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光模工作原理介

以SFP光模块为例,介绍光模块内部的组成和工作原理。关键词SFP光模块1引用的文档和参考标准说明2缩写说明SFP:Small Form-factor …

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以SFP光模块为例,介绍光模块内部的组成和工作原理。

关键词

SFP光模块

1引用的文档和参考标准说明

2缩写说明

SFP:Small Form-factor Pluggable 小型化可插拔

3正文

光模块是我们群路科都要用到的PHY层的器件,虽然封装,速率,传输距离有所不同,但是其内部组成基本是一致的。SFP收发合一Transceiver因其小型化,热插拔方便,支持SFF8472标准,模拟量读取方便(IIC读取),且检测精度高(+/-2dBm以内)而逐渐成为运用的主流,下面就以SFP光模块为例,介绍其内部的组成和相关的工作原理。

 SFP内部结构图

SFP光模块的内部结构:

由上图可见,光模块主要部分是由光发射组件,激光驱动器,光接收组件(L16.2光模块光接收部分使用APD接收机,还需要升压电路),限幅放大器和控制器组成的。驱动芯片和限幅放大器一般都支持从155Mb/s到2.67Gb/s多速率。速率不同,传输距离不同的光模块有很多只是前端光组件的差别,高速率SFP光模块BOM成本的90%都集中在光组件上。由上图还可以看出,为了..上电顺序,SFP光模块的金手指部分的长度是不一样的,很长的是信号地,其次是电源,很短的是信号,这样在插拔的时候就..了地-电源-信号的顺序。

光发射组件 TOSA(Transmiter Optical Sub-Assembly):

常用的光发射组件由两大类,一类是采用发光二极管LED封装的TOSA,一类是采用半导体激光二极

管LD封装的TOSA。前者谱线宽,耦合效率低(虽然LED可以发出几毫瓦的光功率,但是方向性差,能耦合到光纤中用于传输的部分只占1%-2%),但是价格低,使用寿命长,在低速短距的情况下还是有少量的运用,常用于百兆以太网多模光纤中短距离的数据传输,波长一般是1300nm。我们接触到的光模块一般都是采用的激光二极管。

激光器的种类

1.VCSEL激光器(垂直表面腔发射激光器):850nm波长,用于千兆以太网多模光纤短距传输,千兆以太网交换机大量使用该类型的光模块,传输光板不会用到,不详细介绍

2.FP和DFB激光器

 二者的区别在于输出光特性的不同,FP激光器是多纵模激光器MLM,能够产生包含有若干离散波长的光,除了枢纽波长的主模外,其他波长的次模也具有较高的幅度,而且主模和次模也处于动态的竞争当中,不过频带范围十分狭窄。DFB激光器是单纵模激光器SLM,主模光功率占到整个发光功率的99%以上,其他少量的次模可以忽略不计。

对于这两种不同类型激光器的光模块,用光谱仪测试其谱宽的时候方法是不一样的。

FP激光器光模块,测试其发送侧的谱宽是测试RMS谱宽

DFB激光器光模块,测试其发送侧的谱宽是测试-20dB的谱宽,而且要求测试边模压制比。

目前在我们所使用的光模块中,155M,622M模块发射波长为1310nm,采用的都是FP激光器,1550nm 波长采用的是DFB激光器。2.5G除了2Km 即I-16使用FP激光器外,其他都是使用的DFB激光器。

激光二极管的谐振腔有两个反射镜面,它们是半透明的。它们的作用一方面构成谐振腔..光子在其中往复运动以激射出新的光子,另一方面有相当一部分光子从反射镜透射出去即发光。前镜面透射出去的光谓之主光,通过与光纤的耦合发送光纤当中变成有用的传输。而后反射镜面幅射出去的光谓之副

光又叫背向光。TOSA将此背向光转换为背光电流,利用它可以来监控光源器件发光功率的大小。

 上图为温度升高情况下,激光器输入电流和输出光功率的变化情况

当激光器腔中的光学增益超过腔体端反射面的损耗时,激光器就会激射出相干的光信号,临界时激光器中的电流称为阈值电流(Ith)。随着温度升高激光器腔体中的光学增益会降低,由于腔体内光学增益降低,激光器就需要更大的注入电流来获得相干光输出,结果激光器的阈值电流就升高了。由上图可见,由于阈值电流的升高,导致了输出光功率的降低,如果要保持光功率不变的话,则驱动器须要输出的更大的偏置电流。为了补偿激光器阈值的变化,需要采用“自动功率控制(APC)”电路,APC电路监测激光器背光电流,通过调节激光器的偏置电流来保持背光电流的稳定。一般来说,背光电流与平均光功率之间的比例关系是线性的,因此通过保持背光电流的稳定,使得激光器的平均光功率保持恒定。

由上图看出,随着温度的升高,激光器输入电流和输出光功率的特性曲线的斜率会变小,也就是说激光器光电转换的效率降低了。我们知道,消光比Er=10×lg[P1/P0](dB),其中,P1、P0分别代表数字逻辑信号“1”和“0”时激光器的输出光功率,P1-P0表示调制之后光信号的幅度。假定输出光功率不变的情况下,转换斜率的降低,会引起输出光信号消光比的降低,反映到眼图上,眼图的张开度会变小。对于光模块而言,在温度变化过程中,除了要保持输出光功率的稳定,同时也要保持消光比的稳定。保持消光比的稳定就是要增加调制电流,常用的做法是查表法,利用控制器内部的数字可调电位器(电阻器)来保持消光比。在数字电位器内置有受温度控制的电阻值表,电阻值作为温度的函数,存储在非易失存储器中,温度范围从-45°C~+95°C,步长为2°C。使用芯片内集成的温度传感器,这种电阻的阻值就可以随温度的变化而自动调整。数字电位器是设置成随温度升高而减小电阻值,将其连接在驱动器的“调制电流设定端”,在温度升高的过程中,控制器根据测得的温度值查表,不断减小电位器的电阻值,使得调制电流增加,这样,消光比的变化将会得到补偿。

保持消光比,还有一种方法就是K因子补偿法,激光器的驱动器中加入“K-因子”补偿特性,它是在激光器偏置电流增加的同时,按比例增加调制电流。过程如下:为保持平均光功率稳定,偏置电流是由APC电路控制的,随着偏置电流提高,电路提取偏置电流的一部分用以调节调制电流。这样,总的调制电流等于原有调制电流加上偏置电流乘以一个因子K。这个K因子可以通过驱动器芯片外接的电阻来设定,由于调制电流能随着偏置电流增加而增加,于是当激光器温度发生变化或者激光器老化时,消光比能够得到补偿。

光模块发射部分电路

上图是一个典型的查表法的控制电路,在控制器中,H0和H1是控制器自带的两个数字电位器,H0用于控制调制电流,H1用于控制偏置电流。APC功能是驱动器内部集成的,但是其补偿能力在-40到85度这么宽的范围内往往有限,所以用H1实现粗调,驱动器内的APC实现比较***的自动调整。这两个数字电位器均使用查表法。具体的电阻值是光模块厂商根据TOSA的特性摸索出来设定的,往往对于不同厂家或者不同批次的TOSA,都要重新修正该电阻值。MON1用于检测偏置电流的值,MON2用于检测输出光功率,MON3一般用于接收光功率的检测。这些测量的值都可以通过IIC总线读取相应的寄存器获得,使用方便,精度高,绝大部分厂家能够..精度控制在2dBm以内,可以有效避免目前一些单板模拟量检测不准这个问题。

从上图也可以看出,光模块的工作原理还是比较简单的,除了保持稳定的光功率和消光比之外,就是要做好驱动器到激光器之间的RC匹配(上图没有画出,在经过串行的10欧姆电阻后,一般都需要加RC电路到地),光模块光口指标的好坏都是由这些RC来决定的。

光接收组件ROSA(Receiver Optical Sub-Assembly):

ROSA里面封装了光检测二极管和互阻放大器TIA

光检测二极管有PIN管和APD雪崩二极管两类。APD光二极管具有倍增效应,能使在同样大小光的作用下产生比PIN光二极管大几十倍甚至几百倍的光电流,相当于起了一种光放大作用(实际上不是真的光放大),因此能大大提高光接收机的灵敏度(比PIN光接收机提高约10dB以上),但是APD的倍增效应会使耦合进ROSA的噪声也会同时被放大,影响接收机的灵敏度,因此对采用APD作为接收机的光模块需要处理好滤波等问题。

对于接收机,光功率高于过载点或者低于灵敏度,均可能会出现误码或者LOF。PIN管的过载点为-3dBm(一般能达到0dBm),APD为-9dBm(一般能达到-5dBm),对于APD接收机,因为其过载功率低,如果接收功率过大的话,可能会照成击穿损坏。在我们使用的光模块中,除了L16.1和L16.2使用APD 接收机的光模块外,其余都是采用PIN管接收机。

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光模块接收部分电路

Transceiver 的接收侧,比较简单。对于2.5G 输出,有些厂商是CML 输出,有些厂商是LVPECL 输出,需要注意其Datasheet。

附:SFP

光模块使用的参考电路

1. SFP 模块决大部分厂家都采用内部交流耦合,模块内部也做好了上下拉匹配,所以靠近光模块这一侧不需要加匹配。

2. 对于MOD_DEF0(光模块在位),MOD_DEF1(IIC Clock),MOD_DEF0(IIC Data),LOS(和SFF 定义相反,高为无

光输入,低为正常。SFF 是Signal Detect,SD 高表示有光信号,低表示无光信号),Tx_Fault(发送失效)都必须要在用户侧的上拉。

3. 当SFP 检测到异常情况引发保护关断后,Tx_Fault 变高,无光输出,必须要用Tx_Disable 信号对其

进行复位。

【全文完】

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