光模块之光器件篇.doc

光模块之入门篇 (2011-05-23 16:12:27)前言：从一个有两年硬件经验的笔记本本行业转到了光模块行业，从一个开始完全不懂什么是所谓的光模块开始入手，一步步的让自己的理论清晰，现在还不敢说已经懂了，只敢说略懂一二。（什么都略懂一点，生活更精彩一点呵！）光模块是什么？我第一反应百度一下(习惯了用百度，偶尔用下google，让我诧异的当我用google检索光模块时，出来的第一行竟是“光模块_百度百科”！)正文：光模块是什么？英文：Optical module。我认识新事物的习惯先想知道它是用在什么地方的(侧重实际应用)，然后再去一步步的了解它的原理及作用。刚开始对于光模块用在什么地方是我一直很困惑的问题，虽然已经知道光模块是用在光纤通信系统中，用到网络传输系统中，具体用在哪些设备上面？可能要等实际接触到产品才能深有体会。从“中国电信SFP封装的PON ONU模块技术要求_20101118v2”，终于知道SFP封装的PON ONU模块的应用地方：SFP封装的PON ONU模块可以插在DSLAM、以太网交换机设备的SFP上联口中，使其具备PON的上联接口，应用于FTTB/N场景；SFP封装的PON ONU模块可以插在以太网上行家庭网关HGW（HGW应有SFP接口）上，成为PON上行的家庭网关设备；SFP封装的PON ONU模块可以插在数字摄像头（数字摄像头应具备SFP接口）上，成为PON上行的数字摄像头设备；SFP封装的PON ONU模块可以插在无线路由器AP上，形成PON上行AP设备。上面写了一大段应用场景，我刚开始看时也是晕了，完全不知所云，直接给大家上个图，直观很多：这个图其实画的是两个通信设备通过光纤通信的过程，通信设备要把信息发给另一个通信设备，中间是通信光纤传输的，要把信息传到光纤上中间就需要一个转换模块来完成转换功能，这就是光模块要完成的工作，图中标出的两个Transceiver就是光模块的一种。SFP封装只是众多光模块封装中的一种，光模块封装也是种类烦多，准备后面专门再整整一篇光模块之封装篇。ONU模块也只是光模块中一种，希望大家不要错认为光模块只有ONU模块一种。通过本篇，只需知道光模块的作用：1.光信号转换成电信号2.电信号转换成光信号。本篇中其它有些术语和概念，后面再慢慢研究，相信不久定会拨云见日。专业词汇：PON（passive optical network）无源光网络ONU（optical network unit）光网络单元SFP（small form-factor pluggables）小型可插拔光通信收发器，可用的光学SFP模块一般分为如下类别：850纳米波长/550米距离的 MMF (SX) （多模光纤）、1310纳米波长/10公里距离的 SMF (LX)（单模光纤）、1550 纳米波长/40公里距离的XD、80公里距离的ZX、120公里距离的EX或EZX，以及DWDM。SFP收发器也提供铜缆接口，使得主要为光纤通信设计的主机设备也能够通过UTP网络线缆通信。也存在波分复用（CWDM）以及单光纤双向（1310/1490纳米波长上行/下行）的SFP。商用SFP收发器能够提供速率达到4.25 G bps。10 Gbps 收发器的几种封装形式为XFP，以及与SFP封装基本一致的新的变种SFP+。eSFP ：enhancedSmallForm-factorPluggable增强型SFP，在主要功能业务上没有区别，只要光功率、灵敏度、距离一致，是可以互换使用的。eSFP增加了诊断功能，如支持查询光功率，方便客户使用。ONT（Optical network terminal，光网络终端），是xpon网络接入方案中的产品。ONT和ONU的区别在于ONT是光网终端，直接位于用户端,而ONU是光网单元，与用户间还可能有其它的网络，比如以太网。光接收灵敏度,灵敏度的单位一般用“dBm”表示。它表示以lmW功率为基础的绝对功率电平。设测得的最小平均功率为Pmin，则灵敏度可以表示为：PR10lg(Pmin/1mW) dBm。例如，当PR一60dBm时，其最小平均光功率就是109W。在这里，我们要特别说明，Pmin越小，则接收机的灵敏度就越高，该接收机在很小的接收光功率条件下，就可以保证系统所要求的误码率。包转发线速的衡量标准是以单位时间内发送64byte的数据包（最小包）的个数作为计算基准的。对于千兆以太网来说，计算方法如下：1，000，000，000bps/8bit/（64812）byte=1,488,095pps说明：当以太网帧为64byte时，需考虑8byte的帧头和12byte的帧间隙的固定开销。故一个线速的千兆以太网端口在转发64byte包时的包转发率为1.488Mpps。快速以太网的线速端口包转发率正好为千兆以太网的十分之一，为148.8kpps。1.对于万兆以太网，一个线速端口的包转发率为14.88Mpps。2.于千兆以太网，一个线速端口的包转发率为1.488Mpps。3.对于快速以太网，一个线速端口的包转发率为0.1488Mpps。4.对于OC12的POS端口，一个线速端口的包转发率为1.17Mpps。5.对于OC48的POS端口，一个线速端口的包转发率为468MppS。FTTx术语:FTTH：Fiber To The Home 光纤到户FTTO ：Fiber To The Office 光纤到办公室FTTB/C ：Fiber To The Building/ Curb 光纤到楼宇/分线盒FTTCab：Fiber To The Cabinet 光纤到交接箱FTTZ：Fiber To the Zone-光纤到小区FTTN：Fiber To the node-光纤到节点ONU ：Optical Network Unit光网络单元ONT：Optical Network Terminal 光网络终端狭义的FTTH指光纤向用户侧的进一步延伸，这时光纤已经进入用户住宅或办公室的室内，接入网内的分支段的光纤只连接一个用户。ITU认为FTTH从光纤端头的光电转换器到用户桌面不超过100m，从而无需再在金属线上安装电子接入系统，但不排除光电转换器和桌面终端之间使用宽带无线系统。狭义的FTTH对于商业用户还可以称为FTTO(fiberto the office)，当然，最极端的FTTH可以是FTTD(fiberto the desk)。广义的FTTH还可以是FTTP(fiberto the premise，光纤到用户所在地)，北美就一直采用这个术语，它包括FTTB(fiberto the building)、FTTC(fiberto the curb)以及狭义的FTTH。EPON10GEPONGPON10GPONEPON10GEPONGPON10GPONDownstreamRate1.25Gbps10Gbps/1.25Gbps2.5Gbps/1.25Gbps10GbpsUpstreamRate1.25Gbps10Gbps/1.25Gbps1.25Gbps/622Mbps2.5GbpsWavelengthDS:1490nmUS:1310nmDS:1577nm/1490nm/1555nmUS:1310nm/1270nmDS:1490nmUS:1310nmDS:1577nmUS:1270nmSplit Radio1:321:=641:32/641:=64Max Distance20Km=20Km20Km(Logical:60Km)=20Km(Logical:60Km)Max Difference Distance20Km=20Km20Km40KmStandardIEEE 802.3ahIEEE 802.3avG.984.xG.987.x光模块之光器件篇 (2012-08-23 10:56:19)提到光模块，另一个必须要学习和了解的领域就是光器件，光器件是光模块的主要组成部分，早期的光模块所用的光器件收和发是分开的，一个是TOSA(Transmitting Optical Sub-Assembly,光发射组件)，一个是ROSA(Receiving Optical Sub-Assembly,光接收组件)，随着小型化的发展，二者合二为一就成了BOSA(Bi-Directional Optical Sub-Assembly,光发射接收组件)，也有的光器件集成1个TOSA和2个ROSA的就成了Triplexer，由于目前在光模块领载单独的TOSA或ROSA已经应用较少，所以我们直接从BOSA和Triplexer开始，先来认识一下它们的庐山真面目，上图：BOSA是由LD和PD封装在一起组成的：来看一下BOSA内部更详细的结构：Triplexer是由1个LD和2个PD封装在一起组成的：再欣赏一下Triplexer内部更详细的结构：除了结构件以外，其实光器件最核心的东西是LD chip和PD chip，它们可以是光器件的核心技术，中国有很多光器件公司，但大部分都是完成一个组装工作，最核心的LD chip和PD chip一般都是进口，这些核心技术还是掌握到外国人的手里，像日本，美国等，技术发展需要时间和积累，相信中国会越来越强大，早日自主研发出世界领先水平的chip出来。也许你会说我还是不知道你说的chip到底是什么东东，其实就一个半导体PN结，也就二极管。你可以会想二极管这么简单，我们还做不出来，当然这个不仅仅是二极管这么简单，如果你认为很简单，只能说明你不了解。也许你想看看TO Can内部的结构，来上图：再深入一点我们再来看看chip的长相：LD chip:PIN chip:里面还有一个器件是isolator，一看很高深，这是个什么东东，其实就是光发射器件中的一个组件，作用防止反射光影响信号,让光只能沿着一个固定方向传播。试想把BOSA或Triplexer当作一个美女，我们已经把人家的衣服一层层的扒掉，从外到里让你一饱眼福了哈（同志们，不要骂我是流氓哈，我是大大的好人），其实学习就是这个样子，要用一种快乐的态度去学习，才不会那么枯燥无味。欣赏完美女，让我再来总结一下这位美女是如何产生的：下面我们再来探讨一下LD和PD的作用和类型，可能很多人已经很熟悉了，但我这是初学者的总结，还是再巩固一下吧：激光器二极管LD： 作用:将电信号转变成光信号,用于光发射端机。 类型法布里-珀罗(FP)型LD分布反馈(DFB)LD分布布拉格反射器(DBR)LD量子阱(QW)LD垂直腔面发射激光器(VCSEL)LD常用参数如下：光探测器PD： 作用:将光信号还原成电信号,用于光接收端机。 类型光电二极管(PIN)PIN管偏压电路简单，价格较低，灵敏度低。雪崩光电二极管(APD)具有载流子倍增效应;偏压电路复杂，价格较高，灵敏度较高;主要用于高速、长距离系统。常用参数如下：最后来说说安全问题，一说激光器，就想到美国科幻大片里的激光大战，高科技，威力无比啊，不要害怕，我们的激光器没这么厉害，不过还是要注意点，安全最重要，下图是国际电子技术委员会给的一个分类：总结：通过本篇，相信大家对光器件已经有了一个初步的了解，当然在使用中还是有很多东西进一步来学习，让我们共同研究学习。从40G到100GWTD高速光模块产品对偏振复用相干检测技术的选择 ( 2012/9/13 00:53 )众所周知，40G模块是下一代高速率和大容量的光网络核心技术与关键部件。伴随40G光模块大规模部署初现端倪，100G调制编码格式也渐渐浮出水面。面对众多特征各异的传输码型，在综合考虑其他系统设计参数的基础上，业界主要从传输距离、通路间隔、向下兼容、模块成本与传输性能的平衡等方面进行综合选择。目前，烽火科技旗下的武汉电信器件公司（WTD）已相继成功开发了40G Transponder和CFP系列光收发模块产品，为设备商和系统集成商缩减开发周期提供了方便。WTD密切关注业界动向，在攻克了高速数字信号处理（DSP）技术与模数转换（ADC）技术方面的难关后，又将目光投向了相干光通信领域。相干检测与DSP技术相结合，可以在电域进行载波相位同步和偏振跟踪，清除了传统相干接收的两大障碍。基于DSP的相干接收机结构简单，具有硬件透明性；可在电域补偿各种传输损伤，简化传输链路，降低传输成本；支持多进制调制格式和偏振复用，实现高频谱效率的传输。结合目前国内光通信行业实际情况来看，这无疑是一种非常理想的高速解决方案。业界近年来对于100G模块的研究和开发动向也验证了这一点。那么，WTD在偏振复用相干检测光模块产品的开发过程中采用了怎样的技术思路呢？一相干光通信技术的特点与优势相干光通信充分利用了相干通信方式所具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。与IM/DD系统相比，相干光通信系统具有以下独特的优点：1.灵敏度高，中继距离长相干光通信的一个最主要的优点是能进行相干探测，从而改善接收机的灵敏度。在相干光通信系统中，经相干混合后输出的光电流的大小与信号光功率和本振光功率的乘积成正比。在相同的条件下，相干接收机比普通接收机提高灵敏度约18dB，可以达到接近散粒噪声极限的高性能，因此也增加了光信号的无中继传输距离。2.选择性好，通信容量大相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性。在直接探测中，接收波段较宽，为抑制噪声的干扰，探测器前通常需要放置窄带滤光片，但其频带仍然很宽。在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的噪声才可以进入系统，而其他噪声均被带宽较窄的微波中频放大器滤除。可见，外差探测有良好的滤波性能，这在相干光通信的应用中会发挥重大作用。此外，由于相干探测优良的波长选择性，相干接收机可以使波分复用系统的频率间隔大大缩小，即密集波分复用(DWDM)，取代传统光复用技术的大频率间隔，具有以波分复用实现更高传输速率的潜在优势。3.可以用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应如果外差检测相干光通信中的中频滤波器的传输函数正好与光纤的传输函数相反，即可降低光纤色散对系统的影响。二WTD开发高速偏振复用相干检测光模块的技术考量为了实现准确、有效、可靠的相干光通信，WTD在利用相干光通信技术开发高速偏振复用相干检测光模块产品系列时主要考虑了以下几个技术要点。1.采用高标准的光源技术相干光纤通信系统中对信号光源和本振光源的要求比较高，它要求光谱线窄、频率稳定度高。光源本身的谱线宽度决定了系统所能达到的最低误码率，应尽量减小，同时半导体激光器的频率对工作温度与注入电流的变化非常敏感，其变化量一般在每摄氏度几十吉赫兹和每毫安几十吉赫兹左右，因此，为使频率稳定，除注入电流和温度稳定外，还应采取其他稳频措施，使光频保持稳定。2.在接收技术方面实现突破相干检测的接收技术包括两部分，一部分是光的接收技术，另一部分是中频之后的各种制式的解调技术。平衡接收法：在频移键控(FSK)制式中，由于半导体激光器在调制过程中难免带有额外的幅度调制噪声，利用平衡接收方法可以减少调幅噪声。平衡法的主要思想是当光信号从光纤进入后，本振光经偏振控制以保证与信号的偏振状态相适应，本振光和信号光同时经过偏振分束器分为两路，分别输入两个相同的PIN光电检测器，使得两个光电检测器输出的是等幅度而反相的包络信号，再将这两个信号合成后，使得调频信号增加1倍，而寄生的调幅噪声相互抵消，直流成分也抵消，达到消除调幅噪声影响的要求。偏振控制技术：相干光通信系统接收端必须要求信号光和本振光的偏振同偏，才能取得良好的混频效果，提高接收质量。信号光经过单模光纤长距离传输后，偏振态是随机起伏的，为了解决这个问题，提出了很多方法，如采用保偏光纤、偏振控制器和偏振分集接收等方法。光在普通光纤中传输时，相位和偏振面会随机变化，保偏光纤就是通过工艺和材料的选择使得光相位和偏振保持不变的特种光纤，但是这种光纤损耗大，价格也非常昂贵；偏振控制器主要是使信号光和本振光同偏，这种方法响应速度比较慢，环路控制的要求也比较高；偏振分集接收主要是利用信号光和本振光混频后，由偏振分束元件将混合光分成两个相互垂直的偏振分量，本振光两个垂直偏振分量由偏振控制器控制，使两个分量功率相等，这样当信号光中偏振随机起伏也许造成其中一个分支中频信号衰落，但另一个分支的中频信号仍然存在，所以该系统最后得到的解调信号几乎和信号光的偏振无关，该技术响应速度比较快，比较实用，但实现比较复杂。3.采用外光调制技术由于半导体激光器光载波的某一参数直接调制时，总会附带产生对其他参数的寄生振荡，如幅移键控(ASK)直接调制伴随着相位的变化，而且调制深度也会受到限制。另外，还会遇到频率特性不平坦及张弛振荡等问题。因此，在相干光通信系统中，除FSK可以采用