光模块和光纤连接器的应用指南.docx
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光模块和光纤连接器的应用指南
光模块和光纤连接器的应用指南
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)、10GESDH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1~61×9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,目前很高数率可达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、FPLD、DFBLD
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——很早由日本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。
其中很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:
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/km1310nm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
百兆
850nm
多模
550km
百兆
1310
单模/多模
10km/550m
百兆
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很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,很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ElectroStaticDischarge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;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,保证接地路径很短,接地回路很小,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端面如下图所示:
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。
清洗后端面如下所示:
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:
九、附件——光纤端面要求
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- 模块 光纤 连接器 应用 指南