用于宽带接入网的光模块工作原理

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1、用于宽带接入网的光模块工作原理光通事业部：李远谋2009-9-01内容摘要光模块在光通信设备中的作用光发射组件和光发射模块基本原理光接收组件和光接收模块基本原理单纤双向(收发一体)光模块基本原理用于PON的突发式光模块光模块发展趋势光模块常见失效模式光模块在通信设备中的作用光模块的作用：完成光电转换和电光转换信号通过光模块实现传输媒体的转换(光纤←→铜线)光发射模块光发射模块是由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成右图是光发射模块的示意图光发射器件(FP-LD、DFB-LD)法布里-帕罗型激光二极管(FP-LD)和分布反馈激光二极管(DFB-LD)是

2、光通信设备中最常用的半导体光发射器件,与其他激光器相比,LD具有体积小、重量轻、低功率驱动、输出光功率大、调制方便、寿命长和易于集成等一系列优点,这两种LD是目前在接入网光模块只用得最多的光发射器件激光二极管的特性激光二极管（LD—Laserdiode）是一个电流器件，只在它通过的正向电流超过阈值电流Ith（Threholdcurrent）时它发出激光为了使LD高速开关工作，必须对它加上略大于阈值电流的直流偏置电流IBIASLD的两个主要参数：阈值电流Ith和斜效率S（Slopeefficiency）是温度的函数，且具有较大的离散性LD的温度特性LD是半导体器件，它的特性与半导体二极管

3、类似温度升高阈值电流Ith增大斜效率S降低为了保持输出平均光功率和消光比不变,在温度上升时要增大IBIAS和IMOD光发射组件(TOSA)光发射组件是光发射模块的主要部件,其中光源(半导体发光二极管或激光二极管)是核心将LD芯片和监测光电二极管(MD)加上其他元件封装在一个紧密结构中(TO同轴封装或蝶形封装),就构成光发射组件(TOSA)激光二极管驱动电路驱动电路实质上就是一个高速电流开关驱动电路原理电路LD调制电流输出电路原理图LD直流耦合接口电路原理图激光器驱动电路原理图驱动电路结构一个典型的激光器驱动电路包括下列部分：差分电流开关电路—向LD输出调制电流偏置电流发生器—向LD

4、提供直流偏置电流自动功率控制(APC)电路—在不同温度和LD老化的情况下,改变IBIAS,保持PAVG不变故障告警、保护电路调制电流、偏置电流监控电路输入端整形电路(D触发器)光眼图将光发射模块输出的(NRZ码)光信号送入取样示波器,就可以观察到光信号波形的“眼图”光脉冲信号的质量都可以在光眼图上观察到光脉冲波形的上升时间、下降时间、过冲和下冲应加以控制,以免降低接收灵敏度光脉冲形状特性由眼图模板给出,眼图模板在光通信系统的标准中都已做了具体的规定眼图模板右图是EPON上行IEEE802.3ah2004规定的眼图模板下图是GPON上行G.984.2规定的的眼图模板{0.22UI,0.3

5、75UI,0.20UI,0.20UI,0.30UI}光眼图实例光接收模块光接收模块的作用是把经过传输后的微弱光信号转换为电信号,并放大、整形恢复为原输入的电信号；光接收模块的原理框图如下光接收器件光接收器件是利用光电效应把通信中光信号转换为电信号的光电检测器光纤通信中常用的光电检测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)PIN的响应度通常为0.65～0.97A/W(λ=0.9～1.7μm)APD是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度光电检测器,它可以使接收灵敏度提高6～10dB前置(跨阻)放大器经光电探测器产生的微弱信号电流,由前置放大器转换成有足够幅度的信号电压输出为适应

6、高速率应用,前置放大器由跨阻放大器(TIA—TranimpedanceAmplifier)构成跨阻放大器就是一个I-V变换器TIA中还有AGC功能电路，以保证足够的信号动态范围跨阻放大器原理图光接收组件(ROSA)在高速率光模块中,通常都是将PIN(或者APD)光电二极管TIA组装在一个密封的金属外壳内,这就构成了光接收组件(ROSA)限幅放大器TIA输出的是模拟信号,要把它转换成数字信号才能被信号处理电路识别限幅放大器起的作用就是把TIA输出的幅度不同的信号处理成等幅的数字信号限幅放大器LimitingAmplifier主放大器PostAmplifier量化器Quantizer限幅放

7、大器工作原理和典型电路限幅放大器主要由三部分组成：直流耦合多级放大器直流漂移补偿(自动调零)电路光功率检测告警电路(有滞回的比较器)接收灵敏度接收灵敏度指光接收机满足指定比特误码率(如10-10或10-12)时可接收的最小平均光功率(dBm)这是光接收机的重要指标之一噪声是限制接收灵敏度的最主要因素右图就是误码率和信噪比的关系曲线只要知道了TIA的等效输入噪声电流,应用此曲线就可推算出接收灵敏度影响灵敏度的因素信号噪声比(SNR)光信号的