光模块和光纤连接器的应用指南

一、 光收发一体模块定义................................................................................. - 1 - 二、 光收发一体模块分类................................................................................. - 1 - 三、 光纤连接器的分类和主要规格参数......................................................... - 2 - 四、 光模块主要参数......................................................................................... - 4 - 五、 光模块功能失效重要原因......................................................................... - 5 - 六、 光收发一体光模块应用注意点................................................................. - 6 - 七、 简易光模块失效判断步骤......................................................................... - 9 - 八、 案例............................................................................................................. - 9 - 九、 附件——光纤端面要求........................................................................... - 11 - 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 - 2 - 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）， - 3 - 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，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 - 4 - 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： 回波损耗(dB) 模式 插入损耗(dB) PC SPC UPC APC 单模 ≤0.3 ≥45 ≥50 ≥55 ≥60 多模 ≤0.3 ≥35 \ \ \ 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：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： - 5 - 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；运输和存放过程中没有防静电包装； - 6 - 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； - 7 - 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 - 8 - 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； - 9 - 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： - 10 - 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： - 11 - 返回故障品电镜图如下： 九、 附件——光纤端面要求 - 12 -