浅谈光模块

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SFP这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）

除了以上几种常规波长，在多路传输中还会用到CWDM波长（SM，单模，彩光模块），DWDM波长（SM，单模，彩光模块）

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7种： 155Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps、10Gbps、25Gbps、40Gbps、100Gbps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，10G光模块也称10GE（万兆）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20km、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。

a、激光器类别

激光器是光模块中最核心的器件，将电流注入半导体材料中，通过谐振腔的光子振荡和增益射出激光。目前最常用的激光器有FP和DFB激光器，它们的差异是半导体材料和谐振腔结构不同，DFB激光器的价格比FP激光器贵很多。传输距离在40KM以内的光模块一般使用FP激光器；传输距离≥40KM的光模块一般使用DFB激光器。

b、损耗和色散

损耗是光在光纤中传输时，由于介质的吸收散射以及泄漏导致的光能量损失，这部分能量随着传输距离的增加以一定的比率耗散。色散的产生主要是因为不同波长的电磁波在同一介质中传播时速度不等，从而造成光信号的不同波长成分由于传输距离的累积而在不同的时间到达接收端，导致脉冲展宽，进而无法分辨信号值。这两个参数主要影响光模块的传输距离，在实际应用过程中，1310nm光模块一般按0.35dBm/km计算链路损耗，1550nm光模块一般按0.20dBm/km计算链路损耗，色散值的计算非常复杂，一般只作参考。

c、发射光功率和接收灵敏度

发射光功率指光模块发送端光源的输出光功率，接收灵敏度指在一定速率、误码率情况下光模块的最小接收光功率。两者都以dBm为单位，是影响传输 距离的重要参数。光模块可传输的距离主要受到损耗和色散两方面受限。损耗限制可以根据公式：损耗受限距离＝（发射光功率-接收灵敏度）/光纤衰减量 来估算。光纤衰减量和实际选用的光纤相关。一般目前的G.652光纤可以做到1310nm波段0.5dB/km，1550nm波段0.3dB/km甚至更佳。50um多模光纤在850nm波段4dB/km 1310nm波段2dB/km。对于百兆、千兆的光模块色散受限远大于损耗受限，可以不作考虑。10GE光模块遵循802.3ae的标准，传输的距离和选用光纤类型、光模块光性能相关。

d、光模块的使用寿命

国际统一标准，7x24小时不间断工作5万小时（相当于5年）。

e、光纤接口

SFP光模块一般是LC接口的。

光模块基本原理

光收发一体模块（Optical Transceiver）

光收发一体模块是光通信的核心器件，完成对光信号的光-电/电-光转换。由两部分组成：接收部分和发射部分。接收部分实现光-电变换，发射部分实现电-光变换。

发射部分：

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（APC），使输出的光信号功率保持稳定。

接收部分：

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。

光模块分类

1、按应用分类

以太网应用的速率：100Base（百兆）、1000Base（千兆）、10GE、25G、40G、100G。 SDH应用的速率：155M、622M、2.5G、10G。

2、按封装分类

按照封装分：1x9、SFF、SFP、GBIC、XENPAK、XFP、QSFP、SFP28、QSFP28。

1x9封装——焊接型光模块，一般速度不高于千兆，多采用SC接口。

SFF封装-——焊接小封装光模块，一般速度不高于千兆，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4G，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。

QSFP封装——40G光模块，应用在以太网，采用MPO接口。

SFP28封装——25G光模块，应用在以太网，采用LC接口。

QSFP28封装——100G光模块，应用在以太网，采用MPO接口。

3、按激光器分类

LED、VCSEL、FP LD、DFB L。

4、按波长分类

850nm、1310nm、1550nm、CWDM波长、DWDM波长等。

5、按使用方式分类

非热插拔（1x9、SFF），可热插拔（GBIC、SFP、XENPAK、XFP、QSFP、SFP28、QSFP28）。

随着人们对带宽的需求越来越高，网络得到了快速发展。100G是100G网络的重要组成部分，现在已经出现了多个标准和封装类型。

100G光模块的种类

根据封装方式的不同，100G光模块主要有CFP／CFP2／CFP4、CXP和QSFP28三大类，其中，CFP／CFP2／CFP4和CXP是早期100G光模块的封装方式，QSFP28则是新一代100G光模块的封装方式，而且现在已经成为100G光模块的主流封装。100G QSFP28光模块的原理与 QSFP＋光模块的类似，采用4x25 Gbps的方式传输100G光信号。