1、光模塊基礎知識培訓硬件光纖通信的優點光纖通信的優點n 通信容量大通信容量大n中繼距離長中繼距離長n 不受電磁干擾不受電磁干擾n資源豐富資源豐富n 光纖重量輕、體積小光纖重量輕、體積小光纖通信發展史光纖通信發展史n19661966年年“光纖之父光纖之父”高錕博士首次提出光纖通信的想法。高錕博士首次提出光纖通信的想法。n19701970年貝爾研究所林嚴雄在室溫下可連續工作的半導體激光器。年貝爾研究所林嚴雄在室溫下可連續工作的半導體激光器。n19701970年康寧公司的卡普隆年康寧公司的卡普隆(Kapron) (Kapron) 之作出損耗為之作出損耗為20dB/km20dB/km光纖。光纖。n197

2、71977年芝加哥第一條年芝加哥第一條45Mb/s45Mb/s的商用線路。的商用線路。電磁波譜電磁波譜1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長波長10G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f (Hz)1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm光通信使用范圍光通信使用范圍紅外線紅外線紫外線紫外線光的基本知識光的基本知識n 光是一種電磁波光是一種電磁波n可見光可見光 350nm750nmn 光纖通信所用的波長光纖通信所用的波長 800nm1600nmn 光的反射、折射光的反

3、射、折射n 全反射全反射光的基本知識光的基本知識n1n2n1 n2n1n2臨界角臨界角900臨界角臨界角n1n2全反射全反射入射角入射角=反射角反射角12典型的數字光纖通信系統方框圖典型的數字光纖通信系統方框圖 光纖通信用光器件光纖通信用光器件n 發光二極管（發光二極管（LED）n 激光二極管（激光二極管（LD） VECSEL FP DFB MQWLED優缺點優缺點GaAsAl材料材料 ，非閾值器件。，非閾值器件。 優點：優點：n 線性度好線性度好 n 溫度特性好溫度特性好 n 價格低、壽命長、使用簡單價格低、壽命長、使用簡單 缺點：缺點：n 譜線較寬譜線較寬 （30-100nm）n 與光纖的

4、耦合效率低與光纖的耦合效率低 （光纖耦合效率一般僅有（光纖耦合效率一般僅有12，最多不超過最多不超過10%） 激光二極管激光二極管LDn LD發光機理發光機理 LD 的發光機理是受激發光，即利用的發光機理是受激發光，即利用LD 中的諧振腔發生振蕩而激發出許許多中的諧振腔發生振蕩而激發出許許多多的頻率相同的光子，從而形成激光。多的頻率相同的光子，從而形成激光。 用半導體工藝技術在用半導體工藝技術在PN結兩側加工出兩個相互平行的反射鏡面，這兩個反射結兩側加工出兩個相互平行的反射鏡面，這兩個反射鏡面與原來的兩個解理面（晶體的天然晶面）構成了諧振腔結構。當在鏡面與原來的兩個解理面（晶體的天然晶面）構成

5、了諧振腔結構。當在LD兩兩端加上正偏置電壓時，象端加上正偏置電壓時，象LED 一樣在一樣在PN 結區域內因電子與空穴的復合而釋結區域內因電子與空穴的復合而釋放光子。而其中的一部分光子沿著和反射鏡面相垂直的方向運動時，會受到放光子。而其中的一部分光子沿著和反射鏡面相垂直的方向運動時，會受到反射鏡面的反射作用在諧振腔內往復運動。只要外加正偏置電流足夠大，光反射鏡面的反射作用在諧振腔內往復運動。只要外加正偏置電流足夠大，光子的往復運動會激射出更多的、與之頻率相同的光子，即發生振蕩現象，從子的往復運動會激射出更多的、與之頻率相同的光子，即發生振蕩現象，從而發出激光。此之所謂受激發光。而發出激光。此之所

6、謂受激發光。LD優缺點優缺點優點：優點：n 發光譜線窄發光譜線窄 （1-5nm）n 與光纖的耦合效率高與光纖的耦合效率高 n 閾值器件閾值器件 缺點：缺點：n 溫度特性的較差溫度特性的較差 n 線性度較差線性度較差 n 工作壽命較短工作壽命較短 LD調制方式調制方式兩種調制方式：兩種調制方式：n 外調制外調制 光信號（無調制信號）光信號（無調制信號） 調制信號調制信號 調制的光信號調制的光信號n 內調制內調制 調制信號調制信號 LD工作電流工作電流 調制的光信號調制的光信號IPPavgP0P1Imodm = (P1 - P0) / (P1 + P0)m =I(Iavg - Ith) I = (

7、Imod) / 2IavgIthLD的溫度特性的溫度特性n LD是半導體器件，它的特性與二極管是半導體器件，它的特性與二極管類似類似n 溫度升高，閾值電流溫度升高，閾值電流Ith增大，斜效率增大，斜效率S降低降低 n 為了保持輸出平均光功率和消光比不為了保持輸出平均光功率和消光比不變，在溫度上升時要增大變，在溫度上升時要增大IBIAS和和IMOD 消光比消光比 ER = 10*log(P1 / P0) 平均光功率平均光功率PAVG = (P1 + P0) / 2LD的溫度特性的溫度特性常用光功率自動控制電路常用光功率自動控制電路VCCImpdIbVCCVCCn 通過檢測背光二極管(MD)產生的

8、光電流(平均值)來實現閉環控制。n APC調節偏置電流來保持平均輸出光功率穩定；APC只對偏置電流回路起作用。n APC對調制電流無法控制，溫度升高，斜效率降低，調制幅度變小，APC卻使偏流加大，消光比就變小了。穩定光功率和消光比的方法穩定光功率和消光比的方法n 閉環自動功率控制（閉環自動功率控制（APC）+ 補償調制電流（熱敏電阻或補償調制電流（熱敏電阻或MCU查表）查表）n 開環補償法開環補償法熱敏電阻補償熱敏電阻補償(調制電流和偏置電流調制電流和偏置電流)通過通過MCU查表精確設置調制電流和偏置電流查表精確設置調制電流和偏置電流n K因子補償法因子補償法 “K-因子因子”補償，是在激光器

9、偏置電流增大的同時，按比例增大調制電流。補償，是在激光器偏置電流增大的同時，按比例增大調制電流。 LD和驅動芯片接口要求和驅動芯片接口要求nTO型激光器安裝在型激光器安裝在PCB邊沿時，接地層要擴展到邊沿時，接地層要擴展到PCB邊沿以減少管腳引線電感，過大的電感邊沿以減少管腳引線電感，過大的電感會使波形邊沿速度變慢。會使波形邊沿速度變慢。n激光器要盡可能靠近驅動器芯片，只要接線長度小于傳輸波長，可以不考慮傳輸線的幾激光器要盡可能靠近驅動器芯片，只要接線長度小于傳輸波長，可以不考慮傳輸線的幾何尺寸，減少線寬有利于減小寄生電容。何尺寸，減少線寬有利于減小寄生電容。n要仔細考慮高速信號電流環路，盡量

10、減小返回路徑的連接阻抗，并使高速電流環路閉合面積最要仔細考慮高速信號電流環路，盡量減小返回路徑的連接阻抗，并使高速電流環路閉合面積最小，就能減少小，就能減少EMI。n在激光器陽極處在激光器陽極處Vcc要有足夠的旁路電容，以降低高速電流切換而產生的電源開關噪聲。要有足夠的旁路電容，以降低高速電流切換而產生的電源開關噪聲。數字系統中常用參數定義數字系統中常用參數定義10%90%50%脈沖寬度脈沖寬度上升時間上升時間下降時間下降時間周期周期振幅振幅數字系統中常用參數定義數字系統中常用參數定義n 振幅：脈沖的高度在光纖系統中表示光功率能量。振幅：脈沖的高度在光纖系統中表示光功率能量。n 上升時間：脈沖

11、從最大振幅的上升時間：脈沖從最大振幅的10%上升到上升到90%所需要的時間。所需要的時間。n 下降時間：脈沖從振幅的下降時間：脈沖從振幅的90%下降到下降到10%所需要的時間。所需要的時間。n 脈沖寬度：脈沖在脈沖寬度：脈沖在50%振幅位置的寬度，用時間表示。振幅位置的寬度，用時間表示。n 周期：脈沖特定的時間，就是完成一個循環所需要的工作時間。周期：脈沖特定的時間，就是完成一個循環所需要的工作時間。n 消光比：消光比：1信號光功率于信號光功率于0信號光功率的比值。信號光功率的比值。光纖的結構光纖的結構纖芯纖芯包層包層保護套保護套光纖的尺寸光纖的尺寸外徑：一般為外徑：一般為125um （一根頭發平均（一根頭發平均100um）內徑：內徑： 單模單模9um OS1 多模多模50/62.5um OM1 第一代多模光纖第一代多模光纖 62.5um OM2 第二代多模光纖第二代多模光纖 50um OM3 萬兆多模光纖萬兆多模光纖 50um12595012562.5125常用連接器類型常用連接器類型SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack常用連接器類型常用連接