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光模块和光纤连接器的应用指南

内容提要: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。

一、光收发一体模块定义

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。

二、光收发一体模块分类

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

按照封装分:1×9、SFF、SFP、GBIC、XENPAK、XFP,各种封装见图1~6

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

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

GBIC封装--热插拔千兆接口光模块,采用SC接口

SFP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

XENPAK封装--应用在万兆以太网,采用SC接口

XFP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

 

 

 

 

 

 

图1、1×9封装

图2、SFF封装

图3、GBIC封装

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4、SFP封装

图5、XENPAK封装

图6、XFP封装

 

 

 

按照激光类型分:LED、VCSEL、FP LD、DFB LD

按照发射波长分:850nm、1310nm、1550nm等等

按照使用方式分:非热插拔(1×9、SFF),可热插拔(GBIC、SFP、XENPAK、XFP)

三、光纤连接器的分类和主要规格参数

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。

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);

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。

FC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。

SC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。

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。

 

 

 

 

图7、FC光纤连接器

图8、SC光纤连接器

图9、LC光纤连接器

图10、ST光纤连接器

 

 

 

 

按照光纤连接器连接头内插针端面分:PC,SPC,UPC,APC

按照光纤连接器的直径分:Φ3,Φ2, Φ0.9

光纤连接器的性能主要有光学性能、互换性能、机械性能、环境性能和寿命。其中最重要的是插入损耗和回波损耗这两个指标。针对常用的SC,ST,FC,LC连接头,指标要求如下:

模式

插入损耗(dB)

回波损耗(dB)

PC

SPC

UPC

APC

单模

≤0.3

≥45

≥50

≥55

≥60

多模

≤0.3

≥35

\

\

\[t1]

四、光模块主要参数

1、 光模块传输数率:百兆、千兆、10GE等等

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:

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

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:

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。

五、光模块功能失效重要原因

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:

1. 光口污染和损伤

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:

A.       光模块光口暴露在环境中,光口有灰尘进入而污染;

B.       使用的光纤连接器端面已经污染,光模块光口二次污染;

C.       带尾纤的光接头端面使用不当,端面划伤等;

D.       使用劣质的光纤连接器;

2. ESD损伤

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:

A.       环境干燥,易产生ESD;

B.       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;

C.       设备没有接地或者接地不良;

六、光收发一体光模块应用注意点

1. 光口问题

光链路上各处的损耗衰减都关系到传输的性能,因此要求:

A.       选择符合入网标准的光纤连接器;

B.       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;

C.       光纤连接器插入是水平对准光口,避免端面和套筒划伤;

D.       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;

E.       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;

 

 

图9将无尘棉放在桌面清洁

图10将无尘棉放在手掌上清洁

 

 

图11打开防尘盖板图示

图12清洁方法图示1

 

 

图13清洁方法图示2

 

2. ESD损伤

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:

A.       保持环境的湿度30~75%RH;

B.       划定专门的防静电区域。选用防静电的地板或工作台;

C.       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;

D.       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;

E.       包装和周转的时候,采用防静电包装和防静电周转箱/车;

F.        禁止对非热插拔的设备,进行带电插拔的操作;

G.       避免用万用表表笔直接检测静电敏感的管脚;

H.       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;

七、简易光模块失效判断步骤

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:

A.       检查光功率选择的波长和测量单位(dBm)

B.       清洁光纤连接器端面,光模块光口,方法见第五节。

C.       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

D.       检查光纤连接器是否存在小的弯折。

E.       热插拔光模块可以重新插拔测试。

F.        同一端口更换光模块或者同一光模块更换端口测试。

2.光功率正常但是链路无法通,检查link灯。

八、案例

1. 市场返回光模块失效,光功率远低于指标-3~-9.5dBm值。

分析结果:返回光模块直接测试光模块值为-19dBm,查看LD端面如右图所示:

LD端面严重污染,厂家简单清洗端面后复测光模块值为-5dBm,故障排除。清洗后端面如右所示:

2. 一款带尾纤光模块失效,失效现象是无光输出。

分析结果:

A.       连接头端面受损,端面如下所示:

B.       尾纤折断,如下所示:

3. 客户端光模块无光输出

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。

良品电镜图如下:

返回故障品电镜图如下:

九、附件--光纤端面要求