光模塊內部的組成和工作原理

光模塊有很多各類，是我們經常要用到的PHY層器件。雖然封裝，速率，傳輸距離有所不同，但是其內部組成基本是一致的。下面我們以SFP光模塊為例，介紹光模塊內部的組成和工作原理。

SFP的英文Small Form-factor Pluggable的簡寫，即小型化可插拔光模塊。SFP收發合一Transceiver因其小型化，熱插拔方便，支持SFF8472標準，模擬量讀取方便（IIC讀?。?，且檢測精度高（+/-2dBm以內。

SFP光模塊的內部結構

由下圖可見，光模塊主要部分是由光發射組件TOSA，激光驅動器，光接收組件ROSA（L16.2光模塊光接收部分使用APD接收機，還需要升壓電路），限幅放大器和控制器組成的。

SFP內部結構圖

其中，驅動芯片和限幅放大器一般都支持從155Mb/s到2.67Gb/s多速率。速率不同，傳輸距離不同的光模塊有很多只是前端光組件的差別，高速率SFP光模塊BOM成本的90％都集中在光組件上。由上圖還可以看出，為了保證上電順序，SFP光模塊的金手指部分的長度是不一樣的，最長的是信號地，其次是電源，最短的是信號，這樣在插拔的時候就保證了地－電源－信號的順序。

光發射組件 TOSA（Transmiter Optical Sub-Assembly）：

常用的光發射組件由兩大類，一類是采用發光二極管LED封裝的TOSA，一類是采用半導體激光二極管LD封裝的TOSA。前者譜線寬，耦合效率低（雖然LED可以發出幾毫瓦的光功率，但是方向性差，能耦合到光纖中用于傳輸的部分只占1％－2％），但是價格低，使用壽命長，在低速短距的情況下還是有少量的運用，常用于百兆以太網多模光纖中短距離的數據傳輸，波長一般是1300nm。我們接觸到的光模塊一般都是采用的激光二極管。

激光器的種類

1.VCSEL激光器（垂直表面腔發射激光器）：850nm波長，用于千兆以太網多模光纖短距傳輸，千兆以太網交換機大量使用該類型的光模塊，傳輸光板不會用到，不詳細介紹；

2.FP和DFB激光器。

二者的區別在于輸出光特性的不同，FP激光器是多縱模激光器MLM，能夠產生包含有若干離散波長的光，除了中心波長的主模外，其他波長的次模也具有較高的幅度，而且主模和次模也處于動態的競爭當中，不過頻帶范圍十分狹窄。DFB激光器是單縱模激光器SLM，主模光功率占到整個發光功率的99％以上，其他少量的次?？梢院雎圆挥?。

對于這兩種不同類型激光器的光模塊，用光譜儀測試其譜寬的時候方法是不一樣的。

FP激光器光模塊，測試其發送側的譜寬是測試RMS譜寬；

DFB激光器光模塊，測試其發送側的譜寬是測試－20dB的譜寬，而且要求測試邊模抑制比。

目前在我們所使用的光模塊中，155M，622M模塊發射波長為1310nm，采用的都是FP激光器，1550nm波長采用的是DFB激光器。2.5G除了2Km 即I-16使用FP激光器外，其他都是使用的DFB激光器。

激光二極管的諧振腔有兩個反射鏡面，它們是半透明的。它們的作用一方面構成諧振腔保證光子在其中往復運動以激射出新的光子，另一方面有相當一部分光子從反射鏡透射出去即發光。前鏡面透射出去的光謂之主光，通過與光纖的耦合發送光纖當中變成有用的傳輸。而后反射鏡面幅射出去的光謂之副光又叫背向光。TOSA將此背向光轉換為背光電流，利用它可以來監控光源器件發光功率的大小。

上圖為溫度升高情況下，激光器輸入電流和輸出光功率的變化情況。當激光器腔中的光學增益超過腔體端反射面的損耗時，激光器就會激射出相干的光信號，臨界時激光器中的電流稱為閾值電流（Ith）。隨著溫度升高激光器腔體中的光學增益會降低，由于腔體內光學增益降低，激光器就需要更大的注入電流來獲得相干光輸出，結果激光器的閾值電流就升高了。

由上圖可見，由于閾值電流的升高，導致了輸出光功率的降低，如果要保持光功率不變的話，則驅動器必須要輸出的更大的偏置電流。為了補償激光器閾值的變化，需要采用“自動功率控制（APC）”電路， APC電路監測激光器背光電流，通過調節激光器的偏置電流來保持背光電流的穩定。

一般來說，背光電流與平均光功率之間的比例關系是線性的，因此通過保持背光電流的穩定，使得激光器的平均光功率保持恒定。

還是上圖，隨著溫度的升高，激光器輸入電流和輸出光功率的特性曲線的斜率會變小，也就是說激光器光電轉換的效率降低了。我們知道，消光比Er＝10×lg[P1/P0]（dB），其中，P1、P0分別代表數字邏輯信號“1”和“0”時激光器的輸出光功率，P1－P0表示調制之后光信號的幅度。假定輸出光功率不變的情況下，轉換斜率的降低，會引起輸出光信號消光比的降低，反映到眼圖上，眼圖的張開度會變小。

對于光模塊而言，在溫度變化過程中，除了要保持輸出光功率的穩定，同時也要保持消光比的穩定。保持消光比的穩定就是要增加調制電流，最常用的做法是查表法，利用控制器內部的數字可調電位器（電阻器）來保持消光比。

在數字電位器內置有受溫度控制的電阻值表，電阻值作為溫度的函數，存儲在非易失存儲器中，溫度范圍從－45°C～＋95°C，步長為2°C。使用芯片內集成的溫度傳感器，這種電阻的阻值就可以隨溫度的變化而自動調整。數字電位器是設置成隨溫度升高而減小電阻值，將其連接在驅動器的“調制電流設定端”，在溫度升高的過程中，控制器根據測得的溫度值查表，不斷減小電位器的電阻值，使得調制電流增大，這樣，消光比的變化將會得到補償。

保持消光比，還有一種方法就是K因子補償法，激光器的驅動器中加入“K-因子”補償特性，它是在激光器偏置電流增大的同時，按比例增大調制電流。過程如下：為保持平均光功率穩定，偏置電流是由APC電路控制的，隨著偏置電流提高，電路提取偏置電流的一部分用以調節調制電流。

這樣，總的調制電流等于原有調制電流加上偏置電流乘以一個因子K。這個K因子可以通過驅動器芯片外接的電阻來設定，由于調制電流能隨著偏置電流增大而增大，于是當激光器溫度發生變化或者激光器老化時，消光比能夠得到補償。

光模塊發射部分電路

上圖是一個典型的查表法的控制電路，在控制器中，H0和H1是控制器自帶的兩個數字電位器，H0用于控制調制電流，H1用于控制偏置電流。APC功能是驅動器內部集成的，但是其補償能力在－40到85度這么寬的范圍內往往有限，所以用H1實現粗調，驅動器內的APC實現比較精確的自動調整。

這兩個數字電位器均使用查表法。具體的電阻值是光模塊廠商根據TOSA的特性摸索出來設定的，往往對于不同廠家或者不同批次的TOSA，都要重新修正該電阻值。另外上圖中的：

MON1用于檢測偏置電流的值；

MON2用于檢測輸出光功率；

MON3一般用于接收光功率的檢測。

這些測量的值都可以通過IIC總線讀取相應的寄存器獲得，使用方便，精度高，絕大部分廠家能夠保證精度控制在2dBm以內，可以有效避免目前一些單板模擬量檢測不準這個問題。

從上圖也可以看出，光模塊的工作原理還是比較簡單的，除了保持穩定的光功率和消光比之外，就是要做好驅動器到激光器之間的RC匹配（上圖沒有畫出，在經過串行的10歐姆電阻后，一般都需要加RC電路到地），光模塊光口指標的好壞都是由這些RC來決定的。

光接收組件ROSA（Receiver Optical Sub-Assembly）：

ROSA里面封裝了光檢測二極管和互阻放大器TIA。光檢測二極管有PIN管和APD雪崩二極管兩類。APD光二極管具有倍增效應，能使在同樣大小光的作用下產生比PIN光二極管大幾十倍甚至幾百倍的光電流，相當于起了一種光放大作用（實際上不是真正的光放大），因此能大大提高光接收機的靈敏度（比PIN光接收機提高約10dB以上），但是APD的倍增效應會使耦合進ROSA的噪聲也會同時被放大，影響接收機的靈敏度，因此對采用APD作為接收機的光模塊需要處理好濾波等問題。

對于接收機，光功率高于過載點或者低于靈敏度，均可能會出現誤碼或者LOF。PIN管的過載點為－3dBm（一般能達到0dBm），APD為－9dBm（一般能達到－5dBm），對于APD接收機，因為其過載功率低，如果接收功率過大的話，可能會照成擊穿損壞。在我們使用的光模塊中，除了L16.1和L16.2使用APD接收機的光模塊外，其余都是采用PIN管接收機。

光模塊接收部分電路

Transceiver的接收側，比較簡單。對于2.5G輸出，有些廠商是CML輸出，有些廠商是LVPECL輸出，需要注意其Datasheet。

附SFP光模塊使用的參考電路：

SFP模塊決大部分廠家都采用內部交流耦合，模塊內部也做好了上下拉匹配，所以靠近光模塊這一側不需要加匹配。

對于MOD_DEF0（光模塊在位），MOD_DEF1（IIC Clock），MOD_DEF0（IIC Data），LOS（和SFF定義相反，高為無光輸入，低為正常。SFF 是Signal Detect，SD高表示有光信號，低表示無光信號），Tx_Fault（發送失效）都必須要在用戶側的上拉。

當SFP檢測到異常情況引發保護關斷后，Tx_Fault變高，無光輸出，必須要用Tx_Disable信號對其進行復位。






審核編輯：劉清