1、厦门优迅高速芯片有限公司专业从事光通信前端高速收发芯片的设计光模块基本原理主讲人：林智UFASTICIII主要内容A光模块简介A光模块内部主要元器件A光模块调制方式A光模块的特点及应用A光模块原理框图A光模块主要性能指标A光模块接口电平uMfastic光昨义十T諦TT 以光器性为核廿能的单元Hill光戦分类按速率划分：155Mb/s 622Mb/s 1.25Gb/s 2.5Gb/s lOGb/s 等按功能划分:(transceiver,)发射模块，接收模块，收发合一模块按封装划分：1X9/2X 9/SFF/GBIC/SFP/XFP/300pin 等按使用条件划分：热插拔(GBIC/SFP/XF
2、P)带插针 (1X 9/2 X 9/SFF)按应用划分：SDH/SONET, Ethernet, Fiber Channel, CWDM, DWDM 等按工作模式划分：连续和突发(OLT： Optic Line Terminal, 光线路终端；ONU : Optic Network Unit，光网络单元)UFASTICMl光模块发展历史封装形式：1X9 9 SFF 9 GBIC T SFP, XFP, SFP+传输速率：155M,622M125G,25G T4.25G, 85G, 10G, - 40G光接口形式：尾纤型（Pigtail）；插拔型（Receptacle） 光传输形式：双纤双向（M
3、SA）；单纤双向（BiDi） 接入应用:PtoPPto MP: PON (GE-PON, GPON, WDM-PON)功能：不带监控功能（NoneDDM）夕带数字诊断功能（DDM）UFASTICUFASTICUFASTICIll光模块发展趋势UFASTICIII主要内容A光模块简介A光模块内部主要元器件A光模块调制方式A光模块的特点及应用A光模块原理框图A光模块主要性能指标A光模块接口电平Ill光模块内部主要元器件探测器激光器放大器时钟数据恢复 驱动芯片MUX&DeMUXuMfasticIll光器件光器件是由少数几个光电 子元件和IC .无源元件（如电阻、电容、电感、互感、微透镜、ri m离器
4、光纤及金属连线组合、封装在一起，完成单项或少数几项功能的混合集成件UFASTICIll光器件结构IIll光器件分类如按功能，可分为：光发射器件光接收器件按结构，可分为：TO 器件(TOSA, ROSA, BOS A)；DIP (或Butterfly)器件； 表面贴装(surface mount)器件等；按传输速率，可分为155M、622M、1.25G、25G、10G等; 传输距离，工作波长，工作方式等II探测器光探测器作用把光信号转变为电信号的器件. PIN探测器P型掺杂、本征（I）和N型掺杂。 APD探测器内部具有光电倍增（或称雪崩）光电二极管.（Avalanche Photodetec
5、tor）Ill PIN题器PIN探测器即PIN探测器：P型掺杂+ Intrinsic+N型掺杂20 Q.0.2 pFLightW响应度:【PIN =RP需加510V反偏电压Ill APD探测器APD探测器：雪崩光电探测器(Avalanche photodetector)响应度：LightMultiplicationRegionAbsorptionRegionM与温度和反偏电压有关需加3060V反偏电压II激光器 FP LD (Fabry-Perot Laser) DFB LD (Distributed-Feedback Laser) VCSEL (Vertical-Cavity Surface
6、Emitting Laser) LED (Light-Emitting Diode) EAM LD (Electro-absorption modulated lasers)HI FPLD 和 DFBLDUFASTICUFASTICFP-LDp InInGaAsPn-lnPUFASTICUFASTIC都是边缘发光 谐振腔结构不同UFASTICIll LED 和 VCSELUFASTICUFASTICBragg Mirrorslzp-AIGaAsGaAsn-AIGaAsLEDUFASTICUFASTIC都是面发光 谐振腔结构不同UFASTICI EAMLDRFiiifibe制器,背光检测二极
7、管和，热敏电阻等UFASTIC 跨阻放大器：Transimpedance Amplifier (TIA ) 主放Main Amplifiers (MA)或后放 Post Amplifiers限幅放大器：Limiting Amplifier (LA)自动增益控制放大器:Automatic Gain ControlAmplifier (AGC).UFASTICin 跨mt*：器（tia）UFASTICUFASTICVcc宽动态范围 Rf要足够大，以保证有足够大 的输出电压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fHuO75X工作 速率这种I-V变换电路中有一个负反 馈电阻Rf,所以
8、又被称做跨阻 放大器（TIA）UFASTICII主放十限幅放大器自动增益控制放大器LA：转换速度快，功耗低，但是非线性限制了其应用AGC：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。Ill时钟和数据恢复(CDR)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。时钟和数据恢复电路(Clock and Data Recovery CDR)的 作用就是在输入数据信号中提取时钟信号并找由数据和时钟Ill驱动芯片激光器驱动（电流）调制器驱动（电压）-3JVzB0;R.crI MUX&DeMUX MUX： 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622M
9、b/s ,那么输岀数据为 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Ill主要内容A光模块简介光模块内部主要元器件光模块原理框图A光模块主要性能指标A光模块接口电平Ill调制方式直接调制A外调制EA调制(Electroabsorption Modulator)MZ调制(Mach-Zehnder Modulator)Ill直接调制UFASTICUFASTIC利用电信号的和“0,控制激光器的电流大小。UFASTICII EA调制激光器一直处于发光状态，电信号“卩 收调制器。来控制激光器出光大小。、0,作用于电吸UFASTICIll MZ调制Top view
10、L = 3 - 4 cmA1A，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 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 号产生不同的相位，再经过Y型合束器，“1，信号时，相位相同，进 行叠加，“0,信号时，相位相差180度，光信号抵消。III主要内容A光模块简介A光模块内部主要元器件A光模块调制方式A光模块的特点及应用A光模块原理框图A光模块主要性能指标A光模块接口电平UtFASTICIll 1X9光賊特点：工作速率:155Mb/slGb/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应用数据通信：快速以太网
11、千兆以太网 电信：OC -3/STM 1?OC -12/STM 4Ill GBIC模块特点： 工作速率:155Mb/s2.5Gb/s工作电压：3.3 V或5V 波长：850nm, 1310nm, 1550nmA传输距离可达160km带数字诊断功能（部分）应用：A数据通信：千兆以太网,lx/2x光纤通道电信：OC-3/STM-K OC-12/STM-4 OC-48/STM-16UFASTICIll SFF賊特点： 工作速率:155Mb/s2.5Gb/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：A数据通信：快
12、速以太网，千兆以太网，lx/2x/4x光纤 通道 电信：OC-3/STM-K OC12/STM4、OC-48/STM-16Ill SFP模块特点： 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： 数据通信：快速以太网，千兆以太网,lx/2x/4x光 纤通道 电信：0C-3/STM-K OC-12/STM-4、0C-48/STM-16II PON模块特点：工作速率:155Mb/s25Gb/s工作电压：3.3 V传输距离可达20km带数字诊断功能应用：B PON
13、接入网UFASTICII XFP模块特点：工作速率:10Gb/s 波长：1310nm, 1550nm, DWDM传输距离可达80km带数字诊断功能应用：数据通信：10G以太网，10G光纤通道 电信：OC-192/STM -64Ill 300pin Transpondci模块特点：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： 电信：OC-192/STM -64UFASTICIII主要内容A光模块简介A光模块内部主要元器件A光模块调制方式A光模块的特点及应用A光模块原理框图A光模块主要性能指标A光模块接口电平UtFASTICIll典型光发射模块功能框
14、图（直接调制）典型光发射模块功能框图（外调制）III PIN型光接收模块功能框图3R 功能(Reshape，Reamplify, Retime)gUh FASTICIll APD型光接收模块功能框图2R 功能(Reshape, Reamplify)3R 功能(Reshape, Reamplify, Retime),co.muM fasti cHill光收发合一模块(Transceiver)功能框图Data InJUTData Out TxDisableTxPowerOptical InOptical OutDriverMAAPC/AECTOROSLOSRxPowerUFASTICTxDisab
15、leIIData InJUTDriverTOSAAPC/AEC 少 Optical InMAMCU+EEPROMData Out VROSAp Optical OutUFASTICIll数字诊断(DDM)模块特点特点一：数字电位器(或ADC)代替传统调节电阻，通过串行数据总线I2C 访问及读写特点二：EEPROM (电可擦除可编程只读存储器)空间有AOh和A2h两个空 间组成：其中，AOh用来存固定信息；而A2h则主要用来存储与 DDM监控功能相关的信息。特点三：模块具有监控(Mornitoring)功能。即能实时监控上报温度 (Temperature) 电电压(Vcc),偏流(Bias)射功
16、率(TxP)及接收功率(RxP)五个特性参数特点四：模块具有诊断功能。模块通过相应的接口监控待测模块的5个上报 参数是否在正常的范围内。如SFF-8472中规定每个参数有两级告警，分 别称作Alarm和Warning告警，而每级又分为High和Low两个告警UFASTICIll光收发合一模块(XFP)功能框图TxDisableData InOptical InOptical OutriverTOSAJUTData Out. 1 i-1MCU+EEPROMJLICDR 百 MAOSAAPC/AEC/ATCLOSUFASTICIll Transponder模块功能框图LOSUFASTICLOSUF
17、ASTICTxDisableOptical InOptical OutriverTOSAAPC/AEC/ATCDeMUXMAROSA16路并行 Data In16路并行rData Out 单纤双向光组件(Bi-Dirctional Optical Subassembly)TO-detectorIII主要内容A光模块简介A光模块内部主要元器件A光模块调制方式A光模块的特点及应用A光模块原理框图A光模块主要性能指标A光模块接口电平II光模块主要性能指标传输速率传输距离平均发射光功率消光比 光眼图 谱宽 最小边模抑制比 接收灵敏度 接受器过载 光通道代价 抖动ufasticUFASTIC1=SDH等
18、级STM-1STM-4STM-16STM-64Ill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 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 比蒋数，单位为bit/s系列比特率15552Mb/s622.08Mb/s2.48832Gb/s995328Gb/sIll传输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, 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：（光功率，灵敏度，光纤损耗等）目标传输距离L（km）L色散受限系
19、统传输距离的计算：（光纤模式，激光器工作方式，传 输速率等）2_ 5片Gb/s Lkm Dps/nm/km=卩E比特速率，D色散系数，L为距离II平均发射光功率发送机的发射光功率和所发送的数据信号中“1”占的 比例有关，“1”越多，光功率也就越大。当发送伪随机信号时，和“0”大致各占一半，这 时测试得到的功率就是平均发送光功率。单位为dBm，和mw的关系101ogP(mw)Ill消光比光数据全部为“1”时，平均光功率为A；光数据全部为“0”时， 平均光功率为B,则消光比为：EX=101g(A/B)消光比太大，则引起碉啾声，频谱变宽，色散变大；消光比太小 ,则接收机很难将光的“1和“(T分开，因
20、此消光比不能太小， 也不能很大，在协议上只规定了最小消光比。 一般建议实际消光比实际光接口类型与速率传输距离有关的最低 要求消光比大0.51.5dB这不是一个绝对的数值之所以给出这么一个数值是害怕消光比太 高了传输以后信号劣化太厉害导致误码产生或通道代价超标如果一个光模块传输传输其标称距离以后没有产生误码并且通道 代价满足指标要求只要消光比大于ITU-T建议的最低值多大都可 以UFASTICIll光眼图眼图包含了信号的上升时间、脉冲下冲以及震荡等特性T: Time Slot (Time Period) :Bit Rate下降时间、脉冲过冲、UFASTICUFASTIC1T7BEYE PATTE
21、RNUFASTIC判决门限电平最佳抽样时刻Ill眼图信息对于数字信号的质量，可通过眼图分析（过识别）来衡量，数字信号的质量包括幅度稳定度、码间干扰、信号畸变、光反射、消光比、抖动过冲和张弛振荡、噪声、调制电路匹配等眼图中心眼张开度和眼皮厚度，反映码间干扰、色散、消光比的可 容忍程度，以及幅度稳定度、过冲和张弛振荡、光反射、噪声的大 致量度眼图上/下前沿反映带宽和电路匹配信息陡度反映带宽，线粗度反 映电路匹配信息，但过陡易产生色散相位调制和交叉相位调制眼图上/下沿交点在50%处消光比最好，但由于传输过程中光信号的 脉冲宽度将会展宽，导致接收侧的交叉点相对于发送侧上移。为了 有利于长距离传输保证接
22、收侧的交叉点比例在大约50左右，使得 接收侧的灵敏度最佳。我们一般建议在发送侧把交叉点的位置稍微 下移一些。一般发送侧交叉点比例建议控制在40%45%眼图上/下沿交点的粗细程度反映了抖动的大tjti FASTIC11谱宽最大均方根谱宽发光二极管(LED)和多纵摸(MLM)激光器的参数 ,指光谱中比主峰小20cffi的谱宽最大-20(IB谱宽单纵摸(SLM)激光器的参数，是用中心波长的幅度 下降到20dB处对应的波长宽度来表示Ill最小边模抑制比单纵摸(SLM)激光器的参数，指主纵模的平均光功率与最显著边模的光功率之比的最小值。如果太小，那么经过长距离的传输，可能会引起比较大的色散。Ill灘机灵
23、極在一定误码率的条件下，模块所能接收到的最小光功率, 单位为dBm影响接收灵敏度的因素： 比特速率(Bitrate) 发射光信号质量(眼图；抖动，OSNR等)发射消光比 传输后的脉冲波形失真(Distortion) 接收机的带宽(Bandwidth)电源纹波串扰等Ill接收机过载功率这个参数指接收机在达到规定的比特差错率所能接收 到的最高平均光功率。；点的主要因素PIN/APD 饱和TIA饱和UFASTICIll光通道代价rrJ光通道代价代表了由于反射、符号间的干扰、模式分配 噪声、激光器的碉啾声等引起的总的色散代价。由于发送机发岀来的光不是理想的激光，而且在激光器 处存在反射等等都引起了光的
24、色散，在接收机处要对色 散加以一定的处理，因此光通道代价是说明了发送机和 接收机两个方面的性能。UFASTICIll抖动所谓抖动，其定义为数字信号各有效瞬间相对于理论规定时间位置 的短期偏离。抖动的单位为UI,所谓UI指光传送比特率的倒数：例如1 OGb/s信号, 1UI=1/1OG= lOOpsIdeal Clock (Refere nee)Clock with Phase variationPhase Difference =JitterTime III主要内容A光模块简介A光模块内部主要元器件光模块调制方式 光模块的特点及应用 光模块原理框图A光模块主要性能指标A光模块接口电平Ill模块
25、接口电平 TTL (Transistor-Transistor Logic )晶体管晶体管 逻辑点平和LVTTL (Low Voltage TTL) PECL (Positive Emit-Coupled Logic)发射极耦合 逻辑电平、LVPECL和ECL CML (Current Mode Logic)电流型逻辑电平 LVDS (Low Voltage Differential Signals)低压差分信号Ill TTL和LVTTL 电平 TTL： Transistor-Transistor Logic 三极管结构Vcc： 5V； VOH=2.4V； VOLv=05V； VIH=2V；
26、VIL LVTTL又分33V、2.5V以及更低电压33V； VOH=2.4V； VOL=2V； VIL ECL： Emitter Coupled Logic发射极耦合逻辑电路（差分结构）Vcc=-5.2V； VOH二0.88V； VOL二 1.72V； VIH=-1.24V； VIL二1.36V。速度快，驱动能力强，噪声小，很容易达到几百M的应用。但是功耗大， 需要负电源。为简化电源，岀现了PECL（ECL结构，改用正电压供电）和 LVPECLo PECL： Pseudo/Positive ECLVcc=5V； VOH=4.12V； VOL=3.28V； VIH=3.78V； VIL=3.64
27、V LVPELC： Low Voltage PECLVcc=3.3V； VOH=2.42V； VOL=1.58V； VIH=2.06V； VIL=1.94VECL、PECL、LVPECL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岀结构，必 须有电阻拉到一个直流偏置电压。（如多用于时钟的LVPECL：直流匹配 时用130欧上拉，同时用82欧下拉；交流匹配时用82欧上拉，同时用130欧 下拉。但两种方式工作后直流电平都在1.95V左右。）wwMxfMU ft FASTI CIll LVDS电平LVDS： Low Voltage Differen
28、tial Signaling差分对输入输出，内部有一个恒流.5-4mA,在差分线 上改变方向来表示0和1。通过外部的100欧匹配电阻(并 在差分线上靠近接收端)转换为 350mV的差分电平。LVDS使用注意：可以达到600M以上，PCB要求较高, 差分线要求严格等长，差最好不超过10mil(025mm)。 100欧电阻离接收端距离不能超过500inil,最好控制在300mil以内II CML电平CML电平是所有高速数据接口中最简单的一种。其输入三|?1和输出是匹配好的，减少了外围器件，适合于更高频段工作。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16 mAoUFASTIC谢谢!UFASTIC
