超詳細的光模組介紹
超詳細的光模組介紹
光模組發展簡述
光模組分類
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：常規波長、CWDM、DWDM等。
按模式：單模光纖（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
光模組基本原理
光收發一體模組（Optical Transceiver)
光收發一體模組是光通訊的核心器件，完成對光訊號的光-電/電-光轉換。由兩部分組成：接收部分和發射部分。接收部分實現光-電變換，發射部分實現電-光變換。
發射部分：
輸入一定位元速率的電訊號經內部的驅動晶片處理後驅動半導體鐳射器(LD)或發光二極體(LED)發射出相應速率的調製光訊號，其內部帶有光功率自動控制電路(APC)，使輸出的光訊號功率保持穩定。
接收部分：
一定位元速率的光訊號輸入模組後由光探測二極體轉換為電訊號，經前置放大器後輸出相應位元速率的電訊號，輸出的訊號一般為PECL電平。同時在輸入光功率小於一定值後會輸出一個告警訊號。
光模組內部結構
光模組的主要引數
1. 傳輸速率
傳輸速率指每秒傳輸位元數，單位Mb/s 或Gb/s。主要速率：百兆、千兆、2.5G、4.25G和萬兆。
2.傳輸距離
光模組的傳輸距離分為短距、中距和長距三種。一般認為2km 及以下的為短距離，10～20km 的為中距離，30km、40km 及以上的為長距離。
■光模組的傳輸距離受到限制，主要是因為光訊號在光纖中傳輸時會有一定的損耗和色散。
注意：
• 損耗是光在光纖中傳輸時，由於介質的吸收散射以及洩漏導致的光能量損失，這部分能量隨著傳輸距離的增加以一定的比率耗散。
• 色散的產生主要是因為不同波長的電磁波在同一介質中傳播時速度不等，從而造成光訊號的不同波長成分由於傳輸距離的累積而在不同的時間到達接收端，導致脈衝展寬，進而無法分辨訊號值。
• 因此，使用者需要根據自己的實際組網情況選擇合適的光模組，以滿足不同的傳輸距離要求。
3.中心波長
• 中心波長指光訊號傳輸所使用的光波段。目前常用的光模組的中心波長主要有三種：850nm 波段、1310nm 波段以及1550nm 波段。
• 850nm 波段：多用於≤2km短距離傳輸
• 1310nm 和1550nm 波段：多用於中長距離傳輸，2km以上的傳輸。
光纖型別
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逐漸加重。多模光纖的傳輸距離還與其傳輸速率、芯徑、模式頻寬有關，具體關係請參見下表。
單模光纖(SMF，Single Mode Fiber)，纖芯較細，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用於遠端通訊。
2. 光纖的端面與直徑
• 按照光纖聯結器連線頭內插針端面分：PC，SPC，UPC，APC
• 按照光纖聯結器的直徑分：Φ3，Φ2, Φ0.9
3. 光纖介面聯結器型別
介面聯結器用於連線可插拔模組及相應的傳輸媒質。光纖聯結器是光纖通訊系統中不可缺少的無源器件，它的使用使得光通道間的可拆式連線成為可能，既方便了光系統的調測與維護，又使光系統的轉接排程更加靈活。
按照光纖的型別分：
單模光纖聯結器（一般為G.652 纖：光纖內徑9um，外徑125um）；
多模光纖聯結器（一種是G.651 纖其內徑50um，外徑125um；另一種是內徑62.5um，外徑125um）；
按照光纖聯結器的連線頭形式分：FC，SC，ST，LC，MU，MTRJ 等等，目前常用的有FC，SC，ST，LC
SC（Subscriber Connector Standard Connector，標準光纖聯結器），由日本NTT公司開發的模塑插拔耦合式聯結器。其外殼採用模塑工藝，用鑄模玻璃纖維塑料製成，呈矩形；插針由精密 陶瓷製成，耦合套筒為金屬開縫套管結構。緊固方式採用插拔銷式，不需要旋轉。外觀圖如下所示
LC 聯結器（Lucent Connector or Local Connector，朗訊聯結器），外觀圖如下：
注意：為了保護光纖聯結器的清潔，請務必保證在未連線光纖時蓋上防塵帽。
介面指標
輸出光功率
輸出光功率指光模組傳送端光源的輸出光功率。
可以理解為光的強度，單位為W或mW或dBm。其中W或mW為線性單位，dBm為對數單位。在通訊中，我們通常使用dBm來表示光功率。
公式：
P(dBm)=10Log(P/1mW)
光功率衰減一半，降低3dB，0dBm的光功率對應1mW
使用光功率計測量。針對PON產品，由於其ONU端採用的是突發模式，因此需使用專用的光功率計進行測量，串接線上路中，可以即時給出當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、誤位元速率情況下光模組的最小接收光功率，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，對於光模組接收端器件的要求也越高。
考慮到光纖老化或其他不可預見因素導致的鏈路損耗增大，最佳接收光功率範圍控制在接收靈敏度以上2-3dB 至過載點以下2-3dB，即上圖中的白色區域。
受壓靈敏度
受壓靈敏度指輸入訊號在附加了抖動和垂直眼閉（vertical eye closure）劣化條件後測得的靈敏度值，單位：dBm。此概念僅針對於10G 介面模組（XENPAK 模組及XFP 模組）。
光模組發射光功率和接收靈敏度
發射光功率指發射端的光強，接收靈敏度指可以探測到的光強度。兩者都以dBm為單位，是影響傳輸距離的重要引數。光模組可傳輸的距離主要受到損耗和色散兩方面受限。
損耗限制可以根據公式：
損耗受限距離＝（發射光功率‐接收靈敏度）/光纖衰減量
來估算。
光 纖衰減量和實際選用的光纖相關。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。對於百兆、千兆的光模組色散受限遠大於損耗受限，可以不作考慮。
飽和光功率值
指光模組接收端最大可以探測到的光功率，一般為‐3dBm。當接收光功率大於飽和光功率的時候同樣會導致誤碼產生。因此對於發射光功率大的光模組不加衰減迴環測試會出現誤碼現象。
光飽和度
又稱飽和光功率，指的是在一定的傳輸速率下，維持一定的誤位元速率（10-10～10-12）時的最大輸入光功率，單位：dBm。
■需要注意的是，光探測器在強光照射下會出現光電流飽和現象，當出現此現象後，探測器需要一定的時間恢復，此時接收靈敏度下降，接收到的訊號有可能出現誤判而造成誤碼現象，而且還非常容易損壞接收端探測器，在使用操作中應儘量避免超出其飽和光功率。
注意
對於長距光模組，由於其平均輸出光功率一般大於其最大輸入光功率（即光飽和度），因此請使用者使用時關注光纖使用長度，以保證到達光模組的實際接收光功率小於其光飽和度，否則有可能造成光模組的損壞。
SFP光模組
SFP 光模組，全稱Small Form-factor Pluggable，即：小型可熱插拔光收發一體模組。 SFP模組體積比GBIC模組減少一半，可以在相同的面板上配置多出一倍以上的埠數量。SFP模組的其他功能基本和GBIC一致。有些交換機廠商稱 SFP模組為小型化GBIC（MINI-GBIC）。
外觀結構：
分類：
速率：155M、1.25G、2.5G、4.25G等
波長：常規波長、CWDM、DWDM
距離：短距、中距、長距
傳輸模式：電口、單模（光纖黃色）、多模（光纖橘紅色）
SFP光模組的特殊型別包括：BIDI-SFP、電口SFP、CWDM SFP、DWDM SFP、SFP+光模組等。
BIDI 模組
BiDi（Bidirectional） 即：單纖雙向。利用WDM技術,傳送和接收兩個方向使用不同的中心波長。實現一根光纖雙向傳輸光訊號。一般光模組有兩個埠，TX為發射埠，RX為接收 埠；而該光模組只有1個埠，通過光模組中的濾波器進行濾波，同時完成1310nm光訊號的發射和1550nm光訊號的接收，或者相反。因此該模組必須 成對使用，他最大的優勢就是節省光纖資源。
應用領域：常規SFP、xWDM SFP、以及PON SFP
C-SFP
Compact SFP，緊湊型SFP，在現有SFP封裝基礎上，發展為更先進、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模組
CWDM光模組採用CWDM 技術，可以通過外接波分複用器，將不同波長的光訊號複合在一起，通過一根光纖進行傳輸，從而節約光纖資源。同時，接收端需要使用波分解複用器對復光訊號進行分解。
●CWDM SFP光模組分為18個波段，從1270nm~1610nm，每兩個波段之間相隔20nm。
●CWDM SFP具有速率和協議透明性，CWDM 提供了在一根光纖上提供不同速率的、對協議透明的傳輸通道，允許使用者直接上下某一個波長，而不用轉換原始訊號的格式。
●常用8個波段，從1470nm~1610nm，每通道間隔20nm。
●一般會用顏色來區分不同波段光模組。
什麼情況下使用CWDM SFP？
DWDM 模組
DWDM SFP屬於密集波分複用技術，可以將不同波長的光偶合到單芯光纖中去，一起傳輸。 DWDM SFP的通道間隔根據需要有0.4nm,0.8nm,1.6nm等不同間隔,間隔較小、需要額外的波長控制器件。
DWDM SFP的一個關鍵優點是它的協議和傳輸速度是不相關的。
電口模組
電口模組，即Copper SFP，SFP封裝，電口模組，100米可支援最大傳輸距離 100m（RJ45，5類雙絞線為傳輸介質）。
SFP+光模組
SFP+光模組：是新一代的萬兆光模組,它按照ANSI T11協議,可以滿足光纖通道的8.5G和乙太網10G的應用。
●SFP+比早期的XFP光模組外觀尺寸縮小了約30%,和普通的SFP光模組外觀一樣。
●SFP+只保留了基本的電光、光電轉換功能,減少了原有XFP設計中的SerDes, CDR, EDC, MAC等訊號控制功能,從而簡化了10G光模組的設計,功耗也因而更小。
●具有高密度、低功耗、更低系統構造成本等顯著優點
●SFP+的遮蔽要求比SFP更嚴格,要求具備更好的遮蔽效果。
XFP 模組
XFP模組是一種可熱插拔的、佔電路板面積很小的、序列－序列光收發器，可以支援SONET OC‐192、10 Gbps 乙太網、10 Gbps 光纖通道和G.709鏈路。
GBIC光模組
GBIC是Giga Bitrate Interface Converter的縮寫，是將千兆位電訊號轉換為光訊號的介面器件。GBIC設計上可以為熱插拔使用，是一種符合國際標準的可互換產品。
Xenpak光模組
Xenpak光模組通過70pin的SFP聯結器與電路板連線，其資料通道是XAUI介面；Xenpak支援所有IEEE 802.3ae定義的光介面，線上路端可以提供10.3 Gb/s、9.95 Gb/s或4×3.125 Gb/s的速率。
Xpak和X2光模組
Xpak 和X2光模組都是從Xenpak標準演進而來的，其內部功能模組與Xenpak基本相同，在電路板上的應用也相同，都是使用一個模組即可實現10G乙太網 光介面的功能。由於Xenpak光模組安裝到電路板上時需要在電路板上開槽，實現較複雜，無法實現高密度應用。而Xpak和X2光模組經過改進後體積只有 Xenpak的一半左右，可以直接放到電路板上，因此適用於高密度的機架系統和PCI網絡卡應用。
SFP光模組的選用
光模組的傳輸距離分為短距、中距和長距三種。模組型號標稱的傳輸距離只作為一種分類方法，實際應用中不能直接套用。因為光訊號在光纖中傳輸時會有一定的損耗和色散，無法達到標稱的傳輸距離。
損耗是光在光纖中傳輸時，由於介質的吸收散射以及洩漏導致的光能量損失，這部分能量隨著傳輸距離的增加以一定的比率耗散。
色散的產生主要是因為不同波長的電磁波在同一介質中傳播時速度不等，從而造成光訊號的不同波長成分由於傳輸距離的累積而在不同的時間到達接收端，導致脈衝展寬，進而無法分辨訊號值。
因此，使用者需要根據自己的實際組網情況選擇合適的光模組，以滿足不同的傳輸距離要求。實際傳輸距離取決於對應型號光模組的實際發射功率、光路上的傳輸衰減和光口的接收靈敏度。
發射光功率和接收靈敏度是影響傳輸距離的重要引數。
損耗限制可以根據公式來估算：
損耗受限距離=（發射光功率-接收靈敏度）/光纖衰減量
光纖衰減量和實際選用的光纖相關：
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。
對於長距光模組：平均輸出光功率>飽和光功率
注意光纖使用長度，以保證到達光模組的實際接收光功率小於其光飽和度，否則有可能造成光模組的損壞。
SFP光模組安裝
SFP光模組安裝
SFP光模組解除安裝
注意：永遠不要讓光纖尾部正對你的眼睛，永遠不要向光纖裡面看，不要直接或使用儀器看光纖尾部。鐳射是不可見的，但可能會對人眼造成永久傷害。
光模組功能失效重要原因
光模組功能失效分為發射端失效和接收端失效，分析具體原因，最常出現的問題集中在以下幾個方面：
1. 光口汙染和損傷
由於光介面的汙染和損傷引起光鏈路損耗變大，導致光鏈路不通。產生的原因有：
A. 光模組光口暴露在環境中，光口有灰塵進入而汙染；
B. 使用的光纖聯結器端面已經汙染，光模組光口二次汙染；
C. 帶尾纖的光接頭端面使用不當，端面劃傷等；
D. 使用劣質的光纖聯結器；
2. ESD損傷
ESD 是ElectroStatic Discharge縮寫即"靜電放電"，是一個上升時間可以小於1ns（10億分之一秒）甚至幾百ps（1ps＝10000億分之一秒）的非常快的過 程，ESD可以產生幾十Kv/m甚至更大的強電磁脈衝。靜電會吸附灰塵，改變線路間的阻抗，影響產品的功能與壽命； ESD的瞬間電場或電流產生的熱，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導體，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：
• 環境乾燥，易產生ESD；
• 不正常的操作，如：非熱插拔光模組帶電操作；不做靜電防護直接用手接觸光模組靜電敏感的管腳[t2]；運輸和存放過程中沒有防靜電包裝；
• 裝置沒有接地或者接地不良；
光收發一體光模組應用注意點
1. 光口問題
光鏈路上各處的損耗衰減都關係到傳輸的效能，因此要求：
A． 選擇符合入網標準的光纖聯結器；
B． 光纖聯結器要有封帽，不使用時蓋上封帽，避免光纖聯結器汙染而二次汙染光模組光口；封帽不使用時應放在防塵乾淨處儲存；
C． 光纖聯結器插入是水平對準光口，避免端面和套筒劃傷；
D． 光模組光口避免長時間暴露，不使用時加蓋光口塞；光口塞不使用時儲存在防塵乾淨處；
E． 光纖聯結器的端面保持清潔，避免劃傷；
2． ESD 損傷
ESD是自然界不可避免的現象，預防ESD從防止電荷積聚和讓電荷快速放電兩方面著手：
A. 保持環境的溼度30～75％RH；
B. 對光模組操作時做靜電防護工作（如：帶靜電環或將手通過預先接觸機殼等手段釋放靜電），接觸光模組殼體，避免接觸光模組PIN 腳；
C. 使用的相關裝置採用並聯接地的公共接地點接地，保證接地路徑最短，接地迴路最小，不能串聯接地，應避免採用外接電纜連線接地迴路的設計方式；
D. 包裝和週轉的時候，採用防靜電包裝和防靜電週轉箱/車；
E. 禁止對非熱插拔的裝置，進行帶電插拔的操作；
F. 避免用萬用表表筆直接檢測靜電敏感的管腳；
簡易光模組失效判斷步驟
1. 測試光功率是否在指標要求範圍之內，如果出現無光或者光功率小的現象。處理方法：
A. 檢查光功率選擇的波長和測量單位（dBm）
B. 清潔光纖聯結器端面，光模組光口。
C. 檢查光纖聯結器端面是否發黑和劃傷，光纖聯結器是否存在折斷，更換光纖聯結器做互換性試驗
D. 檢查光纖聯結器是否存在小的彎折。
E. 熱插拔光模組可以重新插拔測試。
F. 同一埠更換光模組或者同一光模組更換埠測試。
2. 光功率正常但是鏈路無法通，檢查link燈。
SFP光模組相關參考標準
INF-8074i：SFP MSA
SFF-8472：數字診斷介面協議
DWDM MSA SFP ：密集波分複用模組標準
GR-468-CORE：光器件可靠性方面的通用標準
ITU-T G.651：多模光纖標準
ITU-T G.652：單模光纖標準
21CFR 1040.10 鐳射安全等級
YD/T1352-2005：千兆乙太網行業標準