10G光模块主要功能和工作原理

10G光模块主要功能和工作原理北研设计开发部新员工培训教材主讲：王向前日期：2006年6月8日版次：V1.0内容提要综述主要功能关键器件基本原理及关键电路北研自主开发的10G光模块介绍目前国际主流10G模块协议MSA300PINXENPAKXPAK/X2XFPMSA300PIN它是由包括：Agere、Fujitsu、Jdsu、Opnext、NEC等11个厂家共同定义的一种模块标准。2004年MSA组又推出了适合于MSA300标准模块的I2C协议MSA_10G_40G_TRX_I2C_Public_Document_04_Final.docMSA_10G_TRX_PublicDocumentEdition4.doc300PIN插座XENPAK协议XPAK/X2协议XFP协议几类模块尺寸比较10G模块的应用领域SDH/DWDM系统

——MSA300PIN占统治地位Ethernet ——XPAK/X2占主导地位

——长距应用中采用XENPAKXFP目前已经有上量的趋势，开始在SDH和DWDM系统中使用各类模块市场份额模块的基本结构模块在系统中的位置10G模块在SDH/DWDM系统中10G模块在Ethernet中的应用10G模块在G.709中的应用10G模块在FiberChannel中的应用10GTransponder的基本结构内容提要综述主要功能关键器件基本原理及关键电路北研自主开发的10G光模块介绍10GTransponder的主要功能接收部分■发送部分

-光电转换-数据复接

-限幅放大-激光器驱动

-数据时钟恢复-APC电路

-数据分接-ATC电路

-电光转换内容提要综述主要功能关键器件基本原理及关键电路北研自主开发的10G光模块介绍关键器件接收部分

PIN管

APD管发射部分 激光器

EA调制器

M-Z调制器PIN管的基本结构PIN管的等效电路

雪崩二极管APD雪崩效应当反相偏压增加到一定值时，光生载流子获得足够的动能，在与晶格碰撞时产生新的电子－空穴对。此电子－空穴对在强电场的作用下又获得足够大的动能从而产生新的电子－空穴对，使得耗尽层载流子急剧增加。■倍增因子M

和反向偏压在一定范围内成正比例变化。■反向击穿电压Vb

理论上定义为倍增因子达到无穷大时的反向偏压实际使用中定义为当没有输入光时反向电流增大到预定值时的反向偏压■暗电流

PIN管加正常反向偏压、APD加95％×Vb反向偏压、没有入光时的反向电流接收机组件由PIN/APD和TIA前置放大器组成接收机参数响应度R单位为mA/mWR=Ip/PinIp为输入光产生的光电流单位为mA，Pin为输入光功率，单位为mW量子效率η

量子效率定义为转换为光电流的光子数和入射总光子数之比。

R=ηλ/1.24波长越长，响应度越高！

接收机参数3dB截至频率fc增益带宽乘积GB

接收机参数灵敏度定义为当接收机误码率为1×10-12时所需要的最小接收光功率。它考虑了通常情况下由于接收机最差消光比，脉冲上升和下降时间，回损，连接器劣化，测试容差等带来所有的功率代价。

过载定义为接收机误码率为1×10-12时的最大接收光功率回波损耗输入光功率和输出光功率之比

Rl=10LOG(Pin/Pout)激光器的分类激光器分类方法很多，按照结构可以分为：

F-P激光器、DFB激光器、DBR激光器、量子井（QW）激光器■按照调制方式可以分为：直接调制激光器外调制激光器：EA、M-Z等激光器的基本原理F-P半导体激光器的基本结构

激光器发光的条件工作物质（能实现粒子数反转的晶体）泵浦（电或者光）谐振腔满足振荡条件DBR激光器与DFB激光器的基本结构激光器的P-I曲线直接调制方式直接调制的过冲直调激光器的啁啾激光器注入电流发生变化时除了导致光功率发生变化，同时频率也发生了变化，即产生了频率调制，这种现象称为啁啾啁啾使得信号在光纤中传输过程中由于色散的原因导致脉冲展宽，另外当系统中使用EDFA时，由于增益不平坦性导致频率啁啾转换为幅度调制。集成EA调制器的LD结构EA激光器结构EA激光器调制曲线DFB-EA调制器的Chirp来源EA调制器的固有Chirp EA吸收系数的变化导致折射率的变化，从而导致相位的变化EA端面反射导致DFB激光器有源区载流子浓度变化，从而导致DFB谐振腔的等效折射率变化EA驱动电压的电耦合M-Z调制器的基本结构M-Z调制器P-V曲线M-Z调制原理M-Z调制原理激光器常用参数-20dB谱宽标准工作情况下，激光器所发射的峰值波长最大幅度下降20dB时，光谱线两边所对应的波长间隔。■边模抑制比SMSR

全调制情况下，主纵模幅度与最大边模幅度之比。

■消光比

A表示逻辑“1”为高电平时（传号）平均输出光功率，B表示逻辑“0”为低电平时（空号）平均输出光功率，则消光比定义为EX=10lg（A/B）内容提要综述主要功能关键器件基本原理及关键电路北研自主开发的10G光模块介绍10GTransponder基本原理接收部分基本结构限幅放大器的功能最佳判决点的确定发射部分原理模块与单板的接口前向时钟方式反向时钟方式JitterFilter的使用反向时钟方式前向时钟方式JitterFilter的使用APC电路保证偏置电流恒定保证光功率恒定ATC电路保证激光器温度恒定保证波长稳定，100G间隔长期漂移不超过±10GHZ，50G不超过±5GHZ码型光谱内容提要综述主要功能关键器件基本原理及关键电路北研自主开发的10G光模块介绍10G模块开发演进PE6MP3（PE6MA1）10G收发合一模块

■接收机判决电平域值调整■采用EA调制可满足2km、40km、80km传输■内置CPU，IIC总线接口，部分支持MSAIIC协议■完全符合300pinTransponder的MSA协议■与PE6MP1和PE6MP210G收发合一模块兼容■具有低成本优势■支持到11.3Gb/s以下的多业务速率■具有较好的抖动性能（带有jitterclean时，抖动传函满足120kHz模板）■适用于DWDM和SDH系统PE6MPZ（PE6MAZ）10Gb/sRZ收发合一光模块采用ERZ形式部分符合300pinTransponderMSA协议

APD（PIN）接收兼容设计内置CPU，IIC总线接口接收机判决电平域值调整支持10Gb/s多速率业务PE6MP/A410Gb/s收发合一光模块■接收机判决电平域值调整■采用EA调制可满足2km、40km、80km传输■内置CPU，IIC总线接口，部分支持MSAIIC协议■完全符合300pinTransponder的MSA协议■外形尺寸：SFF■具有低成本优势■支持到11.3Gb/s以下的多业务速率■适用于DWDM和SDH系统常用标准ITU-TG.691OpticalinterfacesforsinglechannelSTM-64andotherSDHsystemswithopticalamplifiersITU-TG.692OpticalinterfacesformultichannelsystemswithopticalamplifiersITU-TG.783Characteristicsofsynchronousdigitalhierarchy(SDH)equipmentfunctionalblocksITU-TG.825Thecontrolofjitterandwanderwithindigitalnetworkswhicharebasedonthesynchronousdigitalhier