超詳細(xì)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(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經(jīng)內(nèi)部的驅(qū)動芯片處理后驅(qū)動半導(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，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(yīng)碼率的電信號，輸出的信號一般為PECL電平。同時(shí)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?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 及以上的為長距離。

　　■光模塊的傳輸距離受到限制，主要是因?yàn)楣庑盘栐诠饫w中傳輸時(shí)會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，從而造成光信號的不同波長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

　　• 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(xì)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)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(yīng)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(hù)，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(biāo)準(zhǔn)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(hù)光纖連接器的清潔，請務(wù)必保證在未連接光纖時(shí)蓋上防塵帽。

　　接口指標(biāo)

　　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(qiáng)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(yīng)1mW

　　使用光功率計(jì)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(jì)進(jìn)行測量，串接在線路中，可以即時(shí)給出當(dāng)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(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(diǎn)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(qiáng)，接收靈敏度指可以探測到的光強(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。

　　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(dāng)接收光功率大于飽和光功率的時(shí)候同樣會導(dǎo)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(shí)的最大輸入光功率，單位：dBm。

　　■需要注意的是，光探測器在強(qiáng)光照射下會出現(xiàn)光電流飽和現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)此現(xiàn)象后，探測器需要一定的時(shí)間恢復(fù)，此時(shí)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。

　　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(shí)關(guān)注光纖使用長度，以保證到達(dá)光模塊的實(shí)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(jī)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(shí)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(jìn)行濾波，同時(shí)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(yīng)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(jìn)、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(fù)用器，將不同波長的光信號復(fù)合在一起，通過一根光纖進(jìn)行傳輸，從而節(jié)約光纖資源。同時(shí)，接收端需要使用波分解復(fù)用器對復(fù)光信號進(jìn)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(fù)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(diǎn)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(yīng)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(jì)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(jì),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(diǎn)

　　●SFP+的屏蔽要求比SFP更嚴(yán)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(jì)上可以為熱插拔使用，是一種符合國際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)而來的，其內(nèi)部功能模塊與Xenpak基本相同，在電路板上的應(yīng)用也相同，都是使用一個模塊即可實(shí)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(shí)需要在電路板上開槽，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)高密度應(yīng)用。而Xpak和X2光模塊經(jīng)過改進(jìn)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(jī)架系統(tǒng)和PCI網(wǎng)卡應(yīng)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(biāo)稱的傳輸距離只作為一種分類方法，實(shí)際應(yīng)用中不能直接套用。因?yàn)楣庑盘栐诠饫w中傳輸時(shí)會有一定的損耗和色散，無法達(dá)到標(biāo)稱的傳輸距離。

　　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，從而造成光信號的不同波長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。實(shí)際傳輸距離取決于對應(yīng)型號光模塊的實(shí)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(shí)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(dá)光模塊的實(shí)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(yuǎn)不要讓光纖尾部正對你的眼睛，永遠(yuǎn)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(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(jìn)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(dāng)，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(shí)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(qiáng)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(hù)直接用手接觸光模塊靜電敏感的管腳[t2];運(yùn)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(yīng)用注意點(diǎn)

　　1. 光口問題

　　光鏈路上各處的損耗衰減都關(guān)系到傳輸?shù)男阅埽虼艘螅?/p>

　　A. 選擇符合入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的光纖連接器;

　　B. 光纖連接器要有封帽，不使用時(shí)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(shí)應(yīng)放在防塵干凈處保存;

　　C. 光纖連接器插入是水平對準(zhǔn)光口，避免端面和套筒劃傷;

　　D. 光模塊光口避免長時(shí)間暴露，不使用時(shí)加蓋光口塞;光口塞不使用時(shí)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(yù)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(shí)做靜電防護(hù)工作(如：帶靜電環(huán)或?qū)⑹滞ㄟ^預(yù)先接觸機(jī)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(diǎn)接地，保證接地路徑最短，接地回路最小，不能串聯(lián)接地，應(yīng)避免采用外接電纜連接接地回路的設(shè)計(jì)方式;

　　D. 包裝和周轉(zhuǎn)的時(shí)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(jìn)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(biāo)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(yàn)

　　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(biāo)準(zhǔn)

　　INF-8074i：SFP MSA

　　SFF-8472：數(shù)字診斷接口協(xié)議

　　DWDM MSA SFP ：密集波分復(fù)用模塊標(biāo)準(zhǔn)

　　GR-468-CORE：光器件可靠性方面的通用標(biāo)準(zhǔn)

　　ITU-T G.651：多模光纖標(biāo)準(zhǔn)

　　ITU-T G.652：單模光纖標(biāo)準(zhǔn)

　　21CFR 1040.10 激光安全等級

　　YD/T1352-2005：千兆以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)