光模块-寿命分析

光模块

光模块是进行光电和电光转换的光电子器件。光模块的发送端把电信号转换为光信号，接收端把光信号转换为电信号。

结构

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。

分类

包括光接收模块，光发送模块，光收发一体模块和光转发模块等。
光收发一体化模块主要功能是实现光电/电光变换，包括光功率控制、调制发送，信号探测、IV 转换以及限幅放大判决再生功能，此外还有防伪信息查询、TX-disable 等功能
光转发模块除了具有光电变换功能外，还集成了很多的信号处理功能，如：MUX/DEMUX、CDR、功能控制、性能量采集及监控等功能。
光收发一体模块，英文名称transceiver，简称光模块或者光纤模块，是光纤通信系统中重要的器件。

基本指标

输出光功率

输出光功率指光模块发送端光源的输出光功率。可以理解为光的强度，单位为W或mW或dBm。其中W或mW为线性单位，dBm为对数单位。在通信中，我们通常使用dBm来表示光功率。

光功率衰减一半，降低3dB，0dBm的光功率对应1mW。

接收灵敏度最大值

接收灵敏度指的是在一定速率、误码率情况下光模块的最小接收光功率，单位：dBm。

一般情况下，速率越高接收灵敏度越差，即最小接收光功率越大，对于光模块接收端器件的要求也越高。

消光比

消光比是用于衡量光模块质量的重要参数之一。

它是指全调制条件下信号平均光功率与空号平均光功率比值的最小值，表示0、1信号的区别能力。光模块中影响消光比的两个因素：偏置电流（bias）与调制电流（Mod），姑且看成ER=Bias/Mod。

消光比的值并非越大光模块越好，而是消光比满足802.3标准的光模块才好。

光饱和度

又称饱和光功率，指的是在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的最大输入光功率，单位：dBm。

需要注意的是，光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

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）。

光模块故障原因
1． 光口污染和损伤
光模块的光口收到污染和损伤，导致光链路损耗加大，以至于光纤链路不通。光口长期暴露在环境中致使灰尘进入而受污染、模块连接的光纤端面被污染导致光口污染以及尾纤的光接头端面使用不当被损这三种情况都会使光受到污染
2． ESD 损伤
光模块受到ESD损伤，即『静电放电』或者『静电击穿』。静电会引起灰尘吸附，改变线路间的阻抗，影响SFP光模块的功能与寿命。ESD是不可避免，一个非常快的过程，ESD可以产生几十Kv/m甚至更大的强电磁脉冲。

可以粗略的认为原因一是缓慢的，有迹可循的一个过程，原因二是突发的故障，不可预测。

光模块的三种失效率预计方法

基本概念

平均无故障间隔时间（MTBF）———可维修性产品(模块级及以上)
平均无故障时间（MTTF）———不可维修性产品（模块级以下）
失效率：产品在工作t时刻后的单位时间内，失效的产品数相对于t时刻还在工作的产品数发生失效的概率（是个瞬时量，反映失效的快慢）
失效率的单位： h-1 、fit 、 %/1000h 。 (1fit=1×10-9/h=1×10-6/1000h)
物理意义：1个非特所表示的物理意义是10亿个产品，在1小时内只允许有一个产品失效/千小时只允许百万分之一的失效概率

失效率预计

关于寿命/失效率的计算实际上是个很复杂的问题，需要借助多组，多应力，大数量的样品进行实时或高频的监控，获取大量的数据。排除因为任何非产品特性引起的异常数据进行分析计算而得到。
数据的截止点可采取定时/定数结尾来确定，对于其中的失效样品进行失效分析，确定属于正常退化失效，还是异常引起的失效，从而确定失效样品的数据是否可用于寿命计算。
对于还未失效的样品会采用一些数据工具来进行失效时间的推算，然后对该批数据进行拟合，以确定该产品的退化符合那种函数。计算出函数的关键常数，用于该类产品的失效率/寿命计算
（1）设计初期的预计
这种方法最早来源于美国军工领域，后来光通信领域也有了自己的标准，就是最早介绍的Telcordia出品的SR-332。
这种方法主要是根据产品设计初期的元器件选型方案计算（或者用计算结果反向引导器件选型），通过这些元器件fit值和使用数量，以及这些元器件的环境因子，质量因子，应力因子进行修正，最后统计出在具体某一环境下的失效率。元器件的fit值可以用后面介绍的2种方法预计得到，或者是标准给出的经验值。

（2）产品定型时的试验方法预计
这种方法是产品已经定型，通过寿命试验的数据来进行推算，本方法认定产品寿命符合指数模型，套用阿伦纽斯公式进行计算。其中根据实验得到样品数量，试验时间，应力，失效数，加速因子等进行计算，其中加速因子可用标准中的推荐者，也可通过2-3种样品在不同应力下的数据推算得到（原理是2点定线或者3点拟合一条线，斜率就是加速因子）。
另外行业中还有一种根据实验时间、实验温度和加速因子，预计得到需要温度下的可使用时间的做法推算产品寿命，这种做法确定从表面看是符合逻辑的，但是寿命预计都是基于统计值进行计算的，而该方法完全忽略的统计的概念，因此计算不严谨。

（3）市场应用时的现场数据预计
这种方法与设计方案，试验数据都无关，市面上有两种计算方法，计算结果差距不大，通过目的产品和享受产品在市场上的失效情况进行预计。
一种是需要公司对于发货产品的日期，数量，失效情况有详细记录，去掉批次性失效和非失效引起的退货。用统计时的所有失效数量和具体的使用时间的乘积统计值作为分子，乘以10^9后处于总发货产品的使用时间和，就可以达到失效率
另外一种是如果对于失效样品的使用时间不太确定，可以根据一个gamma卡方常数来进行计算，用失效样品数，乘以卡方常数和10^9，除以总发货产品的使用时间和，也可以得到失效率，同时卡方常数还可以根据置信度选择经验常数。

可靠性分析

可靠性的定义是“产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力”。“规定的条件”是指产品所处的使用环境与维护条件。对于电子元器件“规定的条件”主要是指使用时的工作条件（如使用的电压、电流和功率等）、环境条件（如温度、湿度和气压等）或贮存条件。这些条件都会对产品的失效产生影响，条件不同，产品的
可靠性也不同。

“规定的时间”是指产品执行任务的时间。一般来说，电子元器件的可靠性会随着使用和贮存时间的延长而逐步下降。同一元器件根据规定的时间不同，其可靠性也不同。因此，可靠性必须明确在多长时间内的可靠性。

“规定功能”是指产品的技术要求、技术指标。由于各个产品在系统中具有不同的作用，起着不同的功能，因此产品完成了规定的功能要求，便认为是可靠的，否则，就是不可靠的。

可靠性试验

常用的可靠性试验的分类方法很多。按试验摸底来分，可分为可靠性鉴定试验、寿命试验、筛选试验、耐久性试验、可靠性增长试验。按试验地点来分，可分为现场试验（工作可靠性的现场测量）和模拟实验（模拟实际工作状态的试验）。按试验项目来分，可分为环境试验、现场使用试验、特殊测检和寿命试验等。

加速寿命试验方法

加速寿命试验就是在不改变失效机理的前提下，用提高应力的方法，使元器件或材料加速失效，以便在较短的时间内取得加速情况下的失效率、寿命等数据，然后推算出在正常状态（额定或实际使用状态）应力条件下的可靠性特征量。

加速寿命试验的基本思想是利用高应力水平下的寿命特征去外推正常应力水平下的寿命特征。实现这个基本思想的关键在于建立寿命特征与应力水平之间的关系，这种关系称为加速寿命模型。

阿伦尼兹(Arrhenius)模型

在加速寿命试验中常见的加速应力为温度，因为高温能使产品（如电子元器件、绝缘材料等）内部加快化学反映，促使产品提前失效。阿伦尼斯在 1880 年研究了这类化学反应，在大量数据的基础上，提出阿伦尼兹加速模型：

逆幂律模型

单应力的艾林(Eyring)模型

光模块加速寿命试验分析方法研究

光模块是专用的集成器件，其工作稳定，可靠性高，考虑使用加速寿命试验对其可靠性进行研究。由于激光器是光模块的重要组成元器件，且其工作特性与温度关系密切，同时工作电流大小对电子器件的工作性能也有影响，因此试验研究分析光模块可靠性可以从电流和热应力两方面着手。