光模塊發(fā)展簡(jiǎn)述
光模塊分類
按封裝:1*9 、GBIC、 SFF、SFP、XFP、SFP+、X2、XENPARK、300pin等。
按速率:155M、622M、1.25G、2.5G、4.25G、10G、40G等。
按波長(zhǎng):常規(guī)波長(zhǎng)、CWDM、DWDM等。
按模式:?jiǎn)文9饫w(黃色)、多模光纖(橘紅色)。
按使用性:熱插拔(GBIC、 SFP、XFP、XENPAK)和非熱插拔(1*9、SFF)。
封裝形式
光模塊基本原理
光收發(fā)一體模塊(Optical Transceiver)
光收發(fā)一體模塊是光通信的核心器件,完成對(duì)光信號(hào)的光-電/電-光轉(zhuǎn)換。由兩部分組成:接收部分和發(fā)射部分。接收部分實(shí)現(xiàn)光-電變換,發(fā)射部分實(shí)現(xiàn)電-光變換。
發(fā)射部分:
輸入一定碼率的電信號(hào)經(jīng)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)芯片處理后驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器(LD)或發(fā)光二極管(LED)發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號(hào),其內(nèi)部帶有光功率自動(dòng)控制電路(APC),使輸出的光信號(hào)功率保持穩(wěn)定。
接收部分:
一定碼率的光信號(hào)輸入模塊后由光探測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)前置放大器后輸出相應(yīng)碼率的電信號(hào),輸出的信號(hào)一般為PECL電平。同時(shí)在輸入光功率小于一定值后會(huì)輸出一個(gè)告警信號(hào)。
光模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)
光模塊的主要參數(shù)
1. 傳輸速率
傳輸速率指每秒傳輸比特?cái)?shù),單位Mb/s 或Gb/s。主要速率:百兆、千兆、2.5G、4.25G和萬(wàn)兆。
2.傳輸距離
光模塊的傳輸距離分為短距、中距和長(zhǎng)距三種。一般認(rèn)為2km 及以下的為短距離,10~20km 的為中距離,30km、40km 及以上的為長(zhǎng)距離。
■光模塊的傳輸距離受到限制,主要是因?yàn)楣庑盘?hào)在光纖中傳輸時(shí)會(huì)有一定的損耗和色散。
注意:
• 損耗是光在光纖中傳輸時(shí),由于介質(zhì)的吸收散射以及泄漏導(dǎo)致的光能量損失,這部分能量隨著傳輸距離的增加以一定的比率耗散。
• 色散的產(chǎn)生主要是因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)速度不等,從而造成光信號(hào)的不同波長(zhǎng)成分由于傳輸距離的累積而在不同的時(shí)間到達(dá)接收端,導(dǎo)致脈沖展寬,進(jìn)而無(wú)法分辨信號(hào)值。
• 因此,用戶需要根據(jù)自己的實(shí)際組網(wǎng)情況選擇合適的光模塊,以滿足不同的傳輸距離要求。
3.中心波長(zhǎng)
• 中心波長(zhǎng)指光信號(hào)傳輸所使用的光波段。目前常用的光模塊的中心波長(zhǎng)主要有三種:850nm 波段、1310nm 波段以及1550nm 波段。
• 850nm 波段:多用于≤2km短距離傳輸
• 1310nm 和1550nm 波段:多用于中長(zhǎng)距離傳輸,2km以上的傳輸。
光纖類型
1. 光纖模式(Fiber Mode)
按光在光纖中的傳輸模式可將光纖分為單模光纖和多模光纖兩種。
多模光纖(MMF,Multi Mode Fiber),纖芯較粗,可傳多種模式的光。但其模間色散較大,且隨傳輸距離的增加模間色散情況會(huì)逐漸加重。多模光纖的傳輸距離還與其傳輸速率、芯徑、模式帶寬有關(guān),具體關(guān)系請(qǐng)參見(jiàn)下表。
單模光纖(SMF,Single Mode Fiber),纖芯較細(xì),只能傳一種模式的光。因此,其模間色散很小,適用于遠(yuǎn)程通訊。
2. 光纖的端面與直徑
• 按照光纖連接器連接頭內(nèi)插針端面分:PC,SPC,UPC,APC
• 按照光纖連接器的直徑分:Φ3,Φ2, Φ0.9
3. 光纖接口連接器類型
接口連接器用于連接可插拔模塊及相應(yīng)的傳輸媒質(zhì)。光纖連接器是光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的無(wú)源器件,它的使用使得光通道間的可拆式連接成為可能,既方便了光系統(tǒng)的調(diào)測(cè)與維護(hù),又使光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接調(diào)度更加靈活。
按照光纖的類型分:
單模光纖連接器(一般為G.652 纖:光纖內(nèi)徑9um,外徑125um);
多模光纖連接器(一種是G.651 纖其內(nèi)徑50um,外徑125um;另一種是內(nèi)徑62.5um,外徑125um);
按照光纖連接器的連接頭形式分:FC,SC,ST,LC,MU,MTRJ 等等,目前常用的有FC,SC,ST,LC
SC(Subscriber Connector Standard Connector,標(biāo)準(zhǔn)光纖連接器),由日本NTT公司開發(fā)的模塑插拔耦合式連接器。其外殼采用模塑工藝,用鑄模玻璃纖維塑料制成,呈矩形;插針由精密 陶瓷制成,耦合套筒為金屬開縫套管結(jié)構(gòu)。緊固方式采用插拔銷式,不需要旋轉(zhuǎn)。外觀圖如下所示
LC 連接器(Lucent Connector or Local Connector,朗訊連接器),外觀圖如下:
注意:為了保護(hù)光纖連接器的清潔,請(qǐng)務(wù)必保證在未連接光纖時(shí)蓋上防塵帽。
接口指標(biāo)
輸出光功率
輸出光功率指光模塊發(fā)送端光源的輸出光功率。
可以理解為光的強(qiáng)度,單位為W或mW或dBm。其中W或mW為線性單位,dBm為對(duì)數(shù)單位。在通信中,我們通常使用dBm來(lái)表示光功率。
公式:
P(dBm)=10Log(P/1mW)
光功率衰減一半,降低3dB,0dBm的光功率對(duì)應(yīng)1mW
使用光功率計(jì)測(cè)量。針對(duì)PON產(chǎn)品,由于其ONU端采用的是突發(fā)模式,因此需使用專用的光功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量,串接在線路中,可以即時(shí)給出當(dāng)前上行和下行的光功率。
接收靈敏度
接收靈敏度指的是在一定速率、誤碼率情況下光模塊的最小接收光功率,單位:dBm。一般情況下,速率越高接收靈敏度越差,即最小接收光功率越大,對(duì)于光模塊接收端器件的要求也越高。
考慮到光纖老化或其他不可預(yù)見(jiàn)因素導(dǎo)致的鏈路損耗增大,最佳接收光功率范圍控制在接收靈敏度以上2-3dB 至過(guò)載點(diǎn)以下2-3dB,即上圖中的白色區(qū)域。
受壓靈敏度
受壓靈敏度指輸入信號(hào)在附加了抖動(dòng)和垂直眼閉(vertical eye closure)劣化條件后測(cè)得的靈敏度值,單位:dBm。此概念僅針對(duì)于10G 接口模塊(XENPAK 模塊及XFP 模塊)。
光模塊發(fā)射光功率和接收靈敏度
發(fā)射光功率指發(fā)射端的光強(qiáng),接收靈敏度指可以探測(cè)到的光強(qiáng)度。兩者都以dBm為單位,是影響傳輸距離的重要參數(shù)。光模塊可傳輸?shù)木嚯x主要受到損耗和色散兩方面受限。
損耗限制可以根據(jù)公式:
損耗受限距離=(發(fā)射光功率‐接收靈敏度)/光纖衰減量
來(lái)估算。
光 纖衰減量和實(shí)際選用的光纖相關(guān)。一般目前的G.652光纖可以做到1310nm波段0.5dB/km,1550nm波段0.3dB/km甚至更佳。 50um多模光纖在850nm波段4dB/km 1310nm波段2dB/km。對(duì)于百兆、千兆的光模塊色散受限遠(yuǎn)大于損耗受限,可以不作考慮。
飽和光功率值
指光模塊接收端最大可以探測(cè)到的光功率,一般為‐3dBm。當(dāng)接收光功率大于飽和光功率的時(shí)候同樣會(huì)導(dǎo)致誤碼產(chǎn)生。因此對(duì)于發(fā)射光功率大的光模塊不加衰減回環(huán)測(cè)試會(huì)出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象。
光飽和度
又稱飽和光功率,指的是在一定的傳輸速率下,維持一定的誤碼率(10-10~10-12)時(shí)的最大輸入光功率,單位:dBm。
■需要注意的是,光探測(cè)器在強(qiáng)光照射下會(huì)出現(xiàn)光電流飽和現(xiàn)象,當(dāng)出現(xiàn)此現(xiàn)象后,探測(cè)器需要一定的時(shí)間恢復(fù),此時(shí)接收靈敏度下降,接收到的信號(hào)有可能出現(xiàn)誤判而造成誤碼現(xiàn)象,而且還非常容易損壞接收端探測(cè)器,在使用操作中應(yīng)盡量避免超出其飽和光功率。
注意
對(duì)于長(zhǎng)距光模塊,由于其平均輸出光功率一般大于其最大輸入光功率(即光飽和度),因此請(qǐng)用戶使用時(shí)關(guān)注光纖使用長(zhǎng)度,以保證到達(dá)光模塊的實(shí)際接收光功率小于其光飽和度,否則有可能造成光模塊的損壞。
SFP光模塊
SFP 光模塊,全稱Small Form-factor Pluggable,即:小型可熱插拔光收發(fā)一體模塊。 SFP模塊體積比GBIC模塊減少一半,可以在相同的面板上配置多出一倍以上的端口數(shù)量。SFP模塊的其他功能基本和GBIC一致。有些交換機(jī)廠商稱 SFP模塊為小型化GBIC(MINI-GBIC)。
外觀結(jié)構(gòu):
分類:
速率:155M、1.25G、2.5G、4.25G等
波長(zhǎng):常規(guī)波長(zhǎng)、CWDM、DWDM
距離:短距、中距、長(zhǎng)距
傳輸模式:電口、單模(光纖黃色)、多模(光纖橘紅色)
SFP光模塊的特殊類型包括:BIDI-SFP、電口SFP、CWDM SFP、DWDM SFP、SFP+光模塊等。
BIDI 模塊
BiDi(Bidirectional) 即:?jiǎn)卫w雙向。利用WDM技術(shù),發(fā)送和接收兩個(gè)方向使用不同的中心波長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)一根光纖雙向傳輸光信號(hào)。一般光模塊有兩個(gè)端口,TX為發(fā)射端口,RX為接收 端口;而該光模塊只有1個(gè)端口,通過(guò)光模塊中的濾波器進(jìn)行濾波,同時(shí)完成1310nm光信號(hào)的發(fā)射和1550nm光信號(hào)的接收,或者相反。因此該模塊必須 成對(duì)使用,他最大的優(yōu)勢(shì)就是節(jié)省光纖資源。
應(yīng)用領(lǐng)域:常規(guī)SFP、xWDM SFP、以及PON SFP
C-SFP
Compact SFP,緊湊型SFP,在現(xiàn)有SFP封裝基礎(chǔ)上,發(fā)展為更先進(jìn)、更緊湊的CSFP封裝。
CSFP MSA中共定義了3種C-SFP:
1ch Compact SFP
2ch Compact SFP(Option 1)
2ch Compact SFP(Option 2)
CWDM模塊
CWDM光模塊采用CWDM 技術(shù),可以通過(guò)外接波分復(fù)用器,將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)合在一起,通過(guò)一根光纖進(jìn)行傳輸,從而節(jié)約光纖資源。同時(shí),接收端需要使用波分解復(fù)用器對(duì)復(fù)光信號(hào)進(jìn)行分解。
●CWDM SFP光模塊分為18個(gè)波段,從1270nm~1610nm,每?jī)蓚€(gè)波段之間相隔20nm。
●CWDM SFP具有速率和協(xié)議透明性,CWDM 提供了在一根光纖上提供不同速率的、對(duì)協(xié)議透明的傳輸通道,允許使用者直接上下某一個(gè)波長(zhǎng),而不用轉(zhuǎn)換原始信號(hào)的格式。
●常用8個(gè)波段,從1470nm~1610nm,每通道間隔20nm。
●一般會(huì)用顏色來(lái)區(qū)分不同波段光模塊。
什么情況下使用CWDM SFP?
DWDM 模塊
DWDM SFP屬于密集波分復(fù)用技術(shù),可以將不同波長(zhǎng)的光偶合到單芯光纖中去,一起傳輸。 DWDM SFP的通道間隔根據(jù)需要有0.4nm,0.8nm,1.6nm等不同間隔,間隔較小、需要額外的波長(zhǎng)控制器件。
DWDM SFP的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是它的協(xié)議和傳輸速度是不相關(guān)的。
電口模塊
電口模塊,即Copper SFP,SFP封裝,電口模塊,100米可支持最大傳輸距離 100m(RJ45,5類雙絞線為傳輸介質(zhì))。
SFP+光模塊
SFP+光模塊:是新一代的萬(wàn)兆光模塊,它按照ANSI T11協(xié)議,可以滿足光纖通道的8.5G和以太網(wǎng)10G的應(yīng)用。
●SFP+比早期的XFP光模塊外觀尺寸縮小了約30%,和普通的SFP光模塊外觀一樣。
●SFP+只保留了基本的電光、光電轉(zhuǎn)換功能,減少了原有XFP設(shè)計(jì)中的SerDes, CDR, EDC, MAC等信號(hào)控制功能,從而簡(jiǎn)化了10G光模塊的設(shè)計(jì),功耗也因而更小。
●具有高密度、低功耗、更低系統(tǒng)構(gòu)造成本等顯著優(yōu)點(diǎn)
●SFP+的屏蔽要求比SFP更嚴(yán)格,要求具備更好的屏蔽效果。
XFP 模塊
XFP模塊是一種可熱插拔的、占電路板面積很小的、串行-串行光收發(fā)器,可以支持SONET OC‐192、10 Gbps 以太網(wǎng)、10 Gbps 光纖通道和G.709鏈路。
GBIC光模塊
GBIC是Giga Bitrate Interface Converter的縮寫,是將千兆位電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的接口器件。GBIC設(shè)計(jì)上可以為熱插拔使用,是一種符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的可互換產(chǎn)品。
Xenpak光模塊
Xenpak光模塊通過(guò)70pin的SFP連接器與電路板連接,其數(shù)據(jù)通道是XAUI接口;Xenpak支持所有IEEE 802.3ae定義的光接口,在線路端可以提供10.3 Gb/s、9.95 Gb/s或4×3.125 Gb/s的速率。
Xpak和X2光模塊
Xpak 和X2光模塊都是從Xenpak標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)而來(lái)的,其內(nèi)部功能模塊與Xenpak基本相同,在電路板上的應(yīng)用也相同,都是使用一個(gè)模塊即可實(shí)現(xiàn)10G以太網(wǎng) 光接口的功能。由于Xenpak光模塊安裝到電路板上時(shí)需要在電路板上開槽,實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜,無(wú)法實(shí)現(xiàn)高密度應(yīng)用。而Xpak和X2光模塊經(jīng)過(guò)改進(jìn)后體積只有 Xenpak的一半左右,可以直接放到電路板上,因此適用于高密度的機(jī)架系統(tǒng)和PCI網(wǎng)卡應(yīng)用。
SFP光模塊的選用
光模塊的傳輸距離分為短距、中距和長(zhǎng)距三種。模塊型號(hào)標(biāo)稱的傳輸距離只作為一種分類方法,實(shí)際應(yīng)用中不能直接套用。因?yàn)楣庑盘?hào)在光纖中傳輸時(shí)會(huì)有一定的損耗和色散,無(wú)法達(dá)到標(biāo)稱的傳輸距離。
損耗是光在光纖中傳輸時(shí),由于介質(zhì)的吸收散射以及泄漏導(dǎo)致的光能量損失,這部分能量隨著傳輸距離的增加以一定的比率耗散。
色散的產(chǎn)生主要是因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)速度不等,從而造成光信號(hào)的不同波長(zhǎng)成分由于傳輸距離的累積而在不同的時(shí)間到達(dá)接收端,導(dǎo)致脈沖展寬,進(jìn)而無(wú)法分辨信號(hào)值。
因此,用戶需要根據(jù)自己的實(shí)際組網(wǎng)情況選擇合適的光模塊,以滿足不同的傳輸距離要求。實(shí)際傳輸距離取決于對(duì)應(yīng)型號(hào)光模塊的實(shí)際發(fā)射功率、光路上的傳輸衰減和光口的接收靈敏度。
發(fā)射光功率和接收靈敏度是影響傳輸距離的重要參數(shù)。
損耗限制可以根據(jù)公式來(lái)估算:
損耗受限距離=(發(fā)射光功率-接收靈敏度)/光纖衰減量
光纖衰減量和實(shí)際選用的光纖相關(guān):
G.652光纖可以做到:
1310nm波段0.5dB/km
1550nm波段0.25dB/km
50um多模光纖:
850nm波段3.5dB/km
1310nm波段2dB/km。
對(duì)于長(zhǎng)距光模塊:平均輸出光功率>飽和光功率
注意光纖使用長(zhǎng)度,以保證到達(dá)光模塊的實(shí)際接收光功率小于其光飽和度,否則有可能造成光模塊的損壞。
SFP光模塊安裝
SFP光模塊安裝
SFP光模塊卸載
注意:永遠(yuǎn)不要讓光纖尾部正對(duì)你的眼睛,永遠(yuǎn)不要向光纖里面看,不要直接或使用儀器看光纖尾部。激光是不可見(jiàn)的,但可能會(huì)對(duì)人眼造成永久傷害。
光模塊功能失效重要原因
光模塊功能失效分為發(fā)射端失效和接收端失效,分析具體原因,最常出現(xiàn)的問(wèn)題集中在以下幾個(gè)方面:
1. 光口污染和損傷
由于光接口的污染和損傷引起光鏈路損耗變大,導(dǎo)致光鏈路不通。產(chǎn)生的原因有:
A. 光模塊光口暴露在環(huán)境中,光口有灰塵進(jìn)入而污染;
B. 使用的光纖連接器端面已經(jīng)污染,光模塊光口二次污染;
C. 帶尾纖的光接頭端面使用不當(dāng),端面劃傷等;
D. 使用劣質(zhì)的光纖連接器;
2. ESD損傷
ESD 是ElectroStatic Discharge縮寫即"靜電放電",是一個(gè)上升時(shí)間可以小于1ns(10億分之一秒)甚至幾百ps(1ps=10000億分之一秒)的非??斓倪^(guò) 程,ESD可以產(chǎn)生幾十Kv/m甚至更大的強(qiáng)電磁脈沖。靜電會(huì)吸附灰塵,改變線路間的阻抗,影響產(chǎn)品的功能與壽命; ESD的瞬間電場(chǎng)或電流產(chǎn)生的熱,使元件受傷,短期仍能工作但壽命受到影響;甚至破壞元件的絕緣或?qū)w,使元件不能工作(完全破壞)。ESD是不可避免, 除了提高電子元器件的抗ESD能力,重要的是正確使用,引起ESD損傷的因素有:
• 環(huán)境干燥,易產(chǎn)生ESD;
• 不正常的操作,如:非熱插拔光模塊帶電操作;不做靜電防護(hù)直接用手接觸光模塊靜電敏感的管腳[t2];運(yùn)輸和存放過(guò)程中沒(méi)有防靜電包裝;
• 設(shè)備沒(méi)有接地或者接地不良;
光收發(fā)一體光模塊應(yīng)用注意點(diǎn)
1. 光口問(wèn)題
光鏈路上各處的損耗衰減都關(guān)系到傳輸?shù)男阅?,因此要求?/p>
A. 選擇符合入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的光纖連接器;
B. 光纖連接器要有封帽,不使用時(shí)蓋上封帽,避免光纖連接器污染而二次污染光模塊光口;封帽不使用時(shí)應(yīng)放在防塵干凈處保存;
C. 光纖連接器插入是水平對(duì)準(zhǔn)光口,避免端面和套筒劃傷;
D. 光模塊光口避免長(zhǎng)時(shí)間暴露,不使用時(shí)加蓋光口塞;光口塞不使用時(shí)儲(chǔ)存在防塵干凈處;
E. 光纖連接器的端面保持清潔,避免劃傷;
2. ESD 損傷
ESD是自然界不可避免的現(xiàn)象,預(yù)防ESD從防止電荷積聚和讓電荷快速放電兩方面著手:
A. 保持環(huán)境的濕度30~75%RH;
B. 對(duì)光模塊操作時(shí)做靜電防護(hù)工作(如:帶靜電環(huán)或?qū)⑹滞ㄟ^(guò)預(yù)先接觸機(jī)殼等手段釋放靜電),接觸光模塊殼體,避免接觸光模塊PIN 腳;
C. 使用的相關(guān)設(shè)備采用并聯(lián)接地的公共接地點(diǎn)接地,保證接地路徑最短,接地回路最小,不能串聯(lián)接地,應(yīng)避免采用外接電纜連接接地回路的設(shè)計(jì)方式;
D. 包裝和周轉(zhuǎn)的時(shí)候,采用防靜電包裝和防靜電周轉(zhuǎn)箱/車;
E. 禁止對(duì)非熱插拔的設(shè)備,進(jìn)行帶電插拔的操作;
F. 避免用萬(wàn)用表表筆直接檢測(cè)靜電敏感的管腳;
簡(jiǎn)易光模塊失效判斷步驟
1. 測(cè)試光功率是否在指標(biāo)要求范圍之內(nèi),如果出現(xiàn)無(wú)光或者光功率小的現(xiàn)象。處理方法:
A. 檢查光功率選擇的波長(zhǎng)和測(cè)量單位(dBm)
B. 清潔光纖連接器端面,光模塊光口。
C. 檢查光纖連接器端面是否發(fā)黑和劃傷,光纖連接器是否存在折斷,更換光纖連接器做互換性試驗(yàn)
D. 檢查光纖連接器是否存在小的彎折。
E. 熱插拔光模塊可以重新插拔測(cè)試。
F. 同一端口更換光模塊或者同一光模塊更換端口測(cè)試。
2. 光功率正常但是鏈路無(wú)法通,檢查link燈。
SFP光模塊相關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)
INF-8074i:SFP MSA
SFF-8472:數(shù)字診斷接口協(xié)議
DWDM MSA SFP :密集波分復(fù)用模塊標(biāo)準(zhǔn)
GR-468-CORE:光器件可靠性方面的通用標(biāo)準(zhǔn)
ITU-T G.651:多模光纖標(biāo)準(zhǔn)
ITU-T G.652:?jiǎn)文9饫w標(biāo)準(zhǔn)
21CFR 1040.10 激光安全等級(jí)
YD/T1352-2005:千兆以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)