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用于寬帶接入網(wǎng)的光模塊工作原理,光通事業(yè)部：李遠(yuǎn)謀2009-9-01,內(nèi)容摘要,光模塊在光通信設(shè)備中的作用光發(fā)射組件和光發(fā)射模塊基本原理光接收組件和光接收模塊基本原理單纖雙向(收發(fā)一體)光模塊基本原理用于PON的突發(fā)式光模塊光模塊發(fā)展趨勢(shì)光模塊常見(jiàn)失效模式,光模塊在通信設(shè)備中的作用,光模塊的作用：完成光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換信號(hào)通過(guò)光模塊實(shí)現(xiàn)傳輸媒體的轉(zhuǎn)換(光纖←→銅線),光發(fā)射模塊,光發(fā)射模塊是由將帶有信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置和將光信號(hào)送入光纖的傳輸裝置組成右圖是光發(fā)射模塊的示意圖,光發(fā)射器件(FP-LD、DFB-LD),法布里-帕羅型激光二極管(FP-LD)和分布反饋激光二極管(DFB-LD)是光通信設(shè)備中最常用的半導(dǎo)體光發(fā)射器件,與其他激光器相比,LD具有體積小、重量輕、低功率驅(qū)動(dòng)、輸出光功率大、調(diào)制方便、壽命長(zhǎng)和易于集成等一系列優(yōu)點(diǎn),這兩種LD是目前在接入網(wǎng)光模塊只用得最多的光發(fā)射器件,激光二極管的特性,激光二極管（LD—Laserdiode）是一個(gè)電流器件，只在它通過(guò)的正向電流超過(guò)閾值電流Ith（Threholdcurrent）時(shí)它發(fā)出激光為了使LD高速開(kāi)關(guān)工作，必須對(duì)它加上略大于閾值電流的直流偏置電流IBIASLD的兩個(gè)主要參數(shù)：閾值電流Ith和斜效率S（Slopeefficiency）是溫度的函數(shù)，且具有較大的離散性,LD的溫度特性,LD是半導(dǎo)體器件，它的特性與半導(dǎo)體二極管類(lèi)似溫度升高閾值電流Ith增大斜效率S降低為了保持輸出平均光功率和消光比不變,在溫度上升時(shí)要增大IBIAS和IMOD,光發(fā)射組件(TOSA),光發(fā)射組件是光發(fā)射模塊的主要部件,其中光源(半導(dǎo)體發(fā)光二極管或激光二極管)是核心將LD芯片和監(jiān)測(cè)光電二極管(MD)加上其他元件封裝在一個(gè)緊密結(jié)構(gòu)中(TO同軸封裝或蝶形封裝),就構(gòu)成光發(fā)射組件(TOSA),激光二極管驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電路實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)高速電流開(kāi)關(guān),驅(qū)動(dòng)電路原理電路,LD調(diào)制電流輸出電路原理圖,LD直流耦合接口電路原理圖,激光器驅(qū)動(dòng)電路原理圖,,驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu),一個(gè)典型的激光器驅(qū)動(dòng)電路包括下列部分：差分電流開(kāi)關(guān)電路—向LD輸出調(diào)制電流偏置電流發(fā)生器—向LD提供直流偏置電流自動(dòng)功率控制(APC)電路—在不同溫度和LD老化的情況下,改變IBIAS,保持PAVG不變故障告警、保護(hù)電路調(diào)制電流、偏置電流監(jiān)控電路輸入端整形電路(D觸發(fā)器),光眼圖,將光發(fā)射模塊輸出的(NRZ碼)光信號(hào)送入取樣示波器,就可以觀察到光信號(hào)波形的“眼圖”光脈沖信號(hào)的質(zhì)量都可以在光眼圖上觀察到光脈沖波形的上升時(shí)間、下降時(shí)間、過(guò)沖和下沖應(yīng)加以控制,以免降低接收靈敏度光脈沖形狀特性由眼圖模板給出,眼圖模板在光通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)中都已做了具體的規(guī)定,眼圖模板,右圖是EPON上行IEEE802.3ah2004規(guī)定的眼圖模板下圖是GPON上行G.984.2規(guī)定的的眼圖模板,{0.22UI,0.375UI,0.20UI,0.20UI,0.30UI},光眼圖實(shí)例,光接收模塊,光接收模塊的作用是把經(jīng)過(guò)傳輸后的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并放大、整形恢復(fù)為原輸入的電信號(hào)；光接收模塊的原理框圖如下,光接收器件,光接收器件是利用光電效應(yīng)把通信中光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電檢測(cè)器光纖通信中常用的光電檢測(cè)器是PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)PIN的響應(yīng)度通常為0.65～0.97A/W(λ=0.9～1.7μm)APD是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度光電檢測(cè)器,它可以使接收靈敏度提高6～10dB,前置(跨阻)放大器,經(jīng)光電探測(cè)器產(chǎn)生的微弱信號(hào)電流,由前置放大器轉(zhuǎn)換成有足夠幅度的信號(hào)電壓輸出為適應(yīng)高速率應(yīng)用,前置放大器由跨阻放大器(TIA—TranimpedanceAmplifier)構(gòu)成跨阻放大器就是一個(gè)I-V變換器TIA中還有AGC功能電路，以保證足夠的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍,跨阻放大器原理圖,光接收組件(ROSA),在高速率光模塊中,通常都是將PIN(或者APD)光電二極管TIA組裝在一個(gè)密封的金屬外殼內(nèi),這就構(gòu)成了光接收組件(ROSA),,限幅放大器,TIA輸出的是模擬信號(hào),要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能被信號(hào)處理電路識(shí)別限幅放大器起的作用就是把TIA輸出的幅度不同的信號(hào)處理成等幅的數(shù)字信號(hào)限幅放大器LimitingAmplifier主放大器PostAmplifier量化器Quantizer,限幅放大器工作原理和典型電路,限幅放大器主要由三部分組成：直流耦合多級(jí)放大器直流漂移補(bǔ)償(自動(dòng)調(diào)零)電路光功率檢測(cè)告警電路(有滯回的比較器),接收靈敏度,接收靈敏度指光接收機(jī)滿足指定比特誤碼率(如10-10或10-12)時(shí)可接收的最小平均光功率(dBm)這是光接收機(jī)的重要指標(biāo)之一噪聲是限制接收靈敏度的最主要因素右圖就是誤碼率和信噪比的關(guān)系曲線只要知道了TIA的等效輸入噪聲電流,應(yīng)用此曲線就可推算出接收靈敏度,影響靈敏度的因素,信號(hào)噪聲比(SNR)光信號(hào)的消光比傳輸速率(數(shù)據(jù)比特率)抖動(dòng)信號(hào)碼型工作波長(zhǎng)碼間干擾,接收機(jī)最小過(guò)載光功率,最小過(guò)載光功率定義為:接收機(jī)滿足指定比特誤碼率(如10-10或10-12)時(shí)可接收的最大平均光功率(dBm)最小過(guò)載和靈敏度之間的差值(dB)就是接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)的過(guò)載能力主要取決于TIA的AGC性能,誤碼儀(BERT),誤碼儀(BitErrorRatioTester)由圖案發(fā)生器和誤碼分析儀組成它通過(guò)比較圖案發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)碼和光接收機(jī)收到并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的數(shù)據(jù)碼來(lái)測(cè)試待測(cè)光接收機(jī)在不同輸入光功率時(shí)的誤碼率,比特誤碼率,比特誤碼率(BER—BitErrorRatio)是衡量光接收機(jī)性能的最基本的參數(shù)BER==BER的表示形式：110-N或者1.0E-N(N是正整數(shù)),接收的誤碼比特?cái)?shù)被接收到的比特?cái)?shù),,在測(cè)量時(shí)間內(nèi)誤碼數(shù)比特率測(cè)量時(shí)間,,偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS),在測(cè)試通信系統(tǒng)的性能時(shí),經(jīng)常使用的編碼圖案是不歸零碼(NRZ)偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS—PseudoRandomBinarySequence)PRBS相當(dāng)于“隨機(jī)數(shù)據(jù)”(在一個(gè)序列長(zhǎng)度內(nèi)的數(shù)據(jù)‘0’和‘1’碼是隨機(jī)排列,且‘0’和‘1’碼的數(shù)目相等),因此它的頻譜特征(在有限頻帶內(nèi))與白噪聲接近,所以它適合用于測(cè)試通信系統(tǒng)的性能但是這種數(shù)據(jù)的排列規(guī)則又是確定的,序列長(zhǎng)度為2n-1比特，每隔2n-1個(gè)比特就重復(fù)同樣的一組“隨機(jī)數(shù)據(jù)”,這樣就為測(cè)試誤碼率提供了方便,抖動(dòng),抖動(dòng)是數(shù)字信號(hào)的取樣時(shí)刻相對(duì)于理想?yún)⒖紩r(shí)刻位置的短時(shí)間偏離,抖動(dòng)的單位是UI,即1bit碼時(shí)間間隔光模塊電路中的直流漂移和耦合電容都會(huì)引起輸出光信號(hào)或電信號(hào)的抖動(dòng),信號(hào)的抖動(dòng)會(huì)造成通信系統(tǒng)性能下降,因此,抖動(dòng)性能也是光發(fā)射和光接收的重要指標(biāo),時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路,在數(shù)字通信系統(tǒng)中,碼元同步是系統(tǒng)正常工作的必要條件時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路(ClockandDataRecovery—CDR)的作用就是在輸入數(shù)據(jù)信號(hào)中提取時(shí)鐘信號(hào)并找出數(shù)據(jù)和時(shí)鐘正確的相位關(guān)系CDR電路大多基于鎖相環(huán)(PLL)原理,鎖相環(huán)(PLL)電路,基本鎖相環(huán)(PLL)電路主要由三部分組成：相位檢測(cè)器(鑒相器PD)低通濾波器(LPF)壓控振蕩器(VCO),CDR典型電路(1),光收發(fā)一體模塊,由于微電子技術(shù)、有源和無(wú)源光器件技術(shù)的發(fā)展,將傳統(tǒng)的分離發(fā)射、接收模塊組裝在同一外殼中的光收發(fā)一體模塊近年來(lái)已經(jīng)成為普通光模塊的主流產(chǎn)品這種光收發(fā)一體模塊的優(yōu)點(diǎn)：小型化—目前做到SFF、SFP封裝,目前還有進(jìn)一步小型化的趨勢(shì)降低成本可靠性提高性能提高—由于PCB縮小,寄生參數(shù)減小,高頻性能提高,光收發(fā)一體模塊的構(gòu)成,光源（激光器）+驅(qū)動(dòng)器+光電檢測(cè)器+放大器,光收發(fā)一體模塊=,,單纖雙向光組件(BOSA),單纖雙向光組件(BOSA)是將光源(FP-LD或DFB-LD)、PIN-TIA、分光片、光纖等另部件用同軸耦合工藝全部集成于一體,無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON),接入有多種方式—點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(以太網(wǎng))、銅線、XDSL、無(wú)線(WLAN)、XPON等無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)一直被認(rèn)為是光接入網(wǎng)中頗具應(yīng)用前景的技術(shù)，它打破了傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)解決方法，在解決寬帶接入問(wèn)題上是一種經(jīng)濟(jì)的、面向未來(lái)多業(yè)務(wù)的用戶接入技術(shù)PON自出現(xiàn)以來(lái)，已經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，形成了APON、BPON、GPONEPON等一系列概念、規(guī)范及產(chǎn)品序列PON作為一種點(diǎn)到多點(diǎn)的光網(wǎng)絡(luò)，指的是信號(hào)的通道從源頭到目的節(jié)點(diǎn)間都是通過(guò)無(wú)源器件完成的，這些無(wú)源的器件包括單模光纖光纜、無(wú)源光分束器/耦合器、連接器和接頭等等,PON技術(shù)特點(diǎn),PON與光模塊有關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)：在OLT到ONU下行方向采用TDM(TimeDivisionMultiplexing)方式,以廣播方式送至每一個(gè)ONU,OLT的發(fā)送部分和ONU的接收部分都是連續(xù)工作方式ONU到OLT的上行信號(hào)的傳輸采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)技術(shù);OLT的接收部分和ONU的發(fā)送部分都是突發(fā)模式工作OLT光接收機(jī)必須能夠適應(yīng)不同ONU信號(hào)的不同光功率,接收機(jī)需要有一個(gè)很大的動(dòng)態(tài)范圍,并設(shè)定判決門(mén)限,以最快的速度來(lái)判決;OLT光接收機(jī)必須能夠迅速恢復(fù)從不同節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的每個(gè)突發(fā)信號(hào)的正確時(shí)鐘,在上行信元到達(dá)OLT的前幾個(gè)bits內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速突發(fā)比特同步ONU光發(fā)送機(jī)必須能夠快速開(kāi)/關(guān);當(dāng)發(fā)送機(jī)不發(fā)送時(shí)只能“泄漏”極小的光功率—比接收靈敏度低10dB,APON/BPON,APON是基于ATM的PON其標(biāo)準(zhǔn)是G.983.1工作速率為155Mbps622Mbps上行光波長(zhǎng)為1310nm下行光波長(zhǎng)為1550nmBPON即寬帶PON是在APON基礎(chǔ)上加上動(dòng)態(tài)帶寬分配(DBA)在G.983.3/.4/.5指定了標(biāo)準(zhǔn)；通常下行為622Mbps上行為155Mbps(或622Mbps)；(G.983.1AMD下行速率可達(dá)到1.25Gbps)上行光波長(zhǎng)為1310nm下行光波長(zhǎng)為1490nm1550nm作為傳輸視頻信號(hào)用傳輸碼型為擾碼的不歸零碼,CID抗擾度大于72bit,GPON,GPON(Gigabit-capablepassiveopticalnetworks)千兆無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)支持全方位服務(wù)－包括話音(TDM、PDH和SONET/SDH)、Ethernet(10/100BaseT)、ATM、專(zhuān)線等等.因此,運(yùn)營(yíng)商對(duì)GPON非常感興趣物理覆蓋至少20公里,邏輯支持范圍60公里支持同一種協(xié)議下的多種速率模式,包括對(duì)稱(chēng)622Mb/s,對(duì)稱(chēng)1.25Gb/s，以及非對(duì)稱(chēng)的下行2.5Gb/s,上行1.25Gb/s及更多(將來(lái)可達(dá)到同步2.5G)上行光波長(zhǎng)為1310nm下行光波長(zhǎng)為1490nm1550nm作為傳輸視頻信號(hào)用傳輸碼型為擾碼的不歸零(NRZ)碼,CID抗擾度大于72bitITU-T已經(jīng)公布GPON標(biāo)準(zhǔn)G.984.1G.984.2,EPON(GEPON),無(wú)源光以太網(wǎng)(EthernetPON–EPON),就是將信息封裝成以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸?shù)腜ON傳輸碼型是8B/10B碼；它的上、下行速率都是1.25Gbps；上行光波長(zhǎng)是1310nm；下行光波長(zhǎng)是1490nm；1550nm波長(zhǎng)作為傳輸視頻信號(hào)用。在2000年12月,成立第一英里以太網(wǎng)(EFM)研究組，包括3Com、Alloptic、AuraNetworksCDT/Mohawk、Cisco、DomiNetSystems、Intel、WorldCom和WorldWidePackets等69家公司加入了這個(gè)研究組(IEEE802.3ahEFMStudyGroup)EP0N的標(biāo)準(zhǔn)：IEEEStd802.3ah-2004EPON是設(shè)備供應(yīng)商所推動(dòng)的,但是現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)越來(lái)越積極地推行EPON,各種PON的工作速率和波長(zhǎng)分配,PON的時(shí)序要求,上行數(shù)據(jù)包(信元)時(shí)間參數(shù),APON/BPON：每個(gè)信元有56字節(jié),其中前3字節(jié)(24bits)是開(kāi)銷(xiāo)(Overhead),后53字節(jié)是凈荷(Payload),3字節(jié)開(kāi)銷(xiāo)中包括防護(hù)時(shí)間、前置碼和定界符;防護(hù)時(shí)間為4～10bitsGPON開(kāi)銷(xiāo)時(shí)間分配：,上行數(shù)據(jù)包(信元)時(shí)間參數(shù),EPON傳輸信號(hào)8B/10B碼型每8bit插入2bit,使連‘0’或連‘1’不超過(guò)5個(gè)帶寬從1000Mb變成1250Mb,帶寬利用率下降發(fā)送開(kāi)關(guān)時(shí)間TonToff≤512ns接收建立時(shí)間(Settlingtime)Tlr≤400ns防護(hù)時(shí)間Tg=500～1500ns,突發(fā)模式光發(fā)送機(jī),發(fā)送關(guān)斷時(shí)LD偏流Ibias=0,關(guān)斷光功率輸出低于靈敏度10dB(-43～-39dBm)偏流快速開(kāi)關(guān)Ton、Toff≤12ns傳統(tǒng)的光發(fā)送機(jī)采用平均值監(jiān)測(cè)APC,在此處不能用突發(fā)式光發(fā)送機(jī)可以采用數(shù)字式峰值功率控制,或采用開(kāi)環(huán)功率控制突發(fā)式光發(fā)送機(jī)有兩個(gè)輸入信號(hào)：數(shù)據(jù)信號(hào)Data突發(fā)使能信號(hào)BEN(BiasEnable),開(kāi)啟(或停止)偏流Ibias,突發(fā)式發(fā)射光信號(hào),ONU收發(fā)一體光模塊,突發(fā)式光接收機(jī)特點(diǎn),突發(fā)式TIA不能用傳統(tǒng)方式的AGC,它只能是線性(跨阻)放大器或采用自動(dòng)閾值控制(ATC)方式突發(fā)式TIA要有足夠的動(dòng)態(tài)范圍—大于21dB在APON、BPON、GPON中,由于防護(hù)時(shí)間很短,不同ONU來(lái)的信元的直流電平是高速跳變的，大耦合電容的充放電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于Tg,所以前放和限放之間只能采用直流耦合,突發(fā)式接收波形,OLT收發(fā)一體光模塊,光模塊發(fā)展趨勢(shì),光器件向小型化、提高(電/光,光/電轉(zhuǎn)換)效率、提高可靠性的方向發(fā)展;平面光波導(dǎo)(PLC)技術(shù)將進(jìn)一步縮小雙向/三向光組件體積提升組件的可靠性集成電路芯片功能加強(qiáng)、性能提高,使光模塊體積縮小性能不斷提高系統(tǒng)對(duì)模塊的附加功能不斷提出新的要求,光模塊智能化功能也要不斷提高,才能適應(yīng)系統(tǒng)的需求,光模塊失效模式,光模塊中主要部件—光電器件和集成電路都是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成,它們對(duì)靜電都是特別敏感的,由靜電放電引起的損傷可造成器件的完全失效或器件參數(shù)劣化光模塊中的光電器件和集成電路都不能承受電壓和電流的浪涌,這同樣會(huì)引起器件失效或器件參數(shù)劣化在對(duì)光模塊測(cè)試或使用時(shí),對(duì)其輸出端的瞬間短路就會(huì)造成集成電路完全失效,結(jié)束,謝謝!,