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光模塊的工作原理

光模塊（Optical Modules）作為光纖通信中的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)光信號傳輸過程中光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能的光電子器件。

光模塊工作在OSI模型的物理層，是光纖通信系統(tǒng)中的核心器件之一。它主要由光電子器件（光發(fā)射器、光接收器）、功能電路和光接口等部分組成，主要作用就是實(shí)現(xiàn)光纖通信中的光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能。光模塊的工作原理如圖 光模塊工作原理圖所示。

發(fā)送接口輸入一定碼率的電信號，經(jīng)過內(nèi)部的驅(qū)動芯片處理后由驅(qū)動半導(dǎo)體激光器（LD）或者發(fā)光二極管（LED）發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號，通過光纖傳輸后，接收接口再把光信號由光探測二極管轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)過前置放大器后輸出相應(yīng)碼率的電信號。

圖1-1 光模塊工作原理圖

光模塊的外觀結(jié)構(gòu)

光模塊的種類多種多樣，外觀結(jié)構(gòu)也不盡相同，但是其基本組成結(jié)構(gòu)都包含以下幾部分，如圖 光模塊的外觀結(jié)構(gòu)（以SFP封裝舉例說明）所示。

圖1-2 光模塊的外觀結(jié)構(gòu)（以SFP封裝舉例說明）

表1-1 光模塊各個結(jié)構(gòu)的說明

結(jié)構(gòu)	說明
1．防塵帽	保護(hù)光纖接頭、光纖適配器、光模塊的光接口以及其他設(shè)備的端口不受外部環(huán)境污染和外力損壞。
2．裙片	用于保證光模塊和設(shè)備光接口之間良好的搭接，只在SFP封裝的光模塊上存在。
3．標(biāo)簽	用于標(biāo)識光模塊的關(guān)鍵參數(shù)及廠家信息等。
4．接頭	用于光模塊和單板之間的連接，傳輸信號，給光模塊供電等。
5．殼體	保護(hù)內(nèi)部元器件，主要有1*9外殼和SFP外殼兩種。
6．接收接口（Rx）	光纖接收接口。
7．發(fā)送接口（Tx）	光纖發(fā)送接口。
8．拉手扣	用于拔插光模塊，且為了辨認(rèn)方便，不同波段所對應(yīng)的拉手扣的顏色也是不一樣的。

光模塊有哪些關(guān)鍵性能指標(biāo)

如何衡量光模塊的性能指標(biāo)呢？我們可以從以下幾個方面來讀懂光模塊的性能指標(biāo)。

光模塊發(fā)送端

• 平均發(fā)射光功率

平均發(fā)射光功率是指光模塊在正常工作條件下發(fā)射端光源輸出的光功率，可以理解為光的強(qiáng)度。發(fā)射光功率和所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號中“1”占的比例相關(guān)，“1”越多，光功率也越大。當(dāng)發(fā)送機(jī)發(fā)送偽隨機(jī)序列信號時，“1”和“0”大致各占一半，這時測試得到的功率就是平均發(fā)射光功率，單位為W或mW或dBm。其中W或mW為線性單位，dBm為對數(shù)單位。在通信中，我們通常使用dBm來表示光功率。

• 消光比

消光比是指全調(diào)制條件下激光器在發(fā)射全“1”碼時的平均光功率與全“0”碼時發(fā)射的平均光功率比值的最小值，單位為dB。如圖1-3所示，我們在將電信號轉(zhuǎn)換為光信號時，是由光模塊發(fā)射部分的激光器按照輸入的電信號的碼率來轉(zhuǎn)換成光信號的。全“1”碼時的平均光功率即表示激光器發(fā)光的平均功率，全“0”碼時的平均光功率即表示激光器不發(fā)光的平均功率，消光比即表征0、1信號的區(qū)別能力，因此消光比可以看做一種激光器運(yùn)行效率的衡量。消光比典型的最小值范圍為8.2dB到10dB。

圖1-3激光器工作示意圖

• 光信號的中心波長

在發(fā)射光譜中，連接50℅最大幅度值線段的中點(diǎn)所對應(yīng)的波長。不同種類的激光器或同一種類的兩個激光器，由于工藝、生產(chǎn)等原因都會有中心波長的差異，即使同一激光器在不同條件下也可能會有不同的中心波長。一般，光器件和光模塊的制造商，提供給用戶一個參數(shù)，即中心波長（如850nm），這個參數(shù)一般會是一個范圍。目前常用的光模塊的中心波長主要有三種：850nm 波段、1310nm 波段以及1550nm 波段。

為什么定義在這三個波段呢？這與光信號的傳輸介質(zhì)光纖損耗有關(guān)。通過不斷研究實(shí)驗(yàn)，人們發(fā)現(xiàn)光纖損耗通常隨波長加長而減小，850nm損耗較少，900 ~ 1300nm損耗又變高了；而1310nm又變低， 1550nm損耗最低，1650nm以上的損耗趨向加大。所以850nm就是所謂的短波長窗口，1310nm 和1550nm就是長波長窗口。

光模塊接收端

• 過載光功率

又稱飽和光功率，是指光模塊在一定的誤碼率（BER=10-12）條件下，接收端組件所能接收的最大輸入平均光功率。單位是dBm。

需要注意的是，光探測器在強(qiáng)光照射下會出現(xiàn)光電流飽和現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)此現(xiàn)象后，探測器需要一定的時間恢復(fù)，此時接收靈敏度下降，接收到的信號有可能出現(xiàn)誤判而造成誤碼現(xiàn)象。簡單的說，輸入光功率超過的了這個過載光功率，可能就會對設(shè)備造成損害，在使用操作中應(yīng)盡量避免強(qiáng)光照射，防止超出過載光功率。

• 接收靈敏度

接收靈敏度是指光模塊在一定的誤碼率（BER=10-12）條件下，接收端組件所能接收的最小平均輸入光功率。如果發(fā)射光功率指的發(fā)送端的光強(qiáng)度，那么接收靈敏度指的就是光模塊可以探測到的光強(qiáng)度。單位是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，對于光模塊接收端器件的要求也越高。

• 接收光功率

接收光功率是指光模塊在一定的誤碼率（BER=10-12）條件下，接收端組件所能接收的平均光功率范圍。單位是dBm。接收光功率的上限值為過載光功率，下限值為接收靈敏度的最大值。

綜合來講，就是當(dāng)接收光功率小于接收靈敏度，可能無法正常接收信號，因?yàn)楣夤β侍趿恕．?dāng)接收光功率大于過載光功率時，可能也無法正常接收信號，因?yàn)榇嬖谡`碼現(xiàn)象。

綜合性能指標(biāo)

• 接口速率

光器件所能承載的無誤碼傳輸?shù)淖畲箅娦盘査俾剩蕴W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有：125Mbit/s、1.25Gbit/s、10.3125Gbit/s、41.25Gbit/s。

• 傳輸距離

光模塊可傳輸?shù)木嚯x主要受到損耗和色散兩方面受限。損耗是光在光纖中傳輸時，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的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時速度不等，從而造成光信號的不同波長成分由于傳輸距離的累積而在不同的時間到達(dá)接收端，導(dǎo)致脈沖展寬，進(jìn)而無法分辨信號值。

在光模塊色散受限方面，其受限距離遠(yuǎn)大于損耗的受限距離，可以不做考慮。損耗限制可以根據(jù)公式：損耗受限距離=（發(fā)射光功率-接受靈敏度）/光纖衰減量 來估算。光纖的衰減量和實(shí)際選用的光纖強(qiáng)相關(guān)。

有哪些常見的光模塊種類

按速率分類

為了滿足各種傳輸速率的需求，產(chǎn)生了不同速率的光模塊：400GE光模塊、100GE光模塊、40GE光模塊、25GE光模塊、10GE光模塊、GE光模塊、FE光模塊等。

按封裝類型分類

傳輸速率越高，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，由此產(chǎn)生了不同的封裝方式。華為交換機(jī)適用的封裝類型有：QSFP-DD、QSFP28、QSFP+、SFP28、SFP/eSFP、SFP+、CXP、CFP等。

封裝類型	SFP/eSFP光模塊
基本解釋	SFP（Small Form-factor Pluggable）光模塊：小型可插拔。SFP光模塊支持LC光纖連接器。 歡迎關(guān)注公眾號：網(wǎng)絡(luò)工程師阿龍? eSFP（Enhanced Small Form-factor Pluggable）光模塊：增強(qiáng)型SFP，指的是帶電壓、溫度、偏置電流、發(fā)送光功率、接收光功率監(jiān)控功能的SFP，當(dāng)前所有的SFP都帶，所以也就把eSFP都統(tǒng)一叫SFP了
外觀圖

封裝類型	SFP+光模塊
基本解釋	SFP+（Small Form-factor Pluggable Plus）光模塊：指速率提升的SFP模塊，因?yàn)樗俾侍嵘?，所以對EMI敏感，殼子上面的裙片做的多了，配對的籠子也相對縮緊了。
外觀圖

封裝類型	SFP28光模塊
基本解釋	SFP28（Small Form-factor Pluggable 28）光模塊：接口封裝大小與SFP+相同，支持速率為25G的SFP28光模塊和10G的SFP+光模塊。
外觀圖

封裝類型	QSFP+光模塊
基本解釋	QSFP+（Quad Small Form-factor Pluggable）光模塊：四通道小型可熱插拔光模塊。QSFP+光模塊支持MPO光纖連接器，相比SFP+光模塊尺寸更大。
外觀圖

封裝類型	CXP光模塊
基本解釋	CXP（120 Gb/s eXtended-capability Form Factor Pluggable Module）光模塊：是一種可熱插拔的高密并行光模塊標(biāo)準(zhǔn)，在發(fā)送和接收（Tx/Rx）方向各提供12個通道，僅適用于短距離多模鏈路。
外觀圖

封裝類型	CFP光模塊
基本解釋	CFP（Centum Form-factor Pluggable）光模塊：長×寬×高尺寸定義為144.75mm×82mm×13.6mm，是一種高速的可以熱插拔的支持?jǐn)?shù)據(jù)通信和電信傳輸兩大應(yīng)用的新型光模塊標(biāo)準(zhǔn)。
外觀圖

封裝類型	QSFP28光模塊
基本解釋	QSFP28（Quad Small Form-factor Pluggable 28）光模塊：接口封裝大小與QSFP+相同，支持速率為100G的QSFP28光模塊和40G的QSFP+光模塊。
外觀圖

封裝類型	QSFP-DD光模塊
基本解釋	QSFP-DD（(Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density)）光模塊：雙密度四通道小型可插拔封裝光模塊，是QSFP-DD MSA小組定義的一種高速可插拔模塊。
外觀圖

按模式分類

光纖分為單模光纖、多模光纖。為了使用不同類別的光纖，產(chǎn)生了單模光模塊、多模光模塊。

• 單模光模塊的中心波長一般是1310nm、1550nm，與單模光纖配套使用。單模光纖傳輸頻帶寬，傳輸容量大，適用于長距傳輸。

• 多模光模塊的中心波長一般是850nm，與多模光纖配套使用。多模光纖有模式色散缺陷，其傳輸性能比單模光纖差，但成本低，適用于較小容量、短距傳輸。

注意：使用長距光模塊，其發(fā)送光功率一般大于過載光功率，因此需要關(guān)注光纖長度，保證實(shí)際接收光功率小于過載光功率。如果光纖長度較短，使用長距光模塊時需要配合光纖光衰（光纖每單位長度上的衰減值，單位為dB/km）使用，以避免燒壞對端光模塊。

按中心波長分類

光模塊的工作波長是一個范圍，為了方便描述使用中心波長這個參數(shù)，單位是納米（nm）。

為了支持光信號傳輸使用不同的光波段，產(chǎn)生了不同中心波長的光模塊，比如：850nm、1310nm、1550nm的光模塊等。歡迎關(guān)注公眾號：網(wǎng)絡(luò)工程師阿龍?

按顏色分類

彩色光模塊與其它類型的光模塊的最大的區(qū)別是中心波長不同：

• 一般光模塊的中心波長有850nm、1310nm和1550nm三類，中心波長比較單一，我們稱該類光為“黑白光”或者“灰光”。

• 彩色光模塊承載了若干不同中心波長的光，所以交集起來是五顏六色的，我們稱該類光為“彩光”。

彩色光模塊分為粗集波光模塊（CWDM）和密集波光模塊（DWDM）兩種。在同一波段下，密集波光模塊的種類更多，所以密集波光模塊對波段的資源利用更充分。中心波長各異的光在同一根光纖中可以互不干涉的傳輸，因此，通過無源合波器將來自多路彩色光模塊不同中心波長的光合成一路進(jìn)行傳輸，遠(yuǎn)端則通過分波器根據(jù)不同的中心波長將光分出多路，有效的節(jié)省了光纖線路。彩色光模塊主要應(yīng)用于長距離的傳輸線路。

分類	SFP-GE-LH40-SM1310	SFP-10G-ER-1310	QSFP-40G-LR4	QSFP-100G-CWDM4	QSFP-DD-400G-SR8
速率	GE	10GE	40GE	100GE	400GE
封裝類型	eSFP	SFP+	QSFP+	QSFP28	QSFP-DD
模式	單模	單模	單模	單模	多模
中心波長（nm）	1310	1310	1271、1291、1311、1331	1271、1291、1311、1331	850
顏色	黑白光	黑白光	黑白光	彩色	黑白光

如何看懂光模塊的命名

了解光模塊命名規(guī)則就能讀懂廠商光模塊產(chǎn)品名稱所包含的全部信息。本文以通用的命名規(guī)則進(jìn)行分解說明。

標(biāo)號	含義
A	表示光模塊的封裝類型，主要有： SFP/eSFP SFP+ SFP28 QSFP+ CXP CFP QSFP28 QSFP-DD
B	表示光模塊的速率，主要有： FE GE 10GE 25GE 40GE 100GE 400GE
C	表示光模塊的傳輸距離類型，其中： SX：短距 LX：中距 LH：長距
D	表示光模塊的傳輸距離，單位為km。
E	表示光模塊的器件類別，其中： SM：單模 MM：多模
F	表示光模塊的中心波長，單位為nm。

光模塊失效的主要原因及防護(hù)措施

光模塊在應(yīng)用中必須有規(guī)范化的操作方法，任何不規(guī)范的動作都可能造成隱性的損傷或者永久的失效。歡迎關(guān)注公眾號：網(wǎng)絡(luò)工程師阿龍?

光模塊失效的主要原因

光模塊失效的主要原因是ESD損傷導(dǎo)致的光模塊性能變差，以及光口污染和損傷引起的光鏈路不通。光口污染和損傷的原因主要有：

1. 光模塊的光口暴露在環(huán)境中，光口有灰塵進(jìn)入而污染。

2. 使用的光纖連接器端面已經(jīng)污染，光模塊的光口被二次污染。

3. 帶尾纖的光接頭端面使用不當(dāng)，比如：端面劃傷等。

4. 使用了劣質(zhì)的光纖連接器。

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如何有效的防護(hù)光模塊失效，主要分為ESD防護(hù)和物理防護(hù)兩種。

ESD防護(hù)

ESD損傷是造成光器件性能變差、甚至器件光電功能喪失的一個主要問題。另外ESD損傷的光器件不易測試篩選，若失效很難快速地定位出來。

操作說明

1. 光模塊在使用前的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)移過程中，必須在防靜電包裝內(nèi)，不得隨意取出，隨意擺放。

圖1-4 模塊在防靜電包裝盒內(nèi)示意圖

圖1-5 防靜電標(biāo)識示意圖

圖1-6 模塊在防靜電袋內(nèi)示意圖

   

2.在接觸光模塊前，必須佩戴防靜電手套和防靜電手環(huán)，安裝光器件（含光模塊）

時也必須做好防靜電措施。

圖1-7 防靜電手套示意圖

圖1-8 防靜電腕帶示意圖

3.測試設(shè)備或者應(yīng)用設(shè)備必須有良好的接地線。

說明：嚴(yán)禁為方便安裝，光模塊從防靜電包裝被取出隨意堆放，不做任何防護(hù)，猶如廢品回收站。

物理保護(hù)

光模塊內(nèi)部激光器以及溫度控制電路（TEC）較為脆弱，收到撞擊后容易斷裂或脫落，因此在運(yùn)輸和使用過程中都應(yīng)注意物理防護(hù)。

光口沾污物用清潔棉棒輕擦即可，非專用清潔棒可能對光口造成損傷，清潔棉棒使用時用力過大可能導(dǎo)致棉棒中金屬劃傷陶瓷端面。

光模塊的插入和拔出設(shè)計(jì)都以人手工操作模擬，推力與拉力設(shè)計(jì)也是模擬人工操作，安裝與拆卸過程中不得使用器具類進(jìn)行。

操作說明

1. 光模塊應(yīng)用時注意輕拿輕放，防止跌落；

2. 光模塊插入時用手推入，不能使用其他金屬工具進(jìn)行；拔出時，先將拉環(huán)打開到解鎖位置再拉拉環(huán)，不能使用其他金屬工具進(jìn)行。

   
   

   

   圖1-10 光模塊安裝方法示意圖

   
   

3. 光口清潔時要使用專用清潔棉棒，不能使用其他金屬物質(zhì)插入光口中。

   
   

圖1-11 用棉棒清潔光模塊光口

編輯、排版：網(wǎng)絡(luò)工程師阿龍

內(nèi)容：來源華為，在此致謝。

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