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：

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：

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[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：

返回故障品电镜图如下：

九、           附件——光纤端面要求