光模塊基本知識(shí)

1、定義：

光模塊：也就是光收發(fā)一體模塊。

2、結(jié)構(gòu)：

光收發(fā)一體模塊由光電子器件、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)射部分是：輸入一定碼率的電信號(hào)經(jīng)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)芯片處理后驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器（LD）或發(fā)光二極管 （LED）發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號(hào)，其內(nèi)部帶有光功率自動(dòng)控制電路，使輸出的光信號(hào)功率保持穩(wěn)定。

接收部分是：一定碼率的光信號(hào)輸入模塊后由光探測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。經(jīng)前置放大器后輸出相應(yīng)碼率的電信號(hào)，輸出的信號(hào)一般為PECL電平。同時(shí)在輸入光功率小于一定值后會(huì)輸出一個(gè)告警信號(hào)。

3、光模塊的參數(shù)及意義

光模塊有很多很重要的光電技術(shù)參數(shù)，但對(duì)于GBIC和SFP這兩種熱插拔光模塊而言，選用時(shí)最關(guān)注 的就是下面三個(gè)參數(shù)：

1）中心波長(zhǎng)

單位納米（nm），目前主要有3種：

850nm（MM，多模，成本低但傳輸距離短，一般只能傳輸500M）； 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）；

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(zhǎng)距離傳輸，最遠(yuǎn)可以無中 繼直接傳輸120KM）；

2）傳輸速率

每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù)（bit），單位bps。

目前常用的有4種： 155Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps、10Gbps等。傳輸速率一般向下兼容，因此155M 光模塊也稱FE（百兆）光模塊，1.25G光模塊也稱GE（千兆）光模塊，這是目前光傳輸設(shè)備中應(yīng)用最多的模塊。此外，在光纖存儲(chǔ)系統(tǒng)（SAN）中它的傳輸速率有2Gbps、4Gbps和8Gbps。

3）傳輸距離

光信號(hào)無需中繼放大可以直接傳輸?shù)木嚯x，單位千米（也稱公里，km）。 光模塊一般有以下幾種規(guī)格：多模550m，單模15km、40km、80km和120km等等。

除以上3種主要技術(shù)參數(shù)（波長(zhǎng)，速率，距離）外，光模塊還有如下幾個(gè)基本概念，這些概念只需簡(jiǎn)單了解就行。

a、激光器類別

激光器是光模塊中最核心的器件，將電流注入半導(dǎo)體材料中，通過諧振腔的光子振蕩和增益射出激光。目前最常用的激光器有FP和DFB激光器，它們的差異是半導(dǎo)體材料和諧振腔結(jié)構(gòu)不同，DFB激光器的價(jià)格比FP激光器貴很多。傳輸距離在40KM以內(nèi)的光模塊一般使用FP激光器；傳輸距離≥40KM的光模塊一般使用DFB激光器。

b、損耗和色散

損耗是光在光纖中傳輸時(shí)，由于介質(zhì)的吸收散射以及泄漏導(dǎo)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?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)速度不等，從而造成光信號(hào)的不同波長(zhǎng)成分由于傳輸距離的累積而在不同的時(shí)間到達(dá)接收端，導(dǎo)致脈沖展寬，進(jìn)而無法分辨信號(hào)值。這兩個(gè)參數(shù)主要影響光模塊的傳輸距離，在實(shí)際應(yīng)用過程中，1310nm光模塊一般按0.35dBm/km計(jì)算鏈路損耗，1550nm光模塊一般按.20dBm/km計(jì)算鏈路損耗，色散值的計(jì)算非常復(fù)雜，一般只作參考。

c、發(fā)射光功率和接收靈敏度

發(fā)射光功率指光模塊發(fā)送端光源的輸出光功率，接收靈敏度指在一定速率、誤碼率情況下光模塊的最小接收光功率。這兩個(gè)參數(shù)的單位都是dBm（意為分貝毫瓦，功率單位mw的對(duì)數(shù)形式，計(jì)算公式為10lg，1mw折算為0dBm），主要用來界定產(chǎn)品的傳輸距離，不同波長(zhǎng)、傳輸速率和傳輸距離的光模塊光發(fā)射功率和接收靈敏度都會(huì)不同，只要能確保傳輸距離就行。

d、光模塊的使用壽命

國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，7Х24小時(shí)不間斷工作5萬小時(shí)（相當(dāng)于5年）。 e、光纖接口

SFP光模塊都是LC接口的，GBIC光模塊都是SC接口的，其他接口還有FC和ST等。

光模塊分類

1、按應(yīng)用分類

以太網(wǎng)應(yīng)用的速率：100Base（百兆）、1000Base（千兆）、10GE。 SDH應(yīng)用的速率：155M、622M、2.5G、10G。

2、按封裝分類

按照封裝分：1×9、SFF、SFP、GBIC、XENPAK、XFP。

1×9封裝——焊接型光模塊，一般速度不高于千兆，多采用SC接口。

SFF封裝-——焊接小封裝光模塊，一般速度不高于千兆，多采用LC接口。

GBIC封裝——熱插拔千兆接口光模塊，采用SC接口。

SFP封裝——熱插拔小封裝模塊，目前最高數(shù)率可達(dá)4G，多采用LC接口。

XENPAK封裝——應(yīng)用在萬兆以太網(wǎng)，采用SC接口。

XFP封裝——10G光模塊，可用在萬兆以太網(wǎng)，SONET等多種系統(tǒng)，多采用LC接口。

3、按激光器分類

LED、VCSEL、FP LD、DFB L。

4、按波長(zhǎng)分類

850nm、1310nm、1550nm等。

5、按使用方式分類

非熱插拔（1×9、SFF），可熱插拔（GBIC、SFP、XENPAK、XFP）。

隨著人們對(duì)帶寬的需求越來越高，網(wǎng)絡(luò)得到了快速發(fā)展。100G是100G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和封裝類型。

100G光模塊的種類

根據(jù)封裝方式的不同，100G光模塊主要有CFP／CFP2／CFP4、CXP和Q28三大類，其中，CFP／CFP2／CFP4和CXP是早期100G光模塊的封裝方式，QSFP28則是新一代100G光模塊的封裝方式，而且現(xiàn)在已經(jīng)成為100G光模塊的主流封裝。100G QSFP28光模塊的原理與 QSFP＋光模塊的類似，采用4×25 Gbps的方式傳輸100G光信號(hào)。

100G光模塊標(biāo)準(zhǔn)

自100G網(wǎng)絡(luò)問世后，IEEE、多源協(xié)議（MSA）行業(yè)聯(lián)盟等機(jī)構(gòu)都針對(duì)100G光模塊制定了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在眾多標(biāo)準(zhǔn)中，多源協(xié)議（MSA）行業(yè)組織制定的PSM4和CWDM4標(biāo)準(zhǔn)更加適合現(xiàn)在市場(chǎng)上主流的100G QSFP28光模塊。下表是一些常見100G光模塊標(biāo)準(zhǔn)的具體情況：

推出100G PSM4標(biāo)準(zhǔn)主要是為了降低昂貴的100GBASE－LR4應(yīng)用的光模塊成本，100G PSM4光模塊是單模并行四通道光模塊，主要適用于500米的應(yīng)用場(chǎng)合。100G CWDM4標(biāo)準(zhǔn)則主要是針對(duì)數(shù)據(jù)中心2km 100G鏈路的部署而制定，100G CWDM4光模塊的接口符合雙工單模2km 100G光接口規(guī)范，傳輸距離可以達(dá)到2km。

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(duì)光信號(hào)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(shí)現(xiàn)光-電變換，發(fā)射部分實(shí)現(xiàn)電-光變換。

發(fā)射部分：

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

接收部分：

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

光模塊的選用（主要參考依據(jù)）

1、光纖連接器的分類和主要規(guī)格參數(shù)

光纖連接器是在一段光纖的兩頭都安裝上連接頭，主要作光配線使用。 按照光纖的類型分：?jiǎn)文９饫w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

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。

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。

光纖連接器的性能主要有光學(xué)性能、互換性能、機(jī)械性能、環(huán)境性能和壽命。其中最重要的是插入損耗和回波損耗這兩個(gè)指標(biāo)。

2、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(qiáng)，接收靈敏度指可以探測(cè)到的光強(qiáng)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(shí)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(duì)于百兆、千兆的光模塊色散受限遠(yuǎn)大于損耗受限，可以不作考慮。10GE光模塊遵循802.3ae的標(biāo)準(zhǔn)，傳輸?shù)木嚯x和選用光纖類型、光模塊光性能相關(guān)。

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?cái)?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(zhǎng)距三種。一般認(rèn)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(zhǎng)距離。

光模塊的傳輸距離受到限制，主要是因?yàn)楣庑盘?hào)在光纖中傳輸時(shí)會(huì)有一定的損耗和色散。

注意：

損耗是光在光纖中傳輸時(shí)，由于介質(zhì)的吸收散射以及泄漏導(dǎo)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?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)速度不等，從而造成光信號(hào)的不同波長(zhǎng)成分由于傳輸距離的累積而在不同的時(shí)間到達(dá)接收端，導(dǎo)致脈沖展寬，進(jìn)而無法分辨信號(hào)值。

因此，用戶需要根據(jù)自己的實(shí)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(zhǎng)

中心波長(zhǎng)指光信號(hào)傳輸所使用的光波段。目前常用的光模塊的中心波長(zhǎng)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(zhǎng)距離傳輸，2km以上的傳輸。