光模塊基礎(chǔ)知識

近年來，隨著數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)及內(nèi)部交換機連接增加，對光模塊的需求不斷增加。2015年IDC光模塊市場增速約為50%，到2019年IDC光模塊銷量將超過5000萬只。未來4K視頻、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)帶來流量增速不斷超出預(yù)期，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及系統(tǒng)升級對光模塊的需求日益加大。那么什么是光模塊？我們?yōu)槭裁匆霉饽K以及如何使用光模塊呢？讓我們跟隨易飛揚的介紹去了解吧。什么是光模塊？光模塊（opticalmodule）由光電子器件、功能電路和光接口等組成，光電子器件包括發(fā)射和接收兩部分。發(fā)送端把電信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳送后，接收端再把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。在業(yè)內(nèi)說的光模塊，特指可熱插拔的小型封裝光模塊，就是用在設(shè)備端口上的、可以在運行時進行熱插拔的光模塊，主要用來將設(shè)備（一般指的是交換機或者路由器設(shè)備）中的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，然后通過一根光纖發(fā)射出去（由光模塊的發(fā)射端實現(xiàn)），同時可以接收外部一根光纖發(fā)射過來的光信號且轉(zhuǎn)換成電信號（通過光模塊的接收端實現(xiàn)），輸入到設(shè)備。\o"光模塊的外觀結(jié)構(gòu)"光模塊的外觀結(jié)構(gòu)光模塊內(nèi)部主要元器件有哪些？光模塊內(nèi)部有光器件、探測器、激光器、放大器、時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)、驅(qū)動芯片和MUX&DeMUX等。光器件由少數(shù)幾個光電子元件和IC、無源元件（如電阻、電容、電感、互感、微透鏡、隔離器）、光纖及金屬連線組合封裝在一起，完成單項或少數(shù)機項功能的混合集成件。光器件結(jié)構(gòu)圖光探測器：作用把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?。主要有PIN探測器和APD探測器。PIN探測器：P型摻雜、本征（I）和N型摻雜。APD探測器：內(nèi)部具有光電倍增（或稱雪崩）光電二極管。激光器：FPLD（Fabry-PerotLaser）、DFBLD（Distributed-FeedbackLaser）、LED（Light-EmittingDiode）、VCSEL、EAMLD（Elector-absorptionmodulatedlasers）等、FPLD和DFBLDLED和VCSELEAMLD放大器：跨阻放大器：TransimpedanceAmplifier（TIA）主放MainAmplifiers（MA）或后方PostAmplifiers限幅放大器：LimitingAmplifier（LA）自動增益控制放大器：AutomaticGainControrAmplifier（AGC）時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）電路在數(shù)字通信系統(tǒng)中，碼元同步是系統(tǒng)正常工作的必要條件。時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路（ClockandDataRecovery-CDR）的作用就是在輸入數(shù)據(jù)信號中提取時鐘信號并找出數(shù)據(jù)和時鐘正確的相位關(guān)系。驅(qū)動芯片：MUX&DeMUX：MUX：16路并行數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)。DeMUX：輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，輸出16路并行數(shù)據(jù)。了解完光模塊的結(jié)構(gòu)，讓我們繼續(xù)跟隨易飛揚的腳步，來了解光模塊有哪些參數(shù)。光模塊主要有哪些參數(shù)？光模塊有許多參數(shù)，如封裝、調(diào)制方式、傳輸距離、傳輸速率、中心波長、光纖類型、光口類型、工作溫度范圍、最大功耗等。\o"封裝形式"封裝形式光模塊的尺寸由封裝形式?jīng)Q定，光模塊封裝主要有：早期有300pin，XENPAK，X2等，后來漸漸被取代。GBIC，SFP，XFP，SFP+，SFP28，CSFP，QSFP，CXP，CFP，CFP2，CFP4，CFP8，CPAK，QSFP28，CDFP，MicroQSFP，QSFP-DD，OSFP，DSFP等封裝形式不斷升級。光模塊正在朝著小型化、低功耗、低沉本、高速率、遠距離、熱插拔的方向發(fā)展著。光模塊調(diào)制方式：直接調(diào)制：外調(diào)制有EA調(diào)制（ElectroabsorptionModulator）和MZ調(diào)制（Mach-ZehnderModulator）EA調(diào)制：MZ調(diào)制：傳輸距離指每秒傳輸比特數(shù)，單位Mb/s或Gb/s。光模塊通過光纖傳輸?shù)男盘柍休d的數(shù)據(jù)容量是有限的，不同的光器件和調(diào)制技術(shù)決定了光模塊的最大速率，光模塊從最開始的155Mb/s到622Mb/s，1.25Mb/s，2.5Mb/s一直到10Gb/s，發(fā)展到后來出現(xiàn)了光摸快并行方式（Parallel），光模塊的速率上升到了40Gb/s、100Gb/s，并且已經(jīng)成功研發(fā)出400Gb/s的光模塊。傳輸速率傳輸速率指每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)的比特數(shù)（bit），傳輸速率低至百兆，高達100Gbps，光模塊按照速率來分有155M/622M/1.25G/2.125G/4.25G/8G/10G，市場上常用的多為155Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps和10Gbps速率光模塊，在光纖存儲系統(tǒng)中光模塊還有2Gbps、4Gbps和8Gbps這3種速率。SFP光模塊支持千兆以太網(wǎng)、SONET、光纖通道和其他通信標準。中心波長光模塊的工作波長其實是一個范圍，為了方便描述才使用中心波長這個參數(shù)。中心波長的單位是納米（nm），一般的中心波長有850nm、1310nm和1550nm，還有CWDM系列的1270nm-1610nm的（間隔20nm）和DWDM系列的1528nm-1623nm（間隔0.8nm或者0.4nm）。1）850nm（MM多模，成本低但傳輸距離短，一般只能傳輸500m）；2）1310nm（SM單模，傳輸過程中損耗大但色散小，一般用于40km以內(nèi)的傳輸）；3）1550nm（SM單模，傳輸過程中損耗小但色散大，一般用于40km以上的長距離傳輸，最遠可以無中繼直接傳輸120km）。光纖類型因為不同波長的光在不同的光纖中都有自己的最佳工作窗口，為調(diào)整最佳工作波長或色散特性，改變折射率分布，將光纖分為：多模光纖（G.651）、普通單模光纖（G.652）、色散移位光纖（G.653）、非零色散移位光纖（G.655）等，常用的是G.651和G.652。一般多模光纖纖芯直徑大，模式色散嚴重，所以用于短距離的信號傳輸；而單模光纖模式色散小，所以一般用于長距離的信號傳輸。光纖直徑光纖的纖芯直徑。國際標準規(guī)定，多模光纖的光纖直徑為62.5um和50um；單模光纖的光纖直徑為9um。為光模塊選擇光纖時，應(yīng)根據(jù)光模塊支持的光纖直徑選擇光纖。光口類型光口指的是光模塊連接光纖跳線的接口，一般有MPO、雙工LC、單工LC和單工SC這幾種類型。MPO光口根據(jù)光模塊傳輸需要使用的光纖的數(shù)量又可以細分為MPO12（針對8根或者12根光纖）和MPO24（針對16根或者24根光纖）兩種。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?？梢岳斫鉃楣獾膹姸龋瑔挝粸閃或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(yīng)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。在模塊的正常工作條件下，光模塊輸出的光功率。發(fā)射光功率指發(fā)射端的光強度，以dBm為單位，是影響傳輸距離的重要參數(shù)。兩個光模塊對接時，發(fā)送光功率應(yīng)滿足接收光功率的范圍要求。接收靈敏度最大值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?？紤]到光纖老化或其他不可預(yù)見因素導(dǎo)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。消光比消光比是用于衡量光模塊質(zhì)量的參數(shù)之一。全調(diào)制條件下信號平均光功率與空號平均光功率比值的最小值，表示0、1信號的區(qū)別能力。光模塊中影響消光比的兩個因素：偏置電流（bias）與調(diào)制電流（Mod），姑且看成ER=Bias/Mod。消光比的值并非越大光模塊越好，而是消光比滿足802.3標準的光模塊才好。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(fù)，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(yīng)盡量避免超出其飽和光功率。最大功耗不同型號參數(shù)的模塊功耗是不同的，同型號各品牌也稍有差別。千兆一般1W左右；SFP+萬兆一般1.2-1.5w；XFP萬兆短距1.5-2w，長距3.5w；100G根據(jù)封裝不同，一般3.5-9w。工作溫度范圍光模塊的溫度有商業(yè)級溫度、延展溫度、工業(yè)級溫度這三個等級；商業(yè)級光模塊的溫度：0~+70℃延展光模塊的溫度：-20~85℃工業(yè)級光模塊的溫度：-40~85℃兼容品牌目前市面上存在2種光模塊，一種是原交換機品牌光模塊，一種是高性能的兼容模塊，兩者之間的價格差距較大。品牌模塊相對價格高，有我們熟知的思科、華為、華三等。而兼容模塊就是可以兼容這些品牌。品牌模塊為了保護自己同時擠壓其它品牌會設(shè)置特別的讀碼，讓客戶不能使用其它品牌，而兼容的模塊就是破解了里面的設(shè)置，同樣可以配套使用，而兼容的價格便宜，性價比高，質(zhì)量也會參差不齊。對光模塊有了大致了解后，光模塊又該如何使用呢？光模塊的使用方法1、防靜電措施無論是在室內(nèi)還是室外，使用光模塊時必須采取防靜電措施，必須保證在佩戴好防靜電手套或防靜電手環(huán)的情況下用手接觸光模塊。2、取放操作拿取光模塊時嚴禁觸摸光模塊金手指，而且必須保證輕拿輕放，防止光模塊受到壓迫和磕碰，如果取放時不慎磕碰，那么不建議再使用該光模塊。3、插拔方法在安裝光模塊時首先需用力將其插到底，然后感到輕微的震動或者聽見“啪”的聲響，代表光模塊卡鎖卡到位。插入光模塊時，將拉手環(huán)閉合；插入之后，再拔一下光模塊檢查是否安裝到位，若拔不出則表示已經(jīng)插到底部了。拆卸光模塊時需先拔出光纖跳線，然后將拉手拉到與光口成90度左右后，再緩慢取出光模塊，禁止強拉硬拽將光模塊拉出。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，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(dǎo)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E