光模块基础知识培训硬件
光模块基础知识培训
光模块基础知识培训
LED光模块基础知识培训（硬件）
一、LED简介
LED（Light Emitting Diode），即发光二极管，是一种半导体器件，其特点是在电子元件受到电流刺激时可以发出光线，并具有良好的耐久性、低耗能等优势，使其广泛应用于航空、航天、医疗、车载系统、军事科研
等领域。
二、LED结构
LED分为两个极：正极及负极，通常以小圆点的形式表示。
其中正极
称为“正极极接”，负极称为“负极极接”。
正极为死极，可以不接电，
而负极则为活极，此时负极应与正电源相连，以使电路回路成立，并且当LED接收到足够的电流后，LED就会发光。
三、LED参数
LED参数指的是LED电子元件出厂时所采用的参数，这些参数的量化
数据将影响LED电子元件的性能。
主要有：电压阈值、电流阈值、热电压、漏电流、亮度等参数。
四、LED用电安全
LED可以发出肉眼可以看到的光，但是长时间工作在空间低温下，可
能会产生热量，而且由于芯片尺寸小，所以只能承受有限的功率。
因此，
当使用LED时，一定要根据提供的参数保持稳定的电压和电流，以保证电
路安全。
五、LED寿命
LED的寿命与电流、温度、电压和其他环境条件等关系密切。
LED的使用寿命以兆小时为单位衡量，一般来说，电流和温度越低，LED的寿命就越高。
六、LED光谱。
光模块基础知识培训PPT共80页
光模块基础知识培训PPT共80页目录
1.光模块概述
1.1光模块定义
1.2光模块分类
2.光模块组成与结构
2.1光电转换模块
2.2光发射模块
2.3光接收模块
2.4光连接器和接口
3.光模块应用领域
3.1数据中心
3.2通信网络
3.3其他领域
4.光模块工作原理
4.1光电转换原理
4.2光信号调制与解调原理
4.3光信号传输原理
5.光模块参数及性能指标
5.1光功率
5.2光端口功率均衡
5.3波长稳定性
5.4接收灵敏度
5.5光折射率
5.6饱和输出功率
5.7脉冲电流
5.8热效应
5.9光模块亚临界工作
5.10环境适应性
6.光模块的安装与维护6.1光模块的安装步骤6.2光模块的维护方法
6.3光模块的故障排除
7.光模块的未来发展趋势7.1高速化
7.2高密度化
7.3低功耗化
7.4光模块的集成化
8.光模块的市场前景与挑战
8.1市场前景
8.2技术挑战
8.3行业竞争格局
9.Q&A
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每页平均约有1500/80=18.75字，所以整个文档应该有超过1500字的内容。
具体的每页内容可以根据实际情况编写，确保文档内容完整、准确、易懂、有条理。
光模块的一些基础知识
光模块的一些基础知识一、光模块的构成：有发射激（TOSA),接受（ROSSA) 线路板IC 外部配件二、光模块接口分为FC型、SC型、LC型、ST型和FTRJ型。
三、光收发一体模块分类按照速率分：以太网应用的100Base（百兆）、1000Base（千兆）、10GE SDH应用的155M、622M、2.5G、10G按照封装分：1×9、SFF、SFP、GBIC SFP XFP X2 XENPAK1×9封装--焊接型光模块，一般速率有52M/155M/622M/1.25G，多采用SC接口SFF封装--焊接小封装光模块，一般速率有155M/622M/1.25G/2.25G/4.25G，多采用LC接口GBIC封装--热插拔千兆接口光模块，采用SC接口SFP封装--热插拔小封装模块，目前最高数率可达155M/622M/1.25G/2.125G/4.25G/8G/10G，多采用LC接口XENPAK封装--应用在万兆以太网，采用SC接口XFP封装--10G光模块，可用在万兆以太网，SONET等多种系统，多采用LC接口四、按照激光类型分：LED、VCSEL、FP LD、DFB LD按照发射波长分：850nm、1310nm、1550nm等等按照使用方式分：非热插拔（1×9、SFF），可热插拔（GBIC、SFP、XENPAK、XFP）五、光纤模块又分单模和多模单模光纤使用的光波长为1310nm或1550 nm。
单模光纤的尺寸为9-10/125μm它的传输距离一般10KM 20kM 40KM 70KM 120KM多模光纤使用的光波长多为850 nm或1310nm.多模光纤50/125μm或62.5/125μm两种，它的传输距离也不一样，一般千兆环境下50/125μm线可传输550M,62.5/125μm只可以传送330M。
(2KM 550M)从颜色上可以区分单模光纤和多模光纤。
单模光纤外体为黄色，多模光纤外体为橘红色。
光电模块基础知识培训
一个典型的激光器驱动电路包括下列部分：
1. 差分电流开关电路—向LD输出调制电流 2. 偏置电流发生器—向LD提供直流偏置电流 3. 自动功率控制(APC)电路—在不同温度和LD老化的情况下, 改变IBIAS,保持PAVG不变 4. 故障告警、保护电路 5. 调制电流、偏置电流监控电路 6. 输入端整形电路(D触发器) 7. 自动温度控制(ATC)电路—保持LD内恒定的温度（25℃）， 以保证激光器参数的稳定性。
光接收部分由光接收器件、前置放 大和限幅放大三部分组成。把经过 传输后的微弱光信号转换为电信号， 并放大整形恢复成原来的电信号电流。光电流又通过跨阻放 大器（TIA—Tranimpedance Amplifier）转换成电压信号。电 压信号经限幅放大，并通过整形滤波器与限幅放大器产生差分 DATA与/DATA的数据差分信号输出。
LD温度特性：
LD是半导体器件，温度 升高阈值电流Ith增大斜 效率S降低 为了保持输出 平均光功率和消光比不变, 在温度上升时要增大 IBIAS和IMOD。
光发射组件是光发射模块的主要部件,其中 光源(半导体发光二极管或激光二极管)是核 心将LD芯片和监测光电二极管(MD)加上其 他元件封装在一个紧密结构中(TO同轴封装 或蝶形封装),就构成光发射组件(TOSA)。
光电模块： 光纤通信系统中，实现光信号和电信号相互转 换的装置。
内容提要
一、光纤通信； 二、光电模块定义； 三、光电模块应用； 四、光电模块构成与原理； 五、光电模块分类； 六、光电模块生产工艺； 七、光电模块性能指标； 八、光电模块发展趋势；
数字光纤通信系统框图
A、电信领域：
B、安防领域：
内容提要
一、光纤通信； 二、光电模块定义； 三、光电模块应用； 四、光电模块构成与原理； 五、光电模块分类； 六、光电模块生产工艺； 七、光电模块性能指标； 八、光电模块发展趋势；
光模块基础知识培训
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光模块基础知识介绍
• 2.2.5 APD偏置电压
• • • APD的偏置电压（即通常所说的高压）一般约为20、30几伏，而目前光 模块的工作电压一般为3.3V或5V。 APD的灵敏度随着温度的升高而降低。 为保证APD的正常工作，需要引入高压电路及相应的温度补偿措施。 APD高压电路主要包括升压电路、倍压电路 和温度补偿 三个部分。
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光模块基础知识介绍
TX_Fault:开集/漏极输出,需要在主板上由4.7K~10K电阻上拉至 2~VCC+0.3V. 激光器失效时为高电平, 正常工作时为低电平( <0.8V )
• TX_Disable:关断使能输入.需要在模块内由4.7K~10K电阻上拉至2~VCC+0.3V. 低电平(0~0.8) 正常工作 高电平(2~3.465)关断 悬空:关断 LOS:开集/漏极输出,需要4.7K~10K电阻上拉至2~VCC+0.3V. 当输入光功率低于最差接受光功率时 高电平告警,
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光模块基础知识介绍
2、电气接口
VCCT 和 VCCR分别是发射和接受部分电源，要求3.3V±5%，最大供电电流 300mA以上。电感的直流阻抗应该小于1欧姆，确保SFP的供电电压稳定在 3.3V。推荐的滤波网络，可以保证插拔模块时的浪涌小于30mA。
VCCT 和 VCCR可以在模块内相连。发射和接收的地可以在模块内相连。Hale Waihona Puke 10光模块基础知识介绍
• 2.1.4 TEC温度控制电路
• DWDM（密集波分复用）技术不断发展，为了尽可能地传输更多的信道， 要求光源峰值波长的间隔尽可能地小，这就对激光器波长的稳定性提出 了更高的要求。对于采用0.8nm（100GHz）信道间隔的DWDM系统，一 个0.4nm的波长变化就能把一个信道移到另一个信道上。DWDM激光器 的波长容差典型值为±0.1nm。
光模块基础知识大全分类及选用
光模块基础知识大全、分类及选用一、光模块基本知识1、定义：光模块：也就是光收发一体模块。
2、结构：光收发一体模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。
发射部分是：输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号，其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光信号功率保持稳定。
接收部分是：一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号。
经前置放大器后输出相应码率的电信号，输出的信号一般为PECL电平。
同时在输入光功率小于一定值后会输出一个告警信号。
3、光模块的参数及意义光模块有很多很重要的光电技术参数，但对于GBIC和SFP这两种热插拔光模块而言，选用时最关注的就是下面三个参数：1）中心波长单位纳米（nm），目前主要有3种：850nm（MM，多模，成本低但传输距离短，一般只能传输500M）；1310nm (SM，单模，传输过程中损耗大但色散小，一般用于40KM以内的传输)；1550nm (SM，单模，传输过程中损耗小但色散大，一般用于40KM以上的长距离传输，最远可以无中继直接传输120KM)；2）传输速率每秒钟传输数据的比特数（bit），单位bps。
目前常用的有4种: 155Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps、10Gbps等。
传输速率一般向下兼容，因此155M 光模块也称FE（百兆）光模块，1.25G光模块也称GE （千兆）光模块，这是目前光传输设备中应用最多的模块。
此外，在光纤存储系统（SAN）中它的传输速率有2Gbps、4Gbps和8Gbps。
3）传输距离光信号无需中继放大可以直接传输的距离，单位千米（也称公里，km）。
光模块一般有以下几种规格：多模550m，单模15km、40km、80km和120km 等等。
除以上3种主要技术参数（波长，速率，距离）外，光模块还有如下几个基本概念，这些概念只需简单了解就行。
光模块基础知识介绍
接收部分原理
接收部分
光 信 号 放 光电 电信号 大 检测 器 均 衡 器 判 决 器 时 钟 恢 复
输出部分
解 码 扰 码 码型 反变换 电 信 号
AGC
输入输出缓冲
告警阈值设置 及判决输出
四、光模块设计及调试关键要素
LD接口电路：
交流耦合 直流耦合 优势：提高边沿速度、降低EMI 幅射及高频噪 优势：多速率兼容、更少的元件数量、低功耗、 声、调制电流范围宽、增大了电感容限。 易于匹配 不足：功耗大、引入了低频截止、元件数量多。 不足：调制电流范围窄、低负载阻抗遇高内阻 器件时对指标要求高。 注意事项：考虑是否需要加入补偿网络来消除 振铃和过冲？交耦电容的参数值在不同速率下 注意事项：布线尽可能的短，OUT-端负载要与 使用需要进行适当调整，特别是低频条件下 OUT+到LD的负载匹配，725型器件适用性高。 （<155M），应用于SDH、SONET系统时频 率要求更高。
数字光模块基础知识介绍
内容提要
一、光模块的定义 二、光模块的分类 三、光模块的主要功能原理 四、光模块设计及调试的关键要素
一、光收发一体模块定义
光收发一体模块由光电子器件、功能电路和 光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部 分。发射部分是：输入一定码率的电信号经内部 的驱动芯片处理后驱动半导体激光器（LD）或发 光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号， 其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光信 号功率保持稳定。接收部分是：一定码率的光信 号输入模块后由光探测二极管转换为电信号。经 前置放大器后输出相应码率的电信号，输出的信 号一般为PECL电平。同时在输入光功率小于一定 值后会输出一个告警信号。
ATC部分
当由于某种原因，使LD的输出光功率降低时，耦合至光电二极管的电流也同比例减小，这样，通常状态下的平衡被打破，使得运放 输出端的电压增大，于是，三极管的基极电流增大，集电极电流也随之增大，而集电极电流正是流入LD的偏置电流。因此，流入激 光器的电流增大，输出光功率相应增大，从而使输出光功率保持不变。 通过以上描述，理论上我们是可以通过驱动器的APC控制来实现TE的性能指标。而由于热胀冷缩有可能导致PD机械位移等多种因 素，使得LD的出光与PD的监测光电流不是理论上的线性关系。故此现在很多光模块的TE指标控制在高端客户需求的±1dB很困难。
光电模块基础知识培训
校准写信息
QC检测
清洗光端面 包装 入库检 验 入库
生产操作中需要注意事项：
一、操作前必须确认是否戴好防静电手腕带，严禁用手直接拿器件、模块走动； 二、各项操作必须完全按照作业指导书进行，不得擅自更改操作方法； 三、焊接操作中注意电烙铁温度控制，按作业文件规定； 四、不得将正在通光的模块或光纤对准眼睛等身体脆弱部分； 五、插入光纤跳线时要45度斜角对准再同轴插入； 六、老化接电时必须确认无短路、连接完好后方可离开； 七、洗板水、酒精灯易燃品使用时注意安全。 八、产品操作后摆放整齐，操作台面整洁、无杂物。
★常用的光电检测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD) ★ PIN的响应度通常为0.65～0.97A/W(λ=0.9～1.7μm) ★ APD是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度光电 检测器,它可以使接收灵敏度提高6～10dB。 ★ APD在工作时需要比较高(30～70V)的反向偏压,模块中要附 加额外的DC－DC升压电路,增大了模块的成本和电路的复杂程 度。最佳 Vapd≈0.9Vbr ，Vbr 是APD的反向击穿电压，为正温 度系数，所以升压电路输出的Vapd 要做温度补偿。 ★ APD要求稳定、“干净”的反向偏压， 否则会影响接收灵敏 度。 ★过大的光电流(＞0.5～1mA)会烧坏APD，在测试时，输入光 功率不能超过0～-4dBm，一般要求<-7dBm.
）
组件生产流程图：
1.组装 金属件清洗
A 焊点检查
B 温循考核 发射终测 接收终测 端面清洗
配胶 2.发射耦合 组装 3.接收耦合 发射耦合 4.性能测试 耦合目检 激光焊接固定 A 接收耦合 接收点胶 接收初测
发射性能初测
包装 QA检查 入库
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在激光器阳极处Vcc要有足够的旁路电容，以降低高速电流切换而产生的电源开 关噪声。
Optical Network Transceiver Innovator
数字系统中常用参数定义
脉冲宽度
90% 50% 10%
优点： 线性度好 温度特性好 价格低、寿命长、使用简单
缺点： 谱线较宽 （30-100nm） 与光纤的耦合效率低 （光纤耦合效率一般仅有1％～2％，
最多不超过10%）
Optical Network Transceiver Innovator
激光二极管LD
LD发光机理
LD 的发光机理是受激发光，即利用LD 中的谐振腔发生振荡而激发出许许多 多的频率相同的光子，从而形成激光。
LD的温度特性
Optical Network Transceiver Innovator
常用光功率自动控制电路
通过检测背光二极管(MD)
VCC
产生的光电流(平均值)来实
现闭环控制。
APC调节偏置电流来保持 平均输出光功率稳定；APC 只对偏置电流回路起作用。
VCC
VCC Ib Impd
APC对调制电流无法控制， 温度升高，斜效率降低，调 制幅度变小，APC却使偏流 加大，消光比就变小了。
用半导体工艺技术在PN结两侧加工出两个相互平行的反射镜面，这两个反射 镜面与原来的两个解理面（晶体的天然晶面）构成了谐振腔结构。当在LD两 端加上正偏置电压时，象LED 一样在PN 结区域内因电子与空穴的复合而释 放光子。而其中的一部分光子沿着和反射镜面相垂直的方向运动时，会受到 反射镜面的反射作用在谐振腔内往复运动。只要外加正偏置电流足够大，光 子的往复运动会激射出更多的、与之频率相同的光子，即发生振荡现象，从 而发出激光。此之所谓受激发光。
Optical Network Transceiver Innovator
LD和驱动芯片接口要求
TO型激光器安装在PCB边沿时，接地层要扩展到PCB边沿以减少管脚引线电感， 过大的电感会使波形边沿速度变慢。
激光器要尽可能靠近驱动器芯片，只要接线长度小于传输波长，可以不考虑传输 线的几何尺寸，减少线宽有利于减小寄生电容。
Optical Network Transceiver Innovator
电磁波谱
1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm λ波長
10G 100G 1T 10T 100T 10^15 10^16 10^17
f (Hz)
红外线
1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm
两种调制方式： 外调制 光信号（无调制信号） 调制信号 调制的光信号 内调制 调制信号 LD工作电流 调制的光信号
P
P1 Pavg
P0
m = (P1 - P0) / (P1 + P0)
m =ΔI／(Iavg - Ith) ΔI = (Imod) / 2
Ith
Iavg
Imod
I
Optical Network Transceiver Innovator
紫外线
光通信使用范围
Optical Network Transceiver Innovator
光的基本知识
光是一种电磁波 可见光 350nm—750nm 光纤通信所用的波长 800nm—1600nm 光的反射、折射 全反射
Optical Network Transceiver Innovator
光的基本知识
入
反射
射 θ1 θ3
θ2 折
射
n1 n2 n1<n2
空气 水
视觉位置
实际位置
Optical Network Transceiver Innovator
光的基本知识
n1 n2
n1 > n2
临界角
n1 n2
入射角=反射角
θ1 θ2
n1
900
n2
临界角
全反射
Optical Network Transceiver Innovator
Optical Network Transceiver Innovator
稳定光功率和消光比的方法
闭环自动功率控制（APC）+ 补偿调制电流（热敏电阻或 MCU查表）
开环补偿法
热敏电阻补偿(调制电流和偏置电流) 通过MCU查表精确设置调制电流和偏置电流
K因子补偿法
“K-因子”补偿，是在激光器偏置电流增大的同时，按比例增大调 制电流。
光纤通信的优点
通信容量大 中继距离长 不受电磁干扰 资源丰富 光纤重量轻、体积小
Optical Network Transceiver Innovator
光纤通信发展史
1966年“光纤之父”高锟博士首次提出光纤通信的想法。 1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器。 1970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之作出损耗为20dB/km光纤。 1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。
Optical Network Transceiver Innovator
LD优缺点
优点： 发光谱线窄 （1-5nm） 与光纤的耦合效率高 阈值器件 缺点： 温度特性的较差 线性度较差 工作寿命较短
Optical Network Transceiver Innovator
LD调制方式
典型的数字光纤通信系统方框图
Optical Network Transceiver Innovator
ห้องสมุดไป่ตู้
光纤通信用光器件
发光二极管（LED） 激光二极管（LD） VECSEL FP DFB MQW
Optical Network Transceiver Innovator
LED优缺点
GaAsAl材料 ，非阈值器件。
LD的温度特性
LD是半导体器件，它的特性与二极 管类似 温度升高，阈值电流Ith增大，斜效 率S降低 为了保持输出平均光功率和消光比 不变，在温度上升时要增大IBIAS和 IMOD
消光比 ER = 10*log(P1 / P0) 平均光功率PAVG = (P1 + P0) / 2
Optical Network Transceiver Innovator