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          光模塊的工作原理

          作者:網絡工程發布時間:2020-12-01

          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,是實現光信號傳輸過程中光電轉換和電光轉換功能的光電子器件。

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

          發送接口輸入一定碼率的電信號,經過內部的驅動芯片處理后由驅動半導體激光器(LD)或者發光二極管(LED)發射出相應速率的調制光信號,通過光纖傳輸后,接收接口再把光信號由光探測二極管轉換成電信號,并經過前置放大器后輸出相應碼率的電信號。

          圖1-1 光模塊工作原理圖

          光模塊的外觀結構

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

          圖1-2 光模塊的外觀結構(以SFP封裝舉例說明)
          表1-1 光模塊各個結構的說明

          結構

          說明

          1.防塵帽

          保護光纖接頭、光纖適配器、光模塊的光接口以及其他設備的端口不受外部環境污染和外力損壞。

          2.裙片

          用于保證光模塊和設備光接口之間良好的搭接,只在SFP封裝的光模塊上存在。

          3.標簽

          用于標識光模塊的關鍵參數及廠家信息等。

          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

          保護內部元器件,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.發送接口(Tx)

          光纖發送接口。

          8.拉手扣

          用于拔插光模塊,且為了辨認方便,不同波段所對應的拉手扣的顏色也是不一樣的。


          光模塊有哪些關鍵性能指標

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

          光模塊發送端

          • 平均發射光功率

            平均發射光功率是指光模塊在正常工作條件下發射端光源輸出的光功率,可以理解為光的強度。發射光功率和所發送的數據信號中“1”占的比例相關,“1”越多,光功率也越大。當發送機發送偽隨機序列信號時,“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

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

            在發射光譜中,連接50℅最大幅度值線段的中點所對應的波長。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,即中心波長(如850nm),這個參數一般會是一個范圍。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光纖損耗有關。通過不斷研究實驗,人們發現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,光探測器在強光照射下會出現光電流飽和現象,當出現此現象后,探測器需要一定的時間恢復,此時接收靈敏度下降,接收到的信號有可能出現誤判而造成誤碼現象。簡單的說,輸入光功率超過的了這個過載光功率,可能就會對設備造成損害,在使用操作中應盡量避免強光照射,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。如果發射光功率指的發送端的光強度,那么接收靈敏度指的就是光模塊可以探測到的光強度。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,就是當接收光功率小于接收靈敏度,可能無法正常接收信號,因為光功率太弱了。當接收光功率大于過載光功率時,可能也無法正常接收信號,因為存在誤碼現象。

          綜合性能指標

          • 接口速率

            光器件所能承載的無誤碼傳輸的最大電信號速率,以太網標準規定的有:125Mbit/s、1.25Gbit/s、10.3125Gbit/s、41.25Gbit/s。

          • 傳輸距離

            光模塊可傳輸的距離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,由于介質的吸收散射以及泄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接收端,導致脈沖展寬,進而無法分辨信號值。

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

          CloudEngine系列交換機通過display interface transceiver verbose命令可以查看指定接口光模塊的常規、制造、告警以及診斷信息,如表 display interface transceiver verbose命令輸出信息描述所示。

          表1-2 display interface transceiver verbose命令輸出信息描述

          項目

          描述

          Common information

          表示光模塊的常規信息。

          Transceiver Type

          表示光模塊類型。

          Connector Type

          表示接口類型。

          Wavelength (nm)

          表示光波波長。

          Transfer Distance (m)

          表示光波傳輸距離。50um/125um表示光纖的直徑,OM2表示光纖的等級。

          Digital Diagnostic Monitoring

          表示光模塊診斷信息是否監控。

          Vendor Name

          表示光模塊制造廠商名稱。

          如果顯示內容為“HUAWEI”,表示是經過華為數據中心交換機認證的光模塊;其他的顯示內容表示是非華為數據中心交換機認證光模塊。

          Vendor Part Number

          表示光模塊制造廠商編號。

          Ordering Name

          表示光模塊對外型號。

          Manufacture information

          表示光模塊制造信息。

          Manu. Serial Number

          表示光模塊生產序列號。

          Manufacturing Date

          表示光模塊生產日期。

          Alarm information

          表示光模塊告警信息。

          Diagnostic information

          表示光模塊診斷信息。

          如果顯示為“-”,則表示該光模塊不支持獲取此信息或信息不精確。

          Temperature (Celsius)

          表示光模塊當前溫度。

          Voltage(V)

          表示光模塊當前電壓。

          Bias Current (mA)

          表示光模塊當前電流。說明:

          如果接口支持拆分,當接口插入光模塊后,會顯示光模塊中每條Lane的當前電流。

          每條lane的當前電流值均應在Bias Low Threshold (mA)~Bias High Threshold (mA)范圍內才能保證模塊正常工作。

          Bias High Threshold (mA)

          表示光模塊電流上限。

          Bias Low Threshold (mA)

          表示光模塊電流下限。

          Current RX Power (dBm)

          表示當前光模塊接收功率。

          說明:

          如果接口支持拆分,當接口插入光模塊后,會顯示光模塊中每條Lane的當前接收功率。

          Default RX Power High Threshold (dBm)

          表示默認光模塊接收功率上限。

          Default RX Power Low Threshold (dBm)

          表示默認光模塊接收功率下限。

          Current TX Power (dBm)

          表示當前光模塊發送功率。

          說明:

          如果接口支持拆分,當接口插入光模塊后,會顯示光模塊中每條Lane的當前發送功率。

          Default TX Power High Threshold (dBm)

          表示默認光模塊發送功率上限。

          Default TX Power Low Threshold (dBm)

          表示默認光模塊發送功率下限。

          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,結構越復雜,由此產生了不同的封裝方式。華為交換機適用的封裝類型有:QSFP-DD、QSFP28、QSFP+、SFP28、SFP/eSFP、SFP+、CXP、CFP等。

          封裝類型

          基本解釋

          外觀圖

          SFP/eSFP光模塊

          告诉我深不深舒不舒服