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光模块知识介绍 王彦伟2010 07 25 1 光通信基本知识介绍2 光模块基本原理介绍3 现有ONU光模块芯片方案4 静电的基本知识 NPI 工艺工程师 拉长 技术员 2小时 王彦伟 使和光模块生产相关人员对光模块有初步的了解 对光模块的结构 基本原理有初步的认识 培训目的 培训对象 培训讲师 学习重点 培训课时 1 1光纤系统简介1 2光通信发展简史1 3光的基本知识1 4光纤的基本知识1 5光纤端面检查清洗的基本知识 1 光通信基本知识介绍 1 1光纤系统简介 光纤通信主要是指利用激光作为信息的载体信号并通过光导纤维来传递信息的通信系统 有以下优点 宽的传输带宽低的传输损耗不受电磁干扰成本低 重量轻 1 1光纤系统简介 基本光纤系统的构架及其功能介绍 发送单元 把电信号转换成光信号 传输单元 载送光信号的介质 接收单元 接收光信号并转换成电信号 连接器件 连接光纤到光源 光检测以及其它光纤 1 2光通信发展简史 广义的光通信 3000年前的烽火台 灯光 旗语1791年 法国人发明了信号灯 1880年贝尔发明 光话 他以日光为光源 大气为传输媒介 传输距离是200米 1881年贝尔发表了论文 关于利用光线进行声音的复制与产生 贝尔的光话始终没有实用化 没有可靠的 高强度的光源 没有稳定的 低损耗的传输媒介 1 2光通信发展简史 1966年 光纤之父 高锟博士首次提出光纤通信的想法 1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器 1970年康宁公司的卡普隆 Kapron 之作出损耗为20dB km光纤 1977年芝加哥第一条45Mb s的商用线路 1 3光的基本知识 光是一种电磁波可见光波长范围350nm 750nm光纤通信所用的波长范围800nm 1600nmEPON和GPON数字部分使用的是1310nm和1490nm波长 上行1310nm 下行1490nm在CATV的传输里面使用的是1550nm 我们生产的EPON和GPON系统 带有模拟部分的使用的就是这个波长 纤芯core 折射率较高 用来传送光 包层coating 折射率较低 与纤芯一起形成全反射条件 保护套jacket 强度大 能承受较大冲击 保护光纤 1 4光纤的基本知识 外径一般为125um 一根头发平均100um 内径 单模9um多模50 62 5um 1 4光纤的基本知识 多模光纤跳线的颜色为橙色单模光纤跳线的颜色为黄色 1 4光纤的基本知识 色散 Dispersion 光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽变粗 它是限制传输速率的主要因素 模间色散 不同模式的光沿着不同的路径传输 材料色散 不同波长的光行进速度不同 波导色散 发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时 会以稍有不同的速度行进 在单模光纤中 通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要 1 4光纤的基本知识 按照制造光纤所用的材料分 石英系光纤 多组分玻璃光纤 塑料包层石英芯光纤 全塑料光纤和氟化物光纤 塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯 有机玻璃 制成的 它的特点是制造成本低廉 相对来说芯径较大 与光源的耦合效率高 耦合进光纤的光功率大 使用方便 但由于损耗较大 带宽较小 这种光纤只适用于短距离低速率通信 如短距离计算机网链路 船舶内通信等 目前通信中普遍使用的是石英系光纤 1 4光纤的基本知识 按光在光纤中的传输模式分 单模光纤和多模光纤 多模光纤的纤芯直径为50 62 5 m 包层外直径125 m 单模光纤的纤芯直径为8 3 m 包层外直径125 m 多模光纤多模光纤 MultiModeFiber 中心玻璃芯较粗 50或62 5 m 可传多种模式的光 但其模间色散较大 这就限制了传输数字信号的频率 而且随距离的增加会更加严重 例如 600MB KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了 因此 多模光纤传输的距离就比较近 一般只有几公里 1 4光纤的基本知识 单模光纤单模光纤 SingleModeFiber 中心玻璃芯很细 芯径一般为9或10 m 只能传一种模式的光 因此 其模间色散很小 适用于远程通讯 但还存在着材料色散和波导色散 这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求 即谱宽要窄 稳定性要好 后来又发现在1 31 m波长处 单模光纤的材料色散和波导色散一为正 一为负 大小也正好相等 这就是说在1 31 m波长处 单模光纤的总色散为零 从光纤的损耗特性来看 1 31 m处正好是光纤的一个低损耗窗口 这样 1 31 m波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口 也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段 1 31 m常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU T在G652建议中确定的 因此这种光纤又称G652光纤 1 4光纤的基本知识 按最佳传输频率窗口分 常规型单模光纤和色散位移型单模光纤 常规型 光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上 如1300 m 色散位移型 光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上 如 1300 m和1550 m 我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽 那么如果让单模光纤工作在1 55 m波长区 不就可以实现高带宽 低损耗传输了吗 但是实际上并不是这么简单 常规单模光纤在1 31 m处的色散比在1 55 m处色散小得多 这种光纤如工作在1 55 m波长区 虽然损耗较低 但由于色散较大 仍会给高速光通信系统造成严重影响 因此 这种光纤仍然不是理想的传输媒介 1 4光纤的基本知识 为了使光纤较好地工作在1 55 m处 人们设计出一种新的光纤 叫做色散位移光纤 DSF 这种光纤可以对色散进行补偿 使光纤的零色散点从1 31 m处移到1 55 m附近 这种光纤又称为1 55 m零色散单模光纤 代号为G653 G653光纤是单信道 超高速传输的极好的传输媒介 现在这种光纤已用于通信干线网 特别是用于海缆通信类的超高速率 长中继距离的光纤通信系统中 色散位移光纤虽然用于单信道 超高速传输是很理想的传输媒介 但当它用于波分复用多信道传输时 又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰 特别是在色散为零的波长附近 干扰尤为严重 为此 人们又研制了一种非零色散位移光纤即G655光纤 将光纤的零色散点移到1 55 m工作区以外的1 60 m以后或在1 53 m以前 但在1 55 m波长区内仍保持很低的色散 这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道 超高速传输 而且还可适应于将来用波分复用来扩容 是一种既满足当前需要 又兼顾将来发展的理想传输媒介 1 4光纤的基本知识 光纤的衰减 1 4光纤的基本知识 光纤的衰减 InsertionLoss 插入损耗 40dBSPC 45dBUPC 50dBAPC 60dB 1 4光纤的基本知识 光纤连接器端面类型 FCType SCType SC2Type FDDType 1 4光纤的基本知识 光纤连接器类型的基本类型 端面检测一 使用器材1 200倍光纤视频检查放大镜一套 自带光源 其型号分别为FIB VIEW如图表1所示 PIH 09如图表2所示 根据要检测的连接器类型选配适当的适配器 图表1 FIB VIEW 1 5光纤端面检查清洗的基本知识 图表2 PIH 09 2 无水酒精和光纤擦拭纸 3 酒精泵 1 5光纤端面检查清洗的基本知识 二 检验步骤1 去掉要检测的连接器一端的防尘帽 2 把连接器插入放大镜的适配器中 3 如果在放大镜视野内不能看到陶瓷插芯端面 则调整放大镜的位置调整旋钮 直到陶瓷插芯端面的图形全部进入视野内 4 调整放大镜的焦距到合适位置 使得陶瓷插芯的端面图形达到最清晰 5 检测陶瓷插芯端面 如果端面有灰尘如图表3所示 或划痕如图表4所示 则用光纤擦拭纸沾无水酒精擦拭 直到表面没有灰尘 或可以看到清晰的划痕 如图表5所示 1 5光纤端面检查清洗的基本知识 图表3 脏的光纤跳线端面示意图 图表4 有划痕的端面 已经报废 示意图 图表5 清洁后的光纤端面示意图 1 5光纤端面清洗的基本知识 6 如果陶瓷插芯端面 125um以内出现划痕 则对该跳线进行报废 7 去掉连接器另一端的防尘帽 并使该端的陶瓷插芯对准放大镜上自带的光源 在刚刚检测过的连接器端的纤芯处可以看到光亮 否则 该连接器的光缆有折断的地方 如图表6所示 图表6 检查光纤跳线是否有折断 1 5光纤端面检查清洗的基本知识 8 调换连接器的两端 重复上述步骤 检测另外一个端面 9 检测完毕后 将连接器戴上干净的防尘帽 10 端面检测完以后 做插损测试 11 每天早上使用之前都必须对端面进行检测 1 5光纤端面检查清洗的基本知识 清洁光纤跳线的操作步骤 1 用浸过无水酒精 适量 的光纤擦拭纸擦拭陶瓷插芯 如图表1所示 图表7 用沾酒精的擦拭纸擦拭陶瓷插芯 1 5光纤端面检查清洗的基本知识 2 用干净的光纤擦拭纸的正面擦干陶瓷插芯 具体的操作方法 将光纤擦拭纸水平放在工作台 正面朝上 光纤擦拭纸光滑的一面 手持连接器 使得陶瓷插芯垂直于光纤擦拭纸 沿着光纤擦拭纸的纹路 按单一方向轻轻擦拭2 3次 不能在光纤擦拭纸的同一位置反复擦拭 如图表2所示 图表2 正确的光纤擦拭方法 1 5光纤端面检查清洗的基本知识 图表9 盘纤示意图 6cm 1 5光纤端面检查清洗的基本知识 3 清洁完毕后 暂时不使用的光纤需要将跳接线的防尘帽戴好 跳接线绕制好 不许有缠绕 互绞等现象 使用注意事项1 用过程中不能倾斜插拔 2 使用时 将取下的防尘帽放在指定的干净的物料盒 使用完毕后 务必戴上防尘帽 3 盘纤的直径不能少于6cm 如图表9所示 4 光纤跳线每插拔5次 需清洁1次 5 一根光纤跳线任意一端连接器最多插拔5000次 6 跳接线在使用和转移过程中不许有锐角弯折以及甩动 7 对于外观已经损坏的光纤跳线不予使用 1 5光纤端面检查清洗的基本知识 2 1组成框图2 2BOSA组成2 3发射参数介绍2 4激光特性介绍2 5激光驱动器电路2 6接收参数介绍2 7接收跨阻放大器2 8限幅放大器2 9DDM上报2 10其它功能模块 2 光模块基本原理介绍 2 1组成框图 2 2BOSA组成 BOSA是PON光模块里面最重要的器件 由于现在的PON都是单纤类产品 我们公司的产品里面的光器件都是BOSA 实际上在骨干网上面使用的都是双纤的光模块 这种模块里面的发射和接收器件是独立的 下面框图是BOSA最基本的组成框图 里面有激光器LD 接收光电二极管 PIN 或者雪崩光电二极管 APD 滤光片 WDMcoupler 陶瓷插芯等组成 2 2BOSA组成 图示为一个带尾纤BOSA的剖面示意图 2 2BOSA组成 图示为发射TO CAN的内部结构图 激光器芯片通过银浆粘接到热沉上面 激光器正面发的光通过透镜聚焦耦合到外面光纤插针体 背向光照射到一个光电二极管上面 用于自动光功率控制 激光器为电流驱动元件 通过向激光器输入相应大小的电流可以得到需要的光功率 2 2BOSA组成 图示为接收TO CAN的内部结构图 中间为一个PD芯片 旁边有两个芯片电容和一个跨阻放大器 TO CAN上面有一个透镜 将入射的光聚焦照射到PD光敏面上面生成光电流 然后通过跨阻放大器将微弱电流信号放大并转换为电压信号输出 2 3发射参数介绍 光模块发射部分的参数主要有发射光功率 消光比ER 眼图 光谱 我们提到的模块发射光功率指的都是激光器平均光功率 表达为Pa P1 P0 2 我们常说的消光比有三种表达方式 ERlinear P1 P0ER dB 10log10 ERlinear ER 100XP0 P1对于PON ONU的模块 还有一个指标是开启时间和关断时间 2 3发射参数介绍 图示为EPONONU光模块眼图 2 3发射参数介绍 图示为EPONONU光模块光谱图 在该图上面我们可以看到中心波长以及谱宽的指标 谱宽会直接影响到模块的传输代价 2 3发射参数介绍 图示为光模块突发开启时间示意图 不同协议的模块对时间要求不同 EPON要求比较宽松 为512ns GPON是12 8ns 2 3发射参数介绍 图示为光模块突发关断时间示意图 2 4激光特性介绍 激光二极管 LD Laserdiode 是一个电流器件 只在它通过的正向电流超过阈值电流Ith时它发出激光 激光器的阈值和出光效率随着温度的变化而变化 其中阈值随温度升高而增大 效率随温度升高而减小 2 4激光特性介绍 图示为温度T1时候的电流和出光关系 2 4激光特性介绍 图示为温度T2时候的电流和出光关系 2 4激光特性介绍 由于斜效率随温度升高而变小 为了保持消光比不变 那么当温度升高时 必须增大激光器的调制电流 当温度下降时 必须减小激光器的调制电流 2 5激光驱动器电路 一个典型的激光器驱动电路包括下列部分 差分电流开关电路 向LD输出调制电流偏置电流发生器 向LD提供直流偏置电流自动功率控制 APC 电路 在不同温度和LD老化的情况下 改变IBIAS 保持PAVG不变故障告警 保护电路调制电流 偏置电流监控电路输入端整形电路 D触发器 2 5激光驱动器电路 2 5激光驱动器电路 驱动电路实质上就是一个高速电流开关 通过发射信号来控制开关的闭合以及断开 激光驱动器一般提供两个电流 偏置电流和调试电流 偏置电流和激光器的阈值联系在一起 调制电流大小和激光器的出光效率有关 当温度变化的时候 偏置电流跟踪激光器阈值的变化 保证激光器发射光功率的恒定 而调制电流随激光器的效率变化而增大或者减小 保证消光比的恒定不变 2 5激光驱动器电路 为了保证光模块在整个温度范围内的参数恒定 稳定消光比和光功率非常重要 现在有不同的方式可以用来保持消光比和光功率恒定 单闭环自动功率控制 APC 热敏电阻补偿调制电流 单闭环自动功率控制 APC LUT 开环补偿法热敏电阻补偿 调制电流和偏置电流 通过MCU查表精确设置调制电流和偏置电流 双闭环控制 现在的M02098采用的是双闭环的控制方式 芯片通过控制背向光电流的平均值保持光功率恒定 通过控制背向光的P P保持消光比恒定 其它方法APC 芯片内部对调制电流补偿 这种方式是通过监测偏置电流的变化来调节调制电流的大小 2 5激光驱动器电路 通过检测背光二极管 MD 产生的光电流 平均值 来实现闭环控制 这里我们认为背向光和正向出光的比例关系是相同的 我们只需要保证背向光恒定 就可以保证正向光功率恒定 其实这里面会有偏差 因为不同温度下相同的背向光对应的正向光不一定相同 这就是光模块高低温功率变化的主要原因 APC调节偏置电流来保持平均输出光功率稳定 APC只对偏置电流回路起作用APC对调制电流无法控制 温度升高 斜效率降低 调制幅度变小 APC却使偏流加大 消光比就变小了 2 5激光驱动器电路 调制电流和偏置电流的大小都可以用镜像恒流源来设置上图是基本型镜像恒流源电路当Q1和Q2严格配对时Ir IoIr的又是由Rr来决定的 所以改变Rr就可以设置Io下图是实际常用的一种镜像恒流源电路Io IrR2 R1通过改变外接电阻R2 就可以设置Io 调制电流或偏置电流 在驱动电路中有多处会用到镜像电流源 不光用于电流设置 引出电流监控也要用到镜像电流的方法 2 6接收参数介绍 比特误码率的概念 BER BitErrorRatio 是衡量一个光接收机性能的最基本的参数BER 接收的误码比特数 被接收到的比特数 在测量时间内误码数 比特率X测量时间 BER的表示形式 1 10 N或者1 0E N N是正整数 2 6接收参数介绍 光模块的接收参数主要有灵敏度和饱和光功率 灵敏度是指在满足一定误码率条件下的最小接收光功率 饱和指在满足一定误码率条件下的最大接收光功率 灵敏度和饱和之间的范围习惯称为接收的动态范围 如果灵敏度是 28dBm 饱和是 8dBm 那么动态范围是20dB 我们说灵敏度的时候 一定要指明是在哪一个误码率条件下的灵敏度 是10 12还是10 10 两者一般有0 4dB左右差别 灵敏度的条件除了误码率以外 还要指明码型 我们使用的是PRBS PseudoRandomBinarySequence 码序列长度2n 1 即每隔2n 1个比特就重复在2n 1比特长度内 0 和 1 是随机分布的 类似噪声 其中0和1的个数是相等的EPON使用的是27 1PRBS码 其频谱特性接近系统的4B5B编码GPON使用的是223 1PRBS码 2 6接收参数介绍 影响灵敏度的因素 光功率 和消光比 的大小信号噪声比 SNR 传输速率 数据比特率 抖动信号码型工作波长码间干扰模块中元器件性能劣化或故障 2 6接收参数介绍 图示为同一只光模块不同误码率下的灵敏度曲线 可以看出误码率的对数和灵敏度 dBm表示 是线性关系 这个关系是我们使用外推法测试灵敏度的基础 即测试高误码率下的几个点可以推算出低误码率的灵敏度 节约了大量时间 2 7接收跨阻放大器 跨阻放大器是在BOSA内部的 起到I V变换以及放大的作用 电流i流过电阻R就会产生电压iR 图 a 运算放大器构成的电路 图 b 在这种I V变换电路中 接入一个负反馈电阻Rf 所以又被称做跨阻放大器 TIA TranimpedanceAmplifier 跨阻放大器的优点 减小了放大器输入端的电容 使电路的通频带得到扩展 以适应高速率使用 2 7接收跨阻放大器 跨阻放大器要求 低的等效输入噪声电流高输入阻抗 低输入电容足够宽的通频带fH 0 75 工作速率宽动态范围 通过AGC调整 Rf要足够大 以保证有足够大的输出电压 2 7接收跨阻放大器 放大器对大信号是双向限幅的光信号是单向的 0 1 光信号过大时就会产生脉冲失真 单边削波 0 1 判别就会出错 出现误码TIA就必须有AGC功能 以保证足够的信号动态范围 右图是分离元件构成的TIA典型电路Q1也可以采用高频FET 这样输入阻抗可以做得很高因为采用分离元件 寄生参数的影响就很严重 所以电路的工作速率不高 通常在早期低速模块中采用 2 7接收跨阻放大器 2 8限幅放大器 TIA输出的是模拟信号 要把它转换成数字信号才能被信号处理电路识别限幅放大器起的作用就是把TIA输出的幅度不同的信号处理成等幅的数字信号限幅放大器的名称 限幅放大器LimitingAmplifier主放大器PostAmplifier量化器Quantizer 2 8限幅放大器 限幅放大器主要有三部分组成 直流耦合多级放大器直流漂移补偿 自动调零 电路光功率检测告警电路 有滞回的比较器 2 9DDM上报 我们现在生产的2X10光模块和2X5的光模块相比 区别就是多了DDMI功能 digitaldiagnosticmonitoringinterface DDMI功能是由协议要求的 SFF8472协议主要就是规范大家的DDM上报的一些格式 我们常用的DDM上报量有5个 工作电压工作温度激光器偏置电流模块发射光功率模块接收光功率现在模块的DDM上报都是通过I2C和MAC芯片进行通信 MAC芯片和光模块进行通信 实际上就是夺取光模块内部的两个列表A0和A2 见下面图示 2 9DDM上报 2 9DDM上报 A0表格存储的主要是模块的一些类型信息 比如光模块的封装 发射波长 传输距离 速率 厂家信息 模块型号以及生产日期和序列号等 可以看出A0表格还有一些空白保留的字节 这些是留给生产厂家自定义使用以及后续协议增加新的功能使用 2 9DDM上报 我们读取模块的DDM上报参数是通过读取A2列表里面的信息得到的 这里有一个概念 内校准和外校准 InternalCalibrationExternalCalibration 由于光模块内部的监测量都是通过ADC采集的 CPU得到的实际上都是数字信息 我们在生产的时候需要将这些信息和真实的模拟量对应起来 这个过程就是校准 也有人称为标定 对于模拟量和数字量是线性关系的参数 采用一阶的函数拟合即可 比如发射光功率上报 如果不是线性关系就需要使用4阶函数拟合 比如使用APD的接收功率上报 函数拟合过程中 会产生一些系数和常量 这些系数和常量存储在一定的字节里面 ADC采集出来的原始数字信息也存储在一定的字节里面 对于外校准 MAC芯片需要读取的信息包括 ADC上报的原始数字信息 该参数对应的校准因子 拟合出来的系数和常量 然后通过规定的函数计算出我们需要的模拟信息 对于内校准 光模块内部将上报的模拟信息直接计算出 存储在相应的位置 这样MAC芯片直接读取即可 不需要经过运算 2 10其它功能模块 除了前面提到的发射电路 接收电路 BOSA DDMI功能外 光模块内部还会有其它的一些功能电路 DC DC升压电路 对于使用APD接收芯片的模块需要使用DC DC升压电路 一般需要35V 45V之间的电压 采样保持电路 OLT 复位电路 OLT 这些内容不再详细描述 如有兴趣可以提供其他PPT文件 3 现有ONU光模块芯片方案 3 1现有PONONU光模块芯片方案3 2T W使用的芯片方案 3 1现有PONONU光模块芯片方案 3 2T W使用的芯片方案 我们现在使用的芯片有三种VITESSE的VSC7965 现在用在2X5EPON的模块上面Maxim的MAX3643 MAX3747 用在2X10EPON和2X10GPON模块上面MindspeedM02098 用在2X10EPON和2X10GPON模块上面