光模塊有很多各類，是我們經(jīng)常要用到的PHY層器件。雖然封裝，速率，傳輸距離有所不同，但是其內(nèi)部組成基本是一致的。下面我們以SFP光模塊為例，介紹光模塊內(nèi)部的組成和工作原理。

SFP的英文Small Form-factor Pluggable的簡寫，即小型化可插拔光模塊。SFP收發(fā)合一Transceiver因其小型化，熱插拔方便，支持SFF8472標(biāo)準(zhǔn)，模擬量讀取方便（IIC讀取），且檢測精度高（+/-2dBm以內(nèi)。

SFP光模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由下圖可見，光模塊主要部分是由光發(fā)射組件TOSA，激光驅(qū)動器，光接收組件ROSA（L16.2光模塊光接收部分使用APD接收機，還需要升壓電路），限幅放大器和控制器組成的。

SFP內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其中，驅(qū)動芯片和限幅放大器一般都支持從155Mb/s到2.67Gb/s多速率。速率不同，傳輸距離不同的光模塊有很多只是前端光組件的差別，高速率SFP光模塊BOM成本的90％都集中在光組件上。由上圖還可以看出，為了保證上電順序，SFP光模塊的金手指部分的長度是不一樣的，最長的是信號地，其次是電源，最短的是信號，這樣在插拔的時候就保證了地－電源－信號的順序。

光發(fā)射組件 TOSA（Transmiter Optical Sub-Assembly）：

常用的光發(fā)射組件由兩大類，一類是采用發(fā)光二極管LED封裝的TOSA，一類是采用半導(dǎo)體激光二極管LD封裝的TOSA。前者譜線寬，耦合效率低（雖然LED可以發(fā)出幾毫瓦的光功率，但是方向性差，能耦合到光纖中用于傳輸?shù)牟糠种徽?％－2％），但是價格低，使用壽命長，在低速短距的情況下還是有少量的運用，常用于百兆以太網(wǎng)多模光纖中短距離的數(shù)據(jù)傳輸，波長一般是1300nm。我們接觸到的光模塊一般都是采用的激光二極管。

激光器的種類

1.VCSEL激光器（垂直表面腔發(fā)射激光器）：850nm波長，用于千兆以太網(wǎng)多模光纖短距傳輸，千兆以太網(wǎng)交換機大量使用該類型的光模塊，傳輸光板不會用到，不詳細介紹；

2.FP和DFB激光器。

二者的區(qū)別在于輸出光特性的不同，F(xiàn)P激光器是多縱模激光器MLM，能夠產(chǎn)生包含有若干離散波長的光，除了中心波長的主模外，其他波長的次模也具有較高的幅度，而且主模和次模也處于動態(tài)的競爭當(dāng)中，不過頻帶范圍十分狹窄。DFB激光器是單縱模激光器SLM，主模光功率占到整個發(fā)光功率的99％以上，其他少量的次模可以忽略不計。

對于這兩種不同類型激光器的光模塊，用光譜儀測試其譜寬的時候方法是不一樣的。

FP激光器光模塊，測試其發(fā)送側(cè)的譜寬是測試RMS譜寬；

DFB激光器光模塊，測試其發(fā)送側(cè)的譜寬是測試－20dB的譜寬，而且要求測試邊模抑制比。

目前在我們所使用的光模塊中，155M，622M模塊發(fā)射波長為1310nm，采用的都是FP激光器，1550nm波長采用的是DFB激光器。2.5G除了2Km 即I-16使用FP激光器外，其他都是使用的DFB激光器。

激光二極管的諧振腔有兩個反射鏡面，它們是半透明的。它們的作用一方面構(gòu)成諧振腔保證光子在其中往復(fù)運動以激射出新的光子，另一方面有相當(dāng)一部分光子從反射鏡透射出去即發(fā)光。前鏡面透射出去的光謂之主光，通過與光纖的耦合發(fā)送光纖當(dāng)中變成有用的傳輸。而后反射鏡面幅射出去的光謂之副光又叫背向光。TOSA將此背向光轉(zhuǎn)換為背光電流，利用它可以來監(jiān)控光源器件發(fā)光功率的大小。

上圖為溫度升高情況下，激光器輸入電流和輸出光功率的變化情況。當(dāng)激光器腔中的光學(xué)增益超過腔體端反射面的損耗時，激光器就會激射出相干的光信號，臨界時激光器中的電流稱為閾值電流（Ith）。隨著溫度升高激光器腔體中的光學(xué)增益會降低，由于腔體內(nèi)光學(xué)增益降低，激光器就需要更大的注入電流來獲得相干光輸出，結(jié)果激光器的閾值電流就升高了。

由上圖可見，由于閾值電流的升高，導(dǎo)致了輸出光功率的降低，如果要保持光功率不變的話，則驅(qū)動器必須要輸出的更大的偏置電流。為了補償激光器閾值的變化，需要采用“自動功率控制（APC）”電路， APC電路監(jiān)測激光器背光電流，通過調(diào)節(jié)激光器的偏置電流來保持背光電流的穩(wěn)定。

一般來說，背光電流與平均光功率之間的比例關(guān)系是線性的，因此通過保持背光電流的穩(wěn)定，使得激光器的平均光功率保持恒定。

還是上圖，隨著溫度的升高，激光器輸入電流和輸出光功率的特性曲線的斜率會變小，也就是說激光器光電轉(zhuǎn)換的效率降低了。我們知道，消光比Er＝10×lg[P1/P0]（dB），其中，P1、P0分別代表數(shù)字邏輯信號“1”和“0”時激光器的輸出光功率，P1－P0表示調(diào)制之后光信號的幅度。假定輸出光功率不變的情況下，轉(zhuǎn)換斜率的降低，會引起輸出光信號消光比的降低，反映到眼圖上，眼圖的張開度會變小。

對于光模塊而言，在溫度變化過程中，除了要保持輸出光功率的穩(wěn)定，同時也要保持消光比的穩(wěn)定。保持消光比的穩(wěn)定就是要增加調(diào)制電流，最常用的做法是查表法，利用控制器內(nèi)部的數(shù)字可調(diào)電位器（電阻器）來保持消光比。

在數(shù)字電位器內(nèi)置有受溫度控制的電阻值表，電阻值作為溫度的函數(shù)，存儲在非易失存儲器中，溫度范圍從－45°C～＋95°C，步長為2°C。使用芯片內(nèi)集成的溫度傳感器，這種電阻的阻值就可以隨溫度的變化而自動調(diào)整。數(shù)字電位器是設(shè)置成隨溫度升高而減小電阻值，將其連接在驅(qū)動器的“調(diào)制電流設(shè)定端”，在溫度升高的過程中，控制器根據(jù)測得的溫度值查表，不斷減小電位器的電阻值，使得調(diào)制電流增大，這樣，消光比的變化將會得到補償。

保持消光比，還有一種方法就是K因子補償法，激光器的驅(qū)動器中加入“K-因子”補償特性，它是在激光器偏置電流增大的同時，按比例增大調(diào)制電流。過程如下：為保持平均光功率穩(wěn)定，偏置電流是由APC電路控制的，隨著偏置電流提高，電路提取偏置電流的一部分用以調(diào)節(jié)調(diào)制電流。

這樣，總的調(diào)制電流等于原有調(diào)制電流加上偏置電流乘以一個因子K。這個K因子可以通過驅(qū)動器芯片外接的電阻來設(shè)定，由于調(diào)制電流能隨著偏置電流增大而增大，于是當(dāng)激光器溫度發(fā)生變化或者激光器老化時，消光比能夠得到補償。

光模塊發(fā)射部分電路

上圖是一個典型的查表法的控制電路，在控制器中，H0和H1是控制器自帶的兩個數(shù)字電位器，H0用于控制調(diào)制電流，H1用于控制偏置電流。APC功能是驅(qū)動器內(nèi)部集成的，但是其補償能力在－40到85度這么寬的范圍內(nèi)往往有限，所以用H1實現(xiàn)粗調(diào)，驅(qū)動器內(nèi)的APC實現(xiàn)比較精確的自動調(diào)整。

這兩個數(shù)字電位器均使用查表法。具體的電阻值是光模塊廠商根據(jù)TOSA的特性摸索出來設(shè)定的，往往對于不同廠家或者不同批次的TOSA，都要重新修正該電阻值。另外上圖中的：

MON1用于檢測偏置電流的值；

MON2用于檢測輸出光功率；

MON3一般用于接收光功率的檢測。

這些測量的值都可以通過IIC總線讀取相應(yīng)的寄存器獲得，使用方便，精度高，絕大部分廠家能夠保證精度控制在2dBm以內(nèi)，可以有效避免目前一些單板模擬量檢測不準(zhǔn)這個問題。

從上圖也可以看出，光模塊的工作原理還是比較簡單的，除了保持穩(wěn)定的光功率和消光比之外，就是要做好驅(qū)動器到激光器之間的RC匹配（上圖沒有畫出，在經(jīng)過串行的10歐姆電阻后，一般都需要加RC電路到地），光模塊光口指標(biāo)的好壞都是由這些RC來決定的。

光接收組件ROSA（Receiver Optical Sub-Assembly）：

ROSA里面封裝了光檢測二極管和互阻放大器TIA。光檢測二極管有PIN管和APD雪崩二極管兩類。APD光二極管具有倍增效應(yīng)，能使在同樣大小光的作用下產(chǎn)生比PIN光二極管大幾十倍甚至幾百倍的光電流，相當(dāng)于起了一種光放大作用（實際上不是真正的光放大），因此能大大提高光接收機的靈敏度（比PIN光接收機提高約10dB以上），但是APD的倍增效應(yīng)會使耦合進ROSA的噪聲也會同時被放大，影響接收機的靈敏度，因此對采用APD作為接收機的光模塊需要處理好濾波等問題。

對于接收機，光功率高于過載點或者低于靈敏度，均可能會出現(xiàn)誤碼或者LOF。PIN管的過載點為－3dBm（一般能達到0dBm），APD為－9dBm（一般能達到－5dBm），對于APD接收機，因為其過載功率低，如果接收功率過大的話，可能會照成擊穿損壞。在我們使用的光模塊中，除了L16.1和L16.2使用APD接收機的光模塊外，其余都是采用PIN管接收機。

光模塊接收部分電路

Transceiver的接收側(cè)，比較簡單。對于2.5G輸出，有些廠商是CML輸出，有些廠商是LVPECL輸出，需要注意其Datasheet。

附SFP光模塊使用的參考電路：

SFP模塊決大部分廠家都采用內(nèi)部交流耦合，模塊內(nèi)部也做好了上下拉匹配，所以靠近光模塊這一側(cè)不需要加匹配。

對于MOD_DEF0（光模塊在位），MOD_DEF1（IIC Clock），MOD_DEF0（IIC Data），LOS（和SFF定義相反，高為無光輸入，低為正常。SFF 是Signal Detect，SD高表示有光信號，低表示無光信號），Tx_Fault（發(fā)送失效）都必須要在用戶側(cè)的上拉。

當(dāng)SFP檢測到異常情況引發(fā)保護關(guān)斷后，Tx_Fault變高，無光輸出，必須要用Tx_Disable信號對其進行復(fù)位。






審核編輯：劉清