SFP光模块及光接收器知识介绍课件

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1、光模块基本原理光模块基本原理SFPSFP光模块及接收机光模块及接收机基本原理基本原理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光模块定义光模块定义以光器件以光器件为核心增加一些核心增加一些电路部分和路部分和结构件等完成相构件等完成相应功功能的能的单元元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 155Mb/s 622Mb/s 1

2、.25Gb/s 2.5Gb/s 10Gb/s 等等按功能划分：按功能划分：发射模射模块，接收模，接收模块，收，收发合一模合一模块(transceiver,)(transceiver,)按封装划分：按封装划分：19/29/SFF/GBIC/SFP/XFP/300pin19/29/SFF/GBIC/SFP/XFP/300pin等等按使用条件划分：按使用条件划分：热插拔插拔 (GBIC/SFP/XFP)(GBIC/SFP/XFP)带插插针 (19/29/SFF)19/29/SFF)按应用划分：按应用划分：SDH/SONET,Ethernet,Fiber Channel,CWDM,SDH/SONET,

3、Ethernet,Fiber Channel,CWDM,DWDMDWDM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（OLTOLT：Optic Line TerminalOptic Line Terminal，光线路终端；光线路终端；ONU ONU：Optic Network Unit,Optic Network Unit,光网络单元）光网络单元）光模块发展历史光模块发展历史封装形式：封装形式：1X9 1X9 SFF SFF GBIC GBIC SFP,XFP,SFP SFP,XFP,SFP+传输速率：传输速率：155M155M,622M,622M 1.25G,2.5G 1.25

4、G,2.5G 4.25G,8.5G,10G,4.25G,8.5G,10G,40G 40G功能：不带监控功能（功能：不带监控功能（None DDMNone DDM）带数字诊断功能（带数字诊断功能（DDMDDM）接入应用：接入应用：P to P P to P P to MP:PON(GE-PON,GPON,WDM-PON)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（PigtailPigtail）；插拔型（）；插拔型（ReceptacleReceptacle）光传输形式：双纤双向（光传输形式：双纤双向（MSAMSA）；单纤双向（）；单纤双向

5、（BiDiBiDi）光模块发展趋势光模块发展趋势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&DeMUXMUX&DeMUX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件和IC IC 、无源元件、无源元件（如电阻、电容、电感、（如电阻、电容、电感、互感、微透镜、隔离器

6、）、互感、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。光器件结构图光器件结构图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 TO器件器件(TOSA(TOSA，ROSA ROSA，BOSA)BOSA)；DIP DIP（或（或ButterflyButterfly）器件；）器件；表面贴装（表面贴装（surface mount)surface mount)器件等；器件等；按传输速率，可分为按传输速率，可分

7、为 155M 155M、622M622M、1.25G1.25G、2.5G2.5G、10G10G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 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.PINPIN探测器探测器 P型掺杂、本征（I）和N型掺杂。APDAPD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)PINPIN探测器探测器响应度：响应度：PINPIN探测器即探测器即P-I-N P-I-N 探测器：探测器：P P型掺杂型掺杂IntrinsicIntrinsicN N型掺杂型掺杂 需加需加5 510

8、V10V反偏电压反偏电压APDAPD探测器探测器响应度：响应度：APDAPD探测器：探测器：雪崩光电探测器（雪崩光电探测器（Avalanche photodetectorAvalanche photodetector）需加需加303060V60V反偏电压反偏电压MM与温度和反偏电压有关与温度和反偏电压有关激光器激光器FP LD(FP LD(Fabry-Perot LaserFabry-Perot Laser)DFB LD(DFB LD(Distributed-Feedback Laser)Distributed-Feedback Laser)VCSEL VCSEL(Vertical-Cavit

9、y Surface-Emitting Laser)(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)LED(LED(Light-Emitting DiodeLight-Emitting Diode)EAM LDEAM LD(Electro-absorption modulated lasers)(Electro-absorption modulated lasers)FP LD FP LD 和和 DFB LDDFB 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FPFPLDLDDFBDFBLDLDLED LED 和和 VCSELVCSEL都是面发光都是面

10、发光谐振腔结构不同谐振腔结构不同LEDLEDVCSELVCSELEAM LDEAM LD构成：构成：TECTEC致冷器，致冷器，激光二极管，激光二极管，EAEA调调制器，背光检测二极制器，背光检测二极管和，热敏电阻等管和，热敏电阻等放大器分类放大器分类跨阻放大器：跨阻放大器：Transimpedance AmplifierTransimpedance Amplifier（TIA TIA）主放主放Main Amplifiers(MA)Main Amplifiers(MA)或后放或后放 Post Amplifiers Post Amplifiers 限幅放大器：限幅放大器：Limiting Amp

11、lifier(LA)Limiting Amplifier(LA)自动增益控制放大器：自动增益控制放大器：Automatic Gain Control Automatic Gain Control Amplifier(AGC).Amplifier(AGC).跨阻放大器（跨阻放大器（TIATIA）这种这种I-VI-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RfRf，所以又被称做跨阻，所以又被称做跨阻放大器（放大器（TIATIA）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fHfH0.0.755工作速工作速率率宽动态范围

12、宽动态范围Rf 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主放主放LALA：转换速度快，功耗低，但是非线性限制了其应用：转换速度快，功耗低，但是非线性限制了其应用AGCAGC：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时钟和数据恢复（时钟和数据恢复（CDRCDR）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（Cloc

13、k and Data Recovery Clock and Data Recovery CDRCDR）的作）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正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正确的相位关系确的相位关系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）MUX&DeMUXMUX&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

14、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调制方式调制方式直接调制直接调制 外调制外调制 EA EA调制（调制（Electroabsorption ModulatorElectroabsorption Modulator）MZ MZ调制（调制（Mach-Zehnder ModulatorMach-Zehnder Modulator）直接调制直接调制P1P1P0P0利用电信号的利用电信号的1 1和和0 0控制激光器的电流控制激光器的电流大小。大小。EAEA调制

15、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 1、0 0 作用于电作用于电吸收调制器。吸收调制器。来控制激光器出光大小。来控制激光器出光大小。MZMZ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 1信号时，相位相同，信号时，相位相同，进行叠加，进行叠加，0 0信号时，相位相差信号时，相位相差180180度，

16、光信号度，光信号 抵消。抵消。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1X91X9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-4 4GBICGBIC模块模块特点：特点：工作速率:155Mb/s 2.5Gb/s工作电压

17、：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、OC-48/STM-16 SFFSFF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 SFPSFP模块模块特点

18、：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 PONPON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XFPXFP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

19、应用：应用：数据通信：10G以太网，10G光纤通道电信：OC-192/STM-64300-pin Transponder300-pin Transponder模块模块特点：特点：速率可达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-64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

20、制）LaserLaserDriverDriverAPCAPCTemp SensorTemp SensorAEC AEC 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XCXC占空比控制占空比控制匹配电路匹配电路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 LaserEAM LaserDriverDriverAPCAPCATC ATC 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XCXC占空比控制占空比控制匹配电路匹配电路MCMCBC BC 偏置电压偏置电压控制控制调制电压调制电压控制控制PINPIN型光接收模块功能框图型光接收模块功能框图PIN/TI

21、APIN/TIAMAMAPIN/TIAPIN/TIAMAMACDRCDR3R 3R 功能功能(Reshape,Reamplify,(Reshape,Reamplify,RetimeRetime)2R 2R 功能功能(Reshape,Reamplify)(Reshape,Reamplify)APDAPD型光接收模块功能框图型光接收模块功能框图APD/TIAAPD/TIAMAMAAPD/TIAAPD/TIAMAMACDRCDR3R 3R 功能功能(Reshape,Reamplify,(Reshape,Reamplify,RetimeRetime)2R 2R 功能功能(Reshape,Reampli

22、fy)(Reshape,Reamplify)High Voltage GenerationHigh Voltage GenerationHigh Voltage GenerationHigh Voltage Generation光收发合一模块光收发合一模块(Transceiver)(Transceiver)功能框图功能框图TOSATOSADriverDriverROSAROSAMAMAAPC/AECAPC/AECLOSLOSRxPowerRxPowerTxPowerTxPowerTxDisableTxDisableData InData InData OutData OutOptical In

23、Optical InOptical OutOptical Out带数字诊断功能带数字诊断功能(DDM)(DDM)光收发合一模块功能框图光收发合一模块功能框图TOSATOSADriverDriverROSAROSAMAMAAPC/AECAPC/AECLOSLOSTxDisableTxDisableData InData InData OutData OutOptical InOptical InOptical OutOptical OutMCUMCUEEPROMEEPROMI2C I2C 数字诊断数字诊断(DDM)(DDM)模块特点模块特点光收发合一模块光收发合一模块(XFP)(XFP)功能框图

24、功能框图TOSATOSADriverDriverROSAROSAMAMAAPC/AEC/ATCAPC/AEC/ATCLOSLOSTxDisableTxDisableData InData InData OutData OutOptical InOptical InOptical OutOptical OutMCUMCUEEPROMEEPROMI2C I2C CDRCDRCDRCDRTransponderTransponder模块功能框图模块功能框图TOSATOSADriverDriverROSAROSAMAMAAPC/AEC/ATCAPC/AEC/ATCLOSLOSTxDisableTxDis

25、able1616路路 并行并行Data InData In1616路路 并行并行Data OutData OutOptical InOptical InOptical OutOptical OutMCUMCUEEPROMEEPROMI2C I2C MUXMUXDeMUXDeMUXTDM:Time Division Multiplex TDM:Time Division Multiplex 时分多路复用时分多路复用 TDMA:Time Division Multiple Address TDMA:Time Division Multiple Address 时分多路访问时分多路访问PONPON模

26、块模块ONUONU光收发合一模块功能框图光收发合一模块功能框图OLTOLT光收发合一模块功能框图光收发合一模块功能框图BOSABOSA单纤双向光组件单纤双向光组件(Bi-Dirctional Optical Subassembly)(Bi-Dirctional Optical Subassembly)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

27、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/sbit/s SDHSDH等级等级 系列比特率系列比特率STM-1 STM-1 155.52M

28、b/s155.52Mb/s STM-4 STM-4 622.08Mb/s622.08Mb/s STM-16 STM-16 2.48832Gb/s2.48832Gb/s STM-64 STM-64 9.95328Gb/s9.95328Gb/s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

29、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）目标传输距离目标传输距离L(km)LL(km)L=2.4VVOH=2.4V；VOL=0.5VVOL=2VVIH=2V；VIL=0.8VVIL=2.4VVOH=2.4V；VOL=0.4VVOL=2VVIH=2V；VIL=0.8VVIL=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。ECLECL，PECLPECL和和LVPECLLVPECL电平电平ECLECL：Emitter Coupled Logic Emitt

30、er 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=-5.2VVcc=-5.2V；VOH=-0.88VVOH=-0.88V；VOL=-1.VOL=-1.72V2V；VIH=-1.24VVIH=-1.24V；VIL=-1.36VVIL=-1.36V。速度快，驱动能力强，噪声小，很容易达到几百速度快，驱动能力强，噪声小，很容易达到几百MM的应用。但是功耗大，的应用。但是功耗大，需要负电源。为简化电源，出现了需要负电源。为简化电源，出现了PECL(ECLPECL(ECL结构，改用正电压供电结构，改用正电压供电)和和LVPECLLVPECL。PECLPEC

31、L：Pseudo/Positive ECL Pseudo/Positive ECL Vcc=5VVcc=5V；VOH=4.12VVOH=4.12V；VOL=3.28VVOL=3.28V；VIH=3.VIH=3.78V8V；VIL=3.64V VIL=3.64V LVPELCLVPELC：Low Voltage PECL Low Voltage PECL Vcc=3.3VVcc=3.3V；VOH=2.42VVOH=2.42V；VOL=1.58VVOL=1.58V；VIH=2.06VVIH=2.06V；VIL=1.94V VIL=1.94V ECL ECL、PECLPECL、LVPECLLVPEC

32、L使用注意：不同电平不能直接驱动。中间可用交使用注意：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，必须有电阻须有电阻 拉到一个直流偏置电压。拉到一个直流偏置电压。(如多用于时钟的如多用于时钟的LVPECLLVPECL：直流匹配：直流匹配时用时用130130欧上拉，同时用欧上拉，同时用8282欧下拉；交流匹配时用欧下拉；交流匹配时用8282欧上拉，同时用欧上拉，同时用130130欧欧下拉。但两下拉。但两 种方式工作后直流电平都在种方式工作后直流电平都在1.95V1.95V左右。左右。

33、)LVDSLVDS电平电平LVDSLVDS：Low Voltage Differential Signaling 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3.5-4mA3.5-4mA，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 0和和1 1。通过外部的。通过外部的100100欧匹配电阻欧匹配电阻(并在并在差分线上靠近接收端差分线上靠近接收端)转换为转换为350mV350mV的差分电平。的差分电平。LVDSLVDS使用注意：可以达到使用注意：可以达到600M600M以上，以上，PCBPCB要求

34、较高，差要求较高，差分线要求严格等长，差最好不超过分线要求严格等长，差最好不超过10mil(0.25mm)10mil(0.25mm)。100100欧欧电阻离接收端距离不能超过电阻离接收端距离不能超过500mil500mil，最好控制在，最好控制在300mil300mil以以内。内。CMLCML电平电平CMLCML电平是所有高速数据接口中最简单的一种。其输入和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，适合于更高频段工作。输出是匹配好的，减少了外围器件，适合于更高频段工作。CML 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 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 mA16 mA。谢 谢！