弱电工程中光模块知识大全「物理知识大全」

时间：2022-12-11 18:59:07来源：搜狐

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任何一个光模块都是有收发两部分功能，进行光电转换和电光转换，这样在网络的两端设备上都离不开光模块。现在一个数据中心中的设备往往以万计，要想实现这些设备的互联，光模块不可或缺。如今，光模块已经成为数据中心的一个细分市场。

光模块分类

按封装：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。

按波长：常规波长、CWDM、DWDM等。

按模式：单模光纤（黄色）、多模光纤（橘红色）。

按使用性：热插拔（GBIC、 SFP、XFP、XENPAK）和非热插拔（1*9、SFF）。

封装形式光模块基本原理

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。

光模块的主要参数

1. 传输速率

传输速率指每秒传输比特数，单位Mb/s 或Gb/s。主要速率：百兆、千兆、2.5G、4.25G和万兆。

2.传输距离

光模块的传输距离分为短距、中距和长距三种。一般认为2km 及以下的为短距离，10～20km 的为中距离，30km、40km 及以上的为长距离。

■光模块的传输距离受到限制，主要是因为光信号在光纤中传输时会有一定的损耗和色散。

注意：

· 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。

· 因此，用户需要根据自己的实际组网情况选择合适的光模块，以满足不同的传输距离要求。

3.中心波长

· 中心波长指光信号传输所使用的光波段。目前常用的光模块的中心波长主要有三种：850nm 波段、1310nm 波段以及1550nm 波段。

·850nm 波段：多用于≤2km短距离传输

·1310nm 和1550nm 波段：多用于中长距离传输，2km以上的传输。

光纤类型

1. 光纤模式（Fiber Mode）

按光在光纤中的传输模式可将光纤分为单模光纤和多模光纤两种。

多模光纤(MMF，Multi Mode Fiber)，纤芯较粗，可传多种模式的光。但其模间色散较大，且随传输距离的增加模间色散情况会逐渐加重。多模光纤的传输距离还与其传输速率、芯径、模式带宽有关，具体关系请参见下表。

单模光纤(SMF，Single Mode Fiber)，纤芯较细，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯。

2. 光纤的端面与直径

· 按照光纤连接器连接头内插针端面分：PC，SPC，UPC，APC

· 按照光纤连接器的直径分：Φ3，Φ2, Φ0.9

3. 光纤接口连接器类型

接口连接器用于连接可插拔模块及相应的传输媒质。光纤连接器是光纤通信系统中不可缺少的无源器件，它的使用使得光通道间的可拆式连接成为可能，既方便了光系统的调测与维护，又使光系统的转接调度更加灵活。

按照光纤的类型分：

单模光纤连接器（一般为G.652 纤：光纤内径9um，外径125um）；

多模光纤连接器（一种是G.651 纤其内径50um，外径125um；另一种是内径62.5um，外径125um）；

按照光纤连接器的连接头形式分：FC，SC，ST，LC，MU，MTRJ 等等，目前常用的有FC，SC，ST，LC

SC（Subscriber Connector Standard Connector，标准光纤连接器），由日本NTT公司开发的模塑插拔耦合式连接器。其外壳采用模塑工艺，用铸模玻璃纤维塑料制成，呈矩形；插针由精密陶瓷制成，耦合套筒为金属开缝套管结构。紧固方式采用插拔销式，不需要旋转。外观图如下所示：

注意：为了保护光纤连接器的清洁，请务必保证在未连接光纤时盖上防尘帽。

接口指标

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。

公式： P(dBm)=10Log(P/1mW)

光功率衰减一半，降低3dB，0dBm的光功率对应1mW使用光功率计测量。针对PON产品，由于其ONU端采用的是突发模式，因此需使用专用的光功率计进行测量，串接在线路中，可以即时给出当前上行和下行的光功率。

接收灵敏度

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。

考虑到光纤老化或其他不可预见因素导致的链路损耗增大，最佳接收光功率范围控制在接收灵敏度以上2-3dB?至过载点以下2-3dB，即上图中的白色区域。

受压灵敏度

受压灵敏度指输入信号在附加了抖动和垂直眼闭（vertical eye closure）劣化条件后测得的灵敏度值，单位：dBm。此概念仅针对于10G 接口模块（XENPAK 模块及XFP 模块）。

光模块发射光功率和接收灵敏度

发射光功率指发射端的光强，接收灵敏度指可以探测到的光强度。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。

饱和光功率值

指光模块接收端最大可以探测到的光功率，一般为‐3dBm。当接收光功率大于饱和光功率的时候同样会导致误码产生。因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

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。注意对于长距光模块，由于其平均输出光功率一般大于其最大输入光功率（即光饱和度），因此请用户使用时关注光纤使用长度，以保证到达光模块的实际接收光功率小于其光饱和度，否则有可能造成光模块的损坏。

光模块的选择

随着光模块的广泛，越来越多的客户开始关注模块本身稳定性和可靠性的特点。现在市场上流行的光模块一共有三种：原装光模块、二手光模块和兼容光模块。

众所周知，原装光模块的价格非常高，许多厂商只能望而却步。而至于二手光模块，虽然其价格比较低，但是质量却得不到保证，经常在使用半年后就会出现丢包的现象。因此，许多厂商纷纷把视线转向了兼容光模块。的确，兼容光模块在使用中，其性能与原装光模块几乎无二，而在价格上更比原装光模块便宜好几倍，这也是兼容光模块能大热的原因。

但是，市场上的商品良莠不齐，许多商家又以次充好、鱼目混珠，对光模块的选取造成了一定的难度，下面就纤细谈谈光模块的选择：

第一，我们如何分辨新的光模块和二手光模块呢？

上面我们提到了，二手光模块经常会在使用半年后出现丢包的情况，这是因为它光功率不稳和光灵敏度下降等原因造成的。如果我们有光功率计的话，可以拿出来测一测，看看其的光功率是否与数据手册上的参数一致。如果出入太大，则为二手光模块。

第二，观察光模块售后的使用情况。

一个正常的光模块的使用寿命为5年，在第一年中基本很难看出光模块的好坏，但是在其使用的第二年或第三年就可以看出来了。

第三，看光模块与设备之间的兼容性如何。

消费者在购买前，需和供应商进行沟通，告知其需要使用在哪个品牌的设备上。

第四，我们还要看光模块的温度适应能力怎么样。

光模块本身在工作时产生的温度并不高，但是它一般的工作环境都是在机房或是在交换机上，温度过高或者过低都会影响其光功率、光灵敏度等参数。一般情况下所使用的光模块温度范围在0~70°C即可，如果在极冷或者极热的环境，则需使用工业级-40~85°C的光模块。

光模块的使用技巧

如果在使用的过程中，发现光模块功能失效，先不要着急，要细心检查，分析具体原因。一般光模块功能失效主要有两种，分别为发射端失效和接收端失效。

最常见的原因主要有以下几个方面：