光模块是实现光信号与电信号之间的转换与再生的功能实体:它一方面将电信号转换成光信号,并以合适的接口将光信号输入到光纤中;另一方面接受光纤中的光信号,并将光信号转换成电信号。
光模块主要由光发射组件、光接收组件、驱动控制电路以及封装接口组成。
光发射组件是完成电信号到光信号转换的核心器件,其内部包含激光器芯片,以及为激光器芯片提供光路耦合、散热、电连接、机械气密保护功能的透镜,隔离器,管壳,热沉等零部件;光接收组件是实现光信号到电信号转换的关键器件,其内部包含探测器芯片、跨阻放大芯片,以及为它们提供光路耦合、电连接、机械机密保护的零部件。
驱动控制电路包含驱动发射组件的Driver电路,处理接收组件电信号的TIA/LA电路,完成数字信号恢复/处理的CDR/DSP芯片,以及控制各芯片与通信的MCU电路,为各芯片供电的电源芯片。
封装接口主要包含机械接口、软件与诊断接口、电接口等。机械接口主要定义了光模块外壳尺寸(主要是定位尺寸)、笼子/散热器尺寸,模块锁定与解锁,光接口等;软件与诊断接口规定了模块内置寄存器的各存储位的信息,这些信息记录了模块厂家信息,模块属性,模块工作参数,模块监控上报信息;电接口规定了模块的引脚排布,引脚插入先后次序。电接口包含高速电接口与低速电接口,其中高速电接口是发射与接收高速数据信息的引脚,标准中规定了模块高速电接口差分/共模电压幅度,S参数要求;低速电接口定义了模块供电电压,各控制引脚的定义与电平属性。
光模块命名基本遵从PMD属性+封装类型原则
PMD即物理介质相关层,它定义了模块光接口处的光学指标,包含工作波长,速率、发射光功率,接收灵敏度,传输距离……标准化的PMD层(即使封装接口不同)确保了不同公司生产的光模块可以互通;
部分PON的PMD指标
部分4x25G 发射端PMD指标
部分局域网单波25/50/100G的PMD指标
注:表中数据更新于2016~2018年;某些数据有多种取值范围(比如灵敏度)此表未体现
封装类型(决定了机械接口、软件与诊断接口、电接口)即我们常说的SFP、XFP、QSFP、CFP2等。标准化的封装接口确保了不同厂家生产的模块(即使PMD层不同)可以使用同一电接口、插入同一笼子,被相同的上位机软件识别。
注:表中数据更新于2017~2018年;数据为典型值,以尺寸为例,标准中对模块定位尺寸有强制要求,对模块的外部尺寸无强制要求,所以最终模块尺寸不一定是表中的数值
PMD和封装接口可以相互组合,形成不同类型的模块,例如100G LR4既可以使用QSFP28封装,也可以使用CFP封装;又如同样是QSFP封装,可以用于100G CWDM4,也可以用于100G ER4。
光模块命名基本都是封装接口+PMD属性,明白了这一规则,任何听过/没听过的光模块都很好懂了。如400G FR4 QSFP-DD模块,指采用QSFP-DD封装,PMD符合400G FR4标准的光模块;又如XGS-PON SFP+模块,指采用SFP+封装,PMD符合XGS-PON标准的光模块。想进一步了解模块指标参数,只用查阅相应的PMD标注和封装接口标准就行了(这些标准基本都可免费下载)。
只要光模块的封装接口和PMD指标符合同一标准,它们就是同一类模块。至于模块内部的发射组件、接收组件采用何种封装技术、驱动控制电路采用何种设计,都可以由模块厂家自己决定。
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