字诊断功能(DDM)光收发合一模块功能框图光收发合一模块功能框图TOSADriv

20、erROSAMAAPC/AECLOSTxDisableData InData OutOptical InOptical OutMCUEEPROMI2C 12/5/2022数字诊断数字诊断(DDM)模块特点模块特点12/5/2022光收发合一模块光收发合一模块(XFP)功能框图功能框图TOSADriverROSAMAAPC/AEC/ATCLOSTxDisableData InData OutOptical InOptical OutMCUEEPROMI2C CDRCDR12/5/2022Transponder模块功能框图模块功能框图TOSADriverROSAMAAPC/AEC/ATCLOSTx

21、Disable16路路 并行并行Data In16路路 并行并行Data OutOptical InOptical OutMCUEEPROMI2C MUXDeMUX12/5/2022TDM:Time Division Multiplex 时分多路复用时分多路复用 TDMA:Time Division Multiple Address 时分多路访问时分多路访问PON模块模块12/5/2022ONU光收发合一模块功能框图光收发合一模块功能框图12/5/2022OLT光收发合一模块功能框图光收发合一模块功能框图12/5/2022BOSA单纤双向光组件单纤双向光组件(Bi-Dirctional Opt

22、ical Subassembly)12/5/2022主要内容主要内容光模块简介光模块简介光模块内部主要元器件光模块内部主要元器件光模块调制方式光模块调制方式光模块的特点及应用光模块的特点及应用光模块原理框图光模块原理框图光模块主要性能指标光模块主要性能指标光模块接口电平光模块接口电平12/5/2022光模块主要性能指标光模块主要性能指标传输速率传输速率传输距离传输距离平均发射光功率平均发射光功率消光比消光比光眼图光眼图谱宽谱宽最小边模抑制比最小边模抑制比接收灵敏度接收灵敏度接受器过载接受器过载光通道代价光通道代价抖动抖动12/5/2022传输速率传输速率传输速率指在单位时间内通过信道的平均信息

23、量，一般有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，单位为比特数，单位为bit/s SDH等级等级 系列比特率系列比特率STM-1 155.52Mb/s STM-4 622.08Mb/s STM-16 2.48832Gb/s STM-64 9.95328Gb/s12/5/2022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

24、最大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，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功率受限系统传输距离的计算:（光功率，灵敏度，光纤损耗等）（光功率，灵敏度，光纤损耗等）目标传输距离L(km)L=2.4V；VOL=2V；VIL=2.4V；VOL=2V；VIL=0.8V。TTL使用注意：TTL电平一般过冲都会比较严重，可能在始端串22欧或33欧电阻；TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉。12/5/2022ECL，

25、PECL和和LVPECL电平电平 ECL：Emitter Coupled Logic 发射极耦合逻辑电路发射极耦合逻辑电路(差分结构差分结构)Vcc=-5.2V；VOH=-0.88V；VOL=-1.72V；VIH=-1.24V；VIL=-1.36V。速度快，驱动能力强，噪声小，很容易达到几百M的应用。但是功耗大，需要负电源。为简化电源，出现了PECL(ECL结构，改用正电压供电)和LVPECL。PECL：Pseudo/Positive ECL Vcc=5V；VOH=4.12V；VOL=3.28V；VIH=3.78V；VIL=3.64V LVPELC：Low Voltage PECL Vcc=3

26、.3V；VOH=2.42V；VOL=1.58V；VIH=2.06V；VIL=1.94V ECL、PECL、LVPECL使用注意：不同电平不能直接驱动。中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。以上三种均为射随输出结构，必须有电阻 拉到一个直流偏置电压。(如多用于时钟的LVPECL：直流匹配时用130欧上拉，同时用82欧下拉；交流匹配时用82欧上拉，同时用130欧下拉。但两 种方式工作后直流电平都在1.95V左右。)12/5/2022LVDS电平电平LVDS：Low Voltage Differential Signaling 差分对输入输出，内部有一个恒流源差分对输入输出，内部有一个恒流源

27、3.5-4mA，在差分线，在差分线上改变方向来表示上改变方向来表示0和和1。通过外部的。通过外部的100欧匹配电阻欧匹配电阻(并并在差分线上靠近接收端在差分线上靠近接收端)转换为转换为350mV的差分电平。的差分电平。LVDS使用注意：可以达到使用注意：可以达到600M以上，以上，PCB要求较高，要求较高，差分线要求严格等长，差最好不超过差分线要求严格等长，差最好不超过10mil(0.25mm)。100欧电阻离接收端距离不能超过欧电阻离接收端距离不能超过500mil，最好控制在，最好控制在300mil以内。以内。12/5/2022CML电平电平CML电平是所有高速数据接口中最简单的一种。其输入电平是所有高速数据接口中最简单的一种。其输入和输出是匹配好的，减少了外围器件，适合于更高频段工和输出是匹配好的，减少了外围器件，适合于更高频段工作。作。CML 接口典型的输出电路是一个差分对形式。该差分对接口典型的输出电路是一个差分对形式。该差分对的集电极电阻为的集电极电阻为50，输出信号的高低电平切换是靠共发，输出信号的高低电平切换是靠共发射极差分对的开关控制的。差分对的发射极到地的恒流源射极差分对的开关控制的。差分对的发射极到地的恒流源典型值为典型值为16 mA。12/5/2022谢 谢！12/5/2022