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）、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，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，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 各种光纤接口类型介绍 2007年09月20日 星期四 上午 08:59 各种光纤接口类型介绍 光纤接头 FC 圆型带螺纹(配线架上用的最多) ST 卡接式圆型 SC 卡接式方型(路由器交换机上用的最多) PC 微球面研磨抛光 APC 呈8度角并做微球面研磨抛光 MT-RJ 方型,一头双纤收发一体( 华为8850上有用) 光纤模块:一般都支持热插拔, GBIC Giga Bitrate Interface Converter, 使用的光纤接口多为SC或ST型 SFP 小型封装GBIC,使用的光纤为LC型 使用的光纤: 单模: L ,波长1310 单模长距LH 波长1310,1550 多模:SM 波长850 SX/LH表示可以使用单模或多模光纤 -------------------------------------------------------------------------------- 　　在表示尾纤接头的标注中，我们常能见到“FC/PC”，“SC/PC”等，其含义如下 “/”前面部分表示尾纤的连接器型号 　“SC”接头是标准方型接头，采用工程塑料，具有耐高温，不容易氧化优点。传输设备侧光接口一般用SC接头 “LC”接头与SC接头形状相似，较SC接头小一些。 “FC”接头是金属接头，一般在ODF侧采用，金属接头的可插拔次数比塑料要多。 在表示尾纤接头的标注中，我们常能见到“FC/PC”，“SC/PC”等，其含义如下 [!21ki@][@21ki!] “/”前面部分表示尾纤的连接器型号 [!21ki@][@21ki!] “SC”接头是标准方型接头，采用工程塑料，具有耐高温，不容易氧化优点。传输设备侧光接口一般用SC接头 “LC”接头与SC接头形状相似，较SC接头小一些。 [!21ki@][@21ki!] “FC”接头是金属接头，一般在ODF侧采用，金属接头的可插拔次数比塑料要 [!21ki@][@21ki!] 连接器的品种信号较多，除了上面介绍的三种外，还有MTRJ、ST、MU等.[!21ki@][@21ki!] “/”后面表明光纤接头截面工艺，即研磨方式。 [!21ki@][@21ki!] “PC”在电信运营商的设备中应用得最为广泛，其接头截面是平的。 “SC”表示尾纤接头型号为SC接头，业界传输设备侧光接口一般用用SC接头，SC接头是工程塑料的，具有耐高温，不容易氧化优点； ODF侧光接口一般用FC接头，FC是金属接头，但ODF不会有高温问题，同时金属接头的可插拔次数比塑料要多，维护ODF尾纤比光板尾纤要多。其它常见的接头型号为：ST、DIN 、FDDI。[!21ki@][@21ki!] “PC”表示光纤接头截面工艺，PC是最普遍的。在广电和早期的CATV中应用较多的是APC型号。尾纤头采用了带倾角的端面，斜度一般看不出来，可以改善电视信号的质量，主要原因是电视信号是模拟光调制，当接头耦合面是垂直的时候，反射光沿原路径返回。由于光纤折射率分布的不均匀会再度返回耦合面，此时虽然能量很小但由于模拟信号是无法彻底消除噪声的，所以相当于在原来的清晰信号上叠加了一个带时延的微弱信号。表现在画面上就是重影。尾纤头带倾角可使反射光不沿原路径返回。一般 数字信号一般不存在此问题。[!21ki@][@21ki!] 还有一种“UPC”的工艺，它的衰耗比PC要小，一般有特殊需求的设备其珐琅盘一般为FC/UPC。国外厂家ODF架内部跳纤用的就是FC/UPC，提高ODF设备自身的指标。 光纤接口 光纤接口是用来连接光纤线缆的物理接口。通常有SC、ST、FC等几种类型，它们由日本NTT公司开发。FC是Ferrule Connector的缩写，其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。ST接口通常用于10Base-F，SC接口通常用于100Base-FX。 光纤从内部可传导光波的不同，分为单模（传导长波长的激光）和多模（传导短波长的激光）两种。单模光缆的连接距离可达10公里，多模光缆的连接距离要短的多，是300米或500米（主要看激光的不同，产生短波长激光的光源一般有两种，一种是62.5的，一种是50的） 另外，光缆的接头部分也有两种，一种SC接口为1GB接口还有一种为LC接口为2GB接口。 连接器的品种信号较多，除了上面介绍的三种外，还有MTRJ、ST、MU等，具体的外观参见下图 此主题相关图片如下： 　　“/”后面表明光纤接头截面工艺，即研磨方式。 　　“PC”在电信运营商的设备中应用得最为广泛，其接头截面是平的。 “UPC”的衰耗比“PC”要小，一般用于有特殊需求的设备，一些国外厂家ODF架内部跳纤用的就是FC/UPC，主要是为提高ODF设备自身的指标。 另外，在广电和早期的CATV中应用较多的是“APC”型号，其尾纤头采用了带倾角的端面，可以改善电视信号的质量，主要原因是电视信号是模拟光调制，当接头耦合面是垂直的时候，反射光沿原路径返回。由于光纤折射率分布的不均匀会再度返回耦合面，此时虽然能量很小但由于模拟信号是无法彻底消除噪声的，所以相当于在原来的清晰信号上叠加了一个带时延的微弱信号，表现在画面上就是重影。尾纤头带倾角可使反射光不沿原路径返回。一般数字信号一般不存在此问题。 ------------------------------------- FC是Ferrule Connector的缩写，表明其外部加强件是采用金属套，紧固方式为螺丝扣 PC是Physical Connection的缩写，表明其对接端面是物理接触，即端面呈凸面拱型结构。 SC（F04）型光纤连接器：模塑插拔耦合式单模光纤连接器。其外壳采用模塑工艺，用铸模玻璃纤维塑料制成，呈矩型；插头套管（也称插针）由精密陶瓷制成，耦合套筒为金属开缝套管结构，其结构尺寸与FC型相同，端面处理采用PC或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。此类连接器价格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。 接口连接光纤 1GEF/ 2GEF是1/2端口1000Base-SX/1000Base-LX以太网光接口卡的简称，其中GE（Gigabit Ethernet）是千兆以太网的英文缩写，F为Fiber，表示光接口。1GEF/ 2GEF主要用于完成路由器与局域网的通信。 1GEF/ 2GEF支持功能如下： 提供5种类型的1000Base-SX/1000Base-LX SFP可插拔光接口模块，包括短距多模（850nm）光接口模块、中距单模（1310nm）光接口模块、长距单模（1310nm）光接口模块、长距单模（1550nm）光接口模块、超长距离单模（1550nm）光接口模块，用户可根据自己的需要选购。 接口工作在1000Mbps速率下。 支持全双工工作方式。 GEF接口模块按照端口数量区分，用于AR 28系列路由器和AR 46系列路由器各有2种模块，如下表： 模块型号 描述 RT-1GEF (用于AR 28系列路由器) RT-FIC-1GEF（用于AR 46系列路由器） 1端口1000M以太网光接口模块 RT-2GEF (用于AR 28系列路由器) RT-FIC-2GEF（用于AR 46系列路由器） 2端口1000M以太网光接口模块 使用方法 1GEF/ 2GEF主要用于完成路由器与局域网的通信，即在局域网内部，核心路由器通过千兆光接口与核心交换机的千兆光接口相连，实现局域网内部的高速连接。 对于1GEF/ 2GEF，用户可根据所选用的1000Base-SX/1000 Base-LX SFP可插拔光接口模块的类型来选择相应的光纤。这几种光接口模块的光接口均为LC型光纤连接器，故要求用户使用带有LC型光纤连接器的光纤。 图4 LC型光纤连接器外观 &  说明： LC型光纤连接器为朗讯公司开发的一种小型光纤连接器，采用推拔按钮式安装。 光纤为选配，用户在购买接口卡时必须要预先指明选配的SFP接口模块，否则不予提供相应的光纤。 接口光纤的连接   注意： 连接光纤时，应注意如下事项： l      不允许过度弯折光纤，其曲率半径应不小于10cm； l      保证接口的Tx与Rx端连接正确； l      保证光纤端面处的清洁度。 传输工程经常要用到光跳线、光尾纤、适配器等，[!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] 常见的是FC（俗称圆头）、SC（俗称方头）和LC。[!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] FC型又分为FC/FC和FC/PC(APC)型，前一个FC 是Ferrule Connector 的缩写，表明其外部加强件是采用金属套，紧固方式为螺丝扣；后面的FC 表明接头的对接方式为平面对接，PC 是Physical Connection 的缩写，表明其对接端面是物理接触，即端面呈凸面拱型结构，APC和PC类似，但采用了特殊的研磨方式，PC是球面，APC是斜8度球面，指标要比PC好些。目前电信网常用的是FC/PC型，FC/APC多用于有线电视系统。一般写成FC或PC均是指FC/PC光连接器。[!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] SC型其外壳采用模塑工艺，用铸模玻璃纤维塑料制成，呈矩型；插头套管（也称插针）由精密陶瓷制成，耦合套筒为金属开缝套管结构，其结构尺寸与FC 型相同，端面处理采用PC 或APC 型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转头。常用于在数据工程中使用。一般SC型均指SC/PC。[!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] LC光纤连接器采用模块化插孔(RJ)机理制成。其所采用的插针和套桶的尺寸是普通SC，FC等尺寸的一半。LC常见于通信设备的高密度的光接口板上。[!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] 各种光连接器与之对应的适配器，也称法兰盘，用在ODF架上，供光纤连接。FC/PC和SC法兰盘一般价格在10-15元/个左右。[!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] FC/PC型光纤跳纤（非正规叫法是双头尾纤），英文名为PATCH CORD即两头带光纤连接器的软光纤，用于设备至ODF架的连接以及ODF架之间的跳接。光跳线颜色为黄色，表示单模跳纤。 [!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] MTRJ-SC型光纤跳纤， 光跳线颜色为橙色，表示多模跳纤。[!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] 另外，还有用于光缆成端的尾纤，英文名为PIGTAIL CORD，一端与光缆熔接，一端固定在ODF上。在生产中，为了便于测试，均生产为跳纤，即两头均有光纤连接器，施工时，从中间剪断，一根跳纤即成了两根尾纤。[!21ki LC光纤接头是小方头的光纤连接器，用于华为设备的OSN3500和OSN9500的八光口板: