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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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+ \, m2 E, G8 S一、光收发一体模块定义! V& k7 v" @8 T7 A1 F/ h
& h, N, A6 [1 n0 ?. r- R7 l. @* s
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。! q" Y& f% ]. \+ h

% V/ Q; |  K& N6 O1 D3 S) F0 Z二、光收发一体模块分类% @$ H4 C8 k8 ?# I

( @1 R1 B- \+ s) t7 }: N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、10G7 s+ x: I4 O0 ?, V+ R( T

) H9 {8 i1 p% E按照封装分:1×9、SFF、SFP、GBIC、XENPAK、XFP,各种封装见图1~6- A8 P& q8 o7 B. [% [; [
  T# e0 A; a0 P7 ?. {- t
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: D$ h3 Q& _2 w
) `$ T2 ~* E$ a6 _& S
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
" Y- C3 \/ H6 a. N% q, }' G) t8 o" K- E* O7 I, y9 J3 d
GBIC封装--热插拔千兆接口光模块,采用SC接口
/ b1 g5 X9 S; z! U) Z$ n
. L) {0 M  [: QSFP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3 @( I4 ]) O( \/ g0 M8 u

1 w% U& A+ q! p3 W' D3 z. dXENPAK封装--应用在万兆以太网,采用SC接口
* L% n( p; W6 M/ e
4 T' \! G2 Y4 U) iXFP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
. ?! W$ ^, W0 L& Y  t6 S0 {9 |
4 J. f. d6 I# B! j* E2 ^0 d3 N' u ; y+ N# x$ D3 v7 t  ]8 D

% n' m' X9 ^; b$ G+ f5 f& v/ P/ M按照激光类型分:LED、VCSEL、FP LD、DFB LD
$ A# B: i2 g3 A  l% q$ q6 x! j按照发射波长分:850nm、1310nm、1550nm等等
" i6 I# p: R. a& M8 o
) G1 Y6 P/ G2 {* i& x3 _按照使用方式分:非热插拔(1×9、SFF),可热插拔(GBIC、SFP、XENPAK、XFP)* `* E- U; c7 h6 @

* g0 M, R2 f" J* G三、光纤连接器的分类和主要规格参数
: M+ ?( D3 y6 ~, W2 H2 M/ ~* X+ c, H
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。
7 O8 ^8 x$ o3 P& ^7 R
' |" [8 w( S# H: P- B% R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);+ Q' x( Q, G$ A4 q! O7 i2 [

0 G, j& |. V" ]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。, F- S* m1 _+ T" Y/ O: ~

, N/ A+ u% h( S4 n) W% _% F9 F+ PFC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。1 {, u0 h% v! V! t0 V2 w

. O- z$ G1 n5 Q( H( W; i" W* JSC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。7 z! L6 x# Z5 z$ e1 J
- y: T- Y/ P6 y% N
LC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。' [" n) S! s; q( I

' E# P3 y; o5 j3 l% [, E
! k: B. l( k4 b+ j! t& e5 F% y/ m& p' }$ e' s3 w
四、光模块主要参数
7 t/ M' D1 _0 M7 f) l2 j
( M! b3 s9 o7 T- r* J6 @, O! i' E1、 光模块传输数率:百兆、千兆、10GE等等  S/ d$ p9 [: P) E
3 `# c6 H* ]/ O7 W! ?- o' f6 x
2、 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:  C5 T: a% _7 e9 B0 H

- ~, E+ K- p& N( p) V1 M! Q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 70km
. n( x' M+ h+ r" _8 q' j, j& r2 Q; c& g; B/ T
3、 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
* s; o4 O- A+ Y" P6 {/ X; P/ _0 }9 I5 l- V% O: d+ o9 Z* [6 k" _6 E

7 J1 O/ H8 Z, ^  K9 g% y: D2 r
! V* `* d+ v  [/ }' ?$ [7 t, q
; N8 ^' ]7 c& J9 Q/ F4、 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。& t& W( r, d4 p. M
5 t- ]2 Z; g2 t( V' g5 L5 s
五、光模块功能失效重要原因" W) f5 q8 J! c" `& w
1 X/ ]2 z! z: w/ x2 X/ `
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:
, [- r4 f; Q0 k0 o5 ~# X' V( Y
* z1 Z  |/ J8 E! y4 g1. 光口污染和损伤
1 E, D* ^$ d0 X; L9 _. {, |4 N+ S( z; s
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:3 O9 a/ q% P1 U; x; [' h9 ?" P* K

" P6 z5 ^; N) W1 b  m$ h* z2 M; G
  • 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;
    ( ?4 y0 g) A' h9 C4 V
- z  L4 m0 f# `8 a* }/ b( M' t

: M1 J: T% F+ R9 ]) c; V2. ESD损伤
  G- Q$ L4 M( n; n. G( e2 E# ^/ v2 V* M" ?, d  x
ESD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:
' s) n6 }7 C9 |5 y5 w: `" j+ L8 n7 d- h! |( w
  • 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;/ S  \; V0 z: I" M
0 d8 a" v- |, Z& S: h& [. W
六、光收发一体光模块应用注意点5 n) u( I$ S% ]! p7 L

; g- r) ~# c( t- i. J4 q1 g( l3 Q1. 光口问题
# H4 k. Y- \) U" h
3 `4 z+ o2 d4 x- j  \  K2 B光链路上各处的损耗衰减都关系到传输的性能,因此要求:
: f3 E* H& \6 P& H1 C  I6 ]: ]% B% u0 m+ S) v
  • 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;% P0 X9 ]* ?4 f$ _

7 v2 u: v, n9 [: x
3 g3 o, Y$ X7 j$ D  g+ m, ^, V. s
' e5 e. i6 b! @& ?& a  g
7 j  A+ W2 B( }/ x% `+ q2. ESD损伤' M( [" O/ D, M& n5 v4 d

) z3 P+ G  F) G. \ESD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:. H9 P4 U( i$ I6 l7 r7 o

4 m1 ^3 F, [$ 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;5 O+ d: @  s: Y1 ~( ^

2 k4 A9 a% o- F, C七、简易光模块失效判断步骤
% t. a! E9 C# k9 G8 S% h1 \& p! x. u& i) k+ j' D5 {
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:) B7 x' t% u% `: w
. U& k1 p5 o# V# |. B% k
  • 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。
    ! b! g0 h6 t. Q: ]9 I- ]9 ^  ]
; Z1 j# j6 }/ b* L
2.光功率正常但是链路无法通,检查link灯。
5 J( V. G$ G6 Z. E+ U+ B- S* M# e
! w. p7 c' m8 w! `3 |" @
+ S1 j3 h6 d# a0 c) E: {& A8 U) j- Q& @$ S# E% Z2 H5 k$ d
  R" P5 i. H, o0 _4 S+ t
3. 客户端光模块无光输出, S9 F! ], Y9 u7 k/ I
( y5 c+ A. \+ k' Y/ v  m
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。9 ~- h" M4 [# X

/ j" q2 x) p2 u 8 q1 @/ [8 n: V% e9 @2 ^; _, i8 l6 b

5 _4 X) T( f; P  K6 k
( X; ]  U- c1 \$ r  x九、附件--光纤端面要求
0 H& S1 [7 w) D
& p0 i/ s0 I* {6 \9 @
5 q+ ^' a& ]: S3 P. Y" K 2 Y' W# a2 P' |- U7 W

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