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光模块和光纤连接器

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发表于 2021-7-5 10:40 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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一、光收发一体模块定义: O1 |2 c/ H  o; G% i3 S

, O" }) S2 V7 Z+ g0 B/ L- v% Y光收发一体模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成,光电子器件包括发射和接收两部分。发射部分是: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,使输出的光信号功率保持稳定。接收部分是: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。9 s$ K2 M( m8 E, U# p& f! Y8 |( e

8 f7 k8 p7 u0 l! {- I2 b二、光收发一体模块分类# s9 V; u  P; v1 r, I! `0 g  G
* b% \' |( V! ]* p( V9 D6 S% F) v( C
按照速率分:以太网应用的100Base(百兆)、1000Base(千兆)、10GE SDH应用的155M、622M、2.5G、10G+ e1 l) _( w" |; ?  p

) \0 |/ Y' {7 @7 C! f5 F按照封装分:1×9、SFF、SFP、GBIC、XENPAK、XFP,各种封装见图1~6
- g) n6 h/ @* C' m# R/ L$ S5 z1 e/ c- y. K6 E3 T$ B
1×9封装--焊接型光模块,一般速度不高于千兆,多采用SC接口) k3 I: Y' k* D% T) Q2 b7 H
" Q; f% Q" c2 s2 w* K
SFF封装--焊接小封装光模块,一般速度不高于千兆,多采用LC接口+ p3 C1 C, h( P
2 g- n2 t" f  K  d; c; Z
GBIC封装--热插拔千兆接口光模块,采用SC接口
, l9 D( s7 B1 a% j5 T, Z& V
3 z. q& G$ \2 j  u9 J. F" ?' SSFP封装--热插拔小封装模块,目前最高数率可达4G,多采用LC接口
/ k- p+ \% N' X2 `9 Q0 N+ C0 |, X# H- l/ Y  q3 P+ V- x, P* [
XENPAK封装--应用在万兆以太网,采用SC接口
( e# X1 F& I5 i- g& |
" {2 q4 R5 ~! J6 f, u" I: R% rXFP封装--10G光模块,可用在万兆以太网,SONET等多种系统,多采用LC接口
% P- d( a4 a% c/ i( q5 M0 G9 C' A' I# g1 R& `1 s+ e( X. ^
( U" o. e& _4 M+ S' Z% T
4 [. R! @- G0 h- g
按照激光类型分:LED、VCSEL、FP LD、DFB LD  T6 Q3 c. k+ }9 b- b
按照发射波长分:850nm、1310nm、1550nm等等* f7 H; i: d0 j6 p6 P

# H9 s" B; K+ s2 g按照使用方式分:非热插拔(1×9、SFF),可热插拔(GBIC、SFP、XENPAK、XFP)$ S& ^1 i1 f5 ~& k

# f- K9 X9 W: w0 B9 \6 i三、光纤连接器的分类和主要规格参数- d% m  q# E0 p& U) Z
; i( g: w! k# q; }5 d% Z
光纤连接器是在一段光纤的两头都安装上连接头,主要作光配线使用。
, R4 @9 a* P; X, Z5 V  _& c% ~) _+ ^
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);6 Q: L2 T5 z2 A* B5 L
# b" r: d3 s" R, L0 }: c
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,见图7~10。  P: R* q6 L1 @

7 k/ Y. `2 O: j- s; k2 r% hFC型--最早由日本NTT研制。外部加强件采用金属套,紧固方式为螺丝扣。测试设备选用该种接头较多。' T( m3 j! w5 e- @9 y

- U3 d0 s/ ^$ ?6 M. USC型--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。- d1 ?  r. T! x  K$ e2 u  ?

# Q5 N1 ]* [5 t" j% h) P0 GLC型--朗讯公司设计的。套管外径为1.25mm,是通常采用的FC-SC、ST套管外径2.5mm的一半。提高连接器的应用密度。
- g- i  C! v2 m2 Q) |: e7 {
+ L2 ?0 ^/ ^' @- ?. [ / D' v/ B, g' n0 e2 m- E$ l# k# ~

# b5 l0 M: r4 a; D, M, s) x& c四、光模块主要参数
+ f  g: t0 r# r0 O. a" \5 V
" I  `6 K. k/ C% n3 ?1、 光模块传输数率:百兆、千兆、10GE等等8 j2 l5 l0 Q" Z' c( {

, e" y3 o- {& C2 |# b5 C2、 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。常见的光模块规格:. ]; I# H' q& ?2 o: A- Y
* f% u: w3 Q1 U' D  v( Y3 a3 S
传输数率 发射波段 传输使用光纤 参考传输距离 百兆 1310nm 多模 2km 百兆 1310nm 单模 15km 百兆 1310nm 单模 40km 百兆 1550nm 单模 80km 千兆 850nm 多模 550m 千兆 1310 单模/多模 10km/550m 千兆 1550 单模 70km4 `( }; d: \% m& g

) @" e' s! J2 V7 U8 D3、 10GE光模块遵循802.3ae的标准,传输的距离和选用光纤类型、光模块光性能相关。如10G-S传输距离的300m有如下条件7 {( _1 X" ?. g+ K/ [

) o. o- s" Z1 E$ d; v% ~$ [. Q & {# M7 |  j! @% P6 t
; N/ m+ M; O8 ?4 C; `0 u4 i
8 E( Y# N5 u. v) ~9 ~; ^. s; ]
4、 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。
) S- d# p+ f8 U1 f
- W+ |9 O/ @+ h7 m0 z7 ?五、光模块功能失效重要原因
& g7 V6 i9 B: v% J) B! f! J- a% ~, z& s! |
光模块功能失效分为发射端失效和接收端失效,分析具体原因,最常出现的问题集中在以下几个方面:
6 [0 }/ O3 ?+ F' u! d6 C: ^4 O+ r7 l; [* F+ D+ ^5 X9 W8 j* d$ b
1. 光口污染和损伤
3 }9 b0 a2 V3 J% L1 ?, L
3 E: P2 p4 [0 B% X0 ?# P/ p) e, p! m由于光接口的污染和损伤引起光链路损耗变大,导致光链路不通。产生的原因有:
: V) C+ Q* Q7 X# m8 Y- |6 Z7 w( [; j' h& m' y# @; Z
  • 光模块光口暴露在环境中,光口有灰尘进入而污染;
  • 使用的光纤连接器端面已经污染,光模块光口二次污染;
  • 带尾纤的光接头端面使用不当,端面划伤等;
  • 使用劣质的光纤连接器;6 \, _* l, T0 |6 ^6 k/ G

0 e% c( F# s* Y+ e0 k9 i( A' T9 j
2. ESD损伤& @" @, ]% Y$ V  A" F: ~) T

: C& J7 d- M9 O2 ^8 n9 [. YESD是ElectroStatic Discharge缩写即"静电放电",是一个上升时间可以小于1ns(10亿分之一秒)甚至几百ps(1ps=10000亿分之一秒)的非常快的过程,ESD可以产生几十Kv/m甚至更大的强电磁脉冲。静电会吸附灰尘,改变线路间的阻抗,影响产品的功能与寿命; ESD的瞬间电场或电流产生的热,使元件受伤,短期仍能工作但寿命受到影响;甚至破坏元件的绝缘或导体,使元件不能工作(完全破坏)。ESD是不可避免,除了提高电子元器件的抗ESD能力,重要的是正确使用,引起ESD损伤的因素有:6 W. I. y8 ~% ~; ~5 V
; X8 S: K4 u2 h8 d- R5 Z, ^
  • 环境干燥,易产生ESD;
  • 不正常的操作,如:非热插拔光模块带电操作;不做静电防护直接用手接触光模块静电敏感的管脚[t2];运输和存放过程中没有防静电包装;
  • 设备没有接地或者接地不良;
    , Z* K& a+ K# Z) r& Z" M3 ?
" A2 h# Z. b# p. t0 _* F( P# L  K
六、光收发一体光模块应用注意点
" r( g4 ^$ F# U# i8 T/ }2 ?7 B$ T# _: ~: `- r. |
1. 光口问题% T* L7 r' t/ I( _4 t/ a) G
# d5 x( ^6 x0 _# W7 y8 U. e
光链路上各处的损耗衰减都关系到传输的性能,因此要求:
. H! Y* Y; R8 D, C1 x' r8 j2 X; C/ S, e! Q4 t6 p( _6 R
  • 选择符合入网标准的光纤连接器;
  • 光纤连接器要有封帽,不使用时盖上封帽,避免光纤连接器污染而二次污染光模块光口;封帽不使用时应放在防尘干净处保存;
  • 光纤连接器插入是水平对准光口,避免端面和套筒划伤;
  • 光模块光口避免长时间暴露,不使用时加盖光口塞;光口塞不使用时储存在防尘干净处;清洁光模块时根据光口类型选用合适的无尘棉棒(SC使用ф2.5mm的无尘棉棒[如NTT的14100400],LC和MTRJ使用ф1.25mm的无尘棉棒[如NTT的14100401])蘸上无水酒精插入光口内部,按同一方向旋转擦拭;然后再用干燥的无尘棉棒插入器件光口,按同一方向旋转擦拭;
  • 光纤连接器的端面保持清洁,避免划伤;清洁端面时使用干燥无尘棉[如:小津产业株式会社的M-3]在手指未接触部分按如图9所示方法擦拭清洁,每次擦拭不能在同一位置;对脏污严重的接头,则将无尘棉浸无水酒精(不易过多),按相同方法进行擦拭清洁,并需更换另一干燥无尘棉按相同方法操作一次,保证接头端面干燥,再进行测试;此类清洁方法需注意擦拭长度要足够,才能保证清洁效果,并且不能在相同位置重复擦拭;此类无尘棉每张可按图示方向擦拭4次;场地不足时可将无尘棉放在手掌上,在手指未接触部分按如图10所示方法在手掌部位进行擦拭清洁,每次擦拭不能在同一位置;对脏污严重的接头,则将无尘棉浸无水酒精(不易过多),按相同方法进行擦拭清洁,并需更换另一干燥无尘棉按相同方法操作一次,保证接头端面干燥,再进行测试;此类清洁方法需注意擦拭长度要足够,才能保证清洁效果,并且不能在相同位置重复擦拭;此类无尘棉每张可按图示方向擦拭3次;也可以使用清洁器如图11~13所示;- p. s- p4 D, }! B0 o

% ^5 l- W" Q% E& W& m3 l , w2 n, g, K% ~, u

! y) ~5 H' J' E4 P. y
( a! `, P! D/ k7 R, i* h1 \$ b. s2. ESD损伤  N" {0 x1 a# k. Y0 v4 r0 |

; \) h6 ~# F* Q0 O& p* F& DESD是自然界不可避免的现象,预防ESD从防止电荷积聚和让电荷快速放电两方面着手:& `5 k4 f9 c" B5 w  k; \

/ s% {: C0 p; {/ d& N' Y
  • 保持环境的湿度30~75%RH;
  • 划定专门的防静电区域。选用防静电的地板或工作台;
  • 使用的相关设备采用并联接地的公共接地点接地,保证接地路径最短,接地回路最小,不能串联接地,应避免采用外接电缆连接接地回路的设计方式;
  • 在专门的防静电区域中操作,防静电工作区内禁止放置工作不必须的静电产生材料,如未作防静电处理的塑料袋、盒子、泡沫、带子、笔记本、纸片、个人用品等物品,这些材料必须距离静电敏感器件30厘米以上;
  • 包装和周转的时候,采用防静电包装和防静电周转箱/车;
  • 禁止对非热插拔的设备,进行带电插拔的操作;
  • 避免用万用表表笔直接检测静电敏感的管脚;
  • 对光模块操作时做静电防护工作(如:带静电环或将手通过预先接触机壳等手段释放静电),接触光模块壳体,避免接触光模块PIN脚;- y4 g, H' @5 A5 F2 H1 |; G
( A; r  N2 J9 X# C1 ?! u1 p# m
七、简易光模块失效判断步骤
& o$ A6 J6 j7 B# p, N( }/ i: m0 W( V; o: S" C/ X
1.测试光功率是否在指标要求范围之内,如果出现无光或者光功率小的现象。处理方法:
% o8 K: l% n1 {, |, `; O
0 K9 K  a4 x# p* R) ]' w4 A9 E
  • 检查光功率选择的波长和测量单位(dBm)
  • 清洁光纤连接器端面,光模块光口,方法见第五节。
  • 检查光纤连接器端面是否发黑和划伤,光纤连接器是否存在折断,更换光纤连接器做互换性试验
  • 检查光纤连接器是否存在小的弯折。
  • 热插拔光模块可以重新插拔测试。
  • 同一端口更换光模块或者同一光模块更换端口测试。' V3 H6 K3 t1 C

$ t3 }6 z* h% _2 d2.光功率正常但是链路无法通,检查link灯。) p) _! e# ^( p, c' [

# u" u( [! b' Q- K0 y : H! k8 I" G, c- w5 |) A
& M; I4 y/ w" i. N/ w  W( e
) O* Y8 k3 I1 i* V8 T5 T
3. 客户端光模块无光输出% r6 f6 |1 I: g2 Q
7 k  W! \, e; r+ w  o2 w8 T: T" W( T
分析结果:故障品返回后故障复现,定位LD不发光。分解LD,其内部芯片电镜图分析为ESD和EOS导致故障。  r4 e& l4 w  C5 Q
3 ~8 Z- i/ p6 p  O

5 o! q# |- U# C4 G7 k! o
: Q7 t! `' E2 s( M
0 c# a  Y/ D- @  F九、附件--光纤端面要求( `+ L) j' a. A

  [& h/ `' o: z0 L. z* i+ P
) J7 [1 E3 B# U3 o
/ i3 f/ u" A3 l3 ~' B: ?) T

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