光通信的一些常识

wolfmeng

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。SFF（Small Form Factor）小封装光模块采用了先进的精密光学及电路集成工艺，尺寸只有普通双工SC（1X9）型光纤收发模块的一半，在同样空间可以增加一倍的光端口数，可以增加线路端口密度，降低每端口的系统成本。又由于SFF小封装模块采用了与铜线网络类似的MT-RJ接口，大小与常见的电脑网络铜线接口相同，有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡到更高速率的光纤网络以满足网络带宽需求的急剧增长。
GBIC封装--热插拔千兆接口光模块，采用SC接口。GBIC是Giga Bitrate Interface Converter的缩写，是将千兆位电信号转换为光信号的接口器件。GBIC设计上可以为热插拔使用。GBIC是一种符合国际标准的可互换产品。采用GBIC接口设计的千兆位交换机由于互换灵活，在市场上占有较大的市场分额。
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。SFP是SMALL FORM PLUGGABLE的缩写，可以简单的理解为GBIC的升级版本。SFP模块体积比GBIC模块减少一半，可以在相同的面板上配置多出一倍以上的端口数量。SFP模块的其他功能基本和GBIC一致。有些交换机厂商称SFP模块为小型化GBIC（MINI-GBIC）
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


1.发展的方向之一：小型化
光收发模块作为光纤接入网的核心器件推动了干线光传输系统向低成本方向发展，使得光网络的配置更加完备合理。光收发模块由光电子器件、功能电路和光接口等结构件组成，光电子器件包括发射和接收两部分，发射部分包括LED、VCSEL、FP LD、DFB LD等几种光源；接收部分包括PIN型和APD型两种光探测器。

类型		工作波长　　(nm)	特点
LED	Light Emitting	850	低成本，性能一般，只能用于100M左右低速传输
FP	Fabry-Perot Laser	1310	通用，性能尚可，可用于中距离高速传输
DFB	Distribution-Feedback Leaser	1310	成本较高，能提供较高功率，用于长途传输
		1550
VCSEL	Verical Cavity Suface Emitting Laser	850	生产成本低，短距离传输，可用于高速
		1310
EML	Electro-Absorption Modulator with Laser	1310	成本很高，且需要提供较高的电压，但可传输100KM以上的距离
		1550
MZ	Mach-Zender Modulator		使用很少，工艺复杂

目前的光通信市场竞争越来越激烈，通信设备要求的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高。传统的激光器和探测器分离的光模块，已经很难适应现代通信设备的要求。为了适应通信设备对光器件的要求，光模块正向高度集成的小封装发展。高度集成的光电模块使用户无须处理高速模拟光电信号，缩短研发和生产周期，减少元气件采购种类，减少生产成本，因此也越来越受到设备制造商的青睐。

目前光收发模块中的光电器件的封装由较大尺寸的双列直插形式为主发展为以同轴封装形式为主；光接口等结构件从ST、FC发展到SC及更小尺寸的LC、MT-RJ型连接口形式，相应的光收发模块的封装形式也从金属封装发展到塑料封装，由单接口的分离模块发展到双接口的收发一体模块。管脚排列及封装由双列直插20脚、16脚分离模块发展到单排9脚(1X9)、双排9脚(2X9)以及今后的双排10脚和双排20脚的收发一体模块。SFF（Small Form Factor）小封装光模块采用了先进的精密光学及电路集成工艺，尺寸只有普通双工SC（1X9）型光纤收发模块的一半，在同样空间可以增加一倍的光端口数，可以增加线路端口密度，降低每端口的系统成本。又由于SFF小封装模块采用了与铜线网络类似的MT-RJ接口，大小与常见的电脑网络铜线接口相同，有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡到更高速率的光纤网络以满足网络带宽需求的急剧增长。
小封装光收发模块以其外观封装体积小的优势，使网络设备的光纤接口数目增加了一倍，单端口速率达到吉比特量级，能够满足INTERNET时代网络带宽需求的快速增长。可以说小封装光收发模块技术代表了新一代光通信器件的发展趋势，是下一代高速网络的基石。国外各大光模块供应商已生产了各种用于不同速率和距离的小封装光模块，国内一些光器件供应商（像上海大亚光电）也开始研发和生产各速率SFF小封装光模块。
2.发展的方向之二：低成本、低功耗
通信设备的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高，要求光电器件向低成本、低功耗的方向发展。
目前光器件一般均采用混合集成工艺和气密封装工艺，下一步的发展将是非气密的封装，需要依靠无源光耦合(非X-Y-Z方向的调整)等技术进一步提高自动化生产程度，降低成本。随着光收发模块市场需求的迅速增长，功能电路部分专用集成电路的供应商也逐渐增多，供应商在规模化、系列化方面的积极投资使得此类IC的性能越来越完善，成本也越来越低，从而缩短了光收发模块的开发周期，降低了成本。尤其是处理高速、小信号、高增益的前置放大器采用的是GaAs工艺和技术，SiGe技术的发展，使得这类芯片的成品率及制造成本得到很好的控制，同时可进一步降低功耗。另外采用非制冷激光器也进一步降低了光模块的制造成本。目前的小封装光模块也都采用低电压3.3v供电，保证了端口的增加不会提高系统的功耗。
3.发展的方向之三：高速率
人们对信息量要求越来越多，对信息传递速率要求越来越快，作为现代信息交换、处理和传输主要支柱的光通信网，一直不断向超高频、超高速和超大容量发展，传输速率越高、容量越大，传送每个信息的成本就越来越小。长途大容量方面当前的热点是10 Gbit/s 和40Gbit/s，据ElectroniCast最新的市场研究，10 Gbit/s数据通信收发模块的全球总消费量将从2001年的1.57亿美金增长到2010年的90亿美金。2001年早期使用10 Gbit/s数据通信收发器的数量不到10万个，但到2003年，10 Gbit/s数据通信收发模块将增加到200万个。在接下来的几年内仍将会猛烈增长，2005年将会达到700万个。在整个消费领域，继10-gigabit 光纤通道之后，10-gigabit以太网将会有强烈的影响。目前SDH单通道光系统正向40Gbit/s冲击。高速系统和器件方面,很多企业今年推出了40Gbit/s系统。40Gbit/s方面目前的重点产品技术是：大功率波长可调/固定激光器、 40G调制器（Inp EAM、LiNbO3EOM、Polymer EOM）、高速电路（InP、GeSi材料）、波长锁定器、低色散滤波器、动态均衡器、喇曼放大器、低色散开关、40Gbit/sPD（PIN、APD）、可调色散补偿器组件（TU-DCM），前向纠误（FEC）等。
从现阶段电路技术来说，40Gbit/s已接近“电子瓶颈”的极限。速率再高，引起的信号损耗、功率耗散、电磁辐射（干扰）和阻抗匹配等问题难以解决，即使解决，则要花费非常大的代价。
4.发展的方向之四：远距离
光收发模块的另一个发展方向是远距离。如今的光网络铺设距离越来越远，这要求远程收发器来与之匹配。典型的远程收发器信号在未经放大的条件下至少能传输100公里，其目的主要是省掉昂贵的光放大器，降低光通讯的成本。基于传输距离上的考虑，很多远程收发器都选择了1550波段(波长范围约为1530到1565nm)作为工作波段，因为光波在该范围内传输时损耗最小，而且可用的光放大器都是工作在该波段。
5.发展的方向之五：热插拔
未来的光模块必须支撑热插拔，即无需切断电源，模块即可以与设备连接或断开，由于光模块是热插拔式的，网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统，对在线用户不会造成什么影响。热插拔性也简化了总的维护工作，并使得最终用户能够更好地管理他们的收发模块。同时，由于这种热交换性能，该模块可使网络管理人员能够根据网络升级要求，对收发成本、链路距离以及所有的网络拓扑进行总体规划，而无需对系统板进行全部替换。支撑这热插拔的光模块目前有GBIC和SFP（Small Form pluggable），由于SFP与SFF的外型大小差不多，它可以直接插在电路板上，在封装上较省空间与时间，且应用面相当广，因此，其未来发展很值得期待，甚至有可能威胁到SFF的市场。


光纤是如何工作的？
通讯用光纤由外覆塑料保护层的细如毛发的玻璃丝组成。玻璃丝实质上由两部分组成：核心直径为9到62.5µm，外覆直径为125µm的低折射率的玻璃材料。 虽然按所用的材料及不同的尺寸而分还有一些其它种类的光纤，但这里提到的是最常见的那几种。光在光纤的芯层部分以“全内反射”方式进行传输，也就是指光线 进入光纤的一端后，在芯层和包层界面之间来回反射，进而传输到光纤另一端。芯径为62.5µm，包层外径为125µm的光纤称为62.5/125µm 光纤。

2. 多模和单模的区别是什么？
多模：
几乎所有的多模光纤尺寸均为50/125µm或62.5/125µm，并且带宽（光纤的信息传输量）通常为200MHz到2GHz。多模光端机通过多模光纤可进行长达5公里的传输。以发光二极管或激光器为光源。
单模：
单模光纤的尺寸为9-10/125µm，并且较之多模光纤具有无限量带宽和更低损耗的特性。而单模光端机多用于长距离传输，有时可达到150至200公里。采用LD或光谱线较窄的LED作为光源。
区别与联系：
单模光纤价格便宜，但单模设备较之同类的 多模设备却昂贵很多。单模设备通常既可在单模光纤上运行，亦可在多模光纤上运行，而多模设备只限于在多模光纤上运行。

3. 使用光缆时传输损耗如何？
这取决于传输光的波长以及所使用光纤的种类。
850nm波长用于多模光纤时: 3.0分贝/公里
1310nm波长用于多模光纤时: 1.0分贝/公里
1310nm波长用于单模光纤时: 0.4分贝/公里
1550nm波长用于单模光纤时: 0.2分贝/公里

网络连接设备接口类型
BNC接口
BNC接口是指同轴电缆接口，BNC接口用于75欧同轴电缆连接用，提供收（RX）、发（TX）两个通道，它用于非平衡信号的连接。
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、LC、FC等几种类型。对于10Base-F连接来说，连接器通常是ST类型，另一端FC连的是光纤步线架。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和GBIC，LC通常用于SFP 。
RJ-45接口
RJ-45接口是以太网最为常用的接口，RJ-45是一个常用名称，指的是由IEC（60）603-7标准化，使用由国际性的接插件标准定义的8个位置（8针）的模块化插孔或者插头。

RS-232接口
RS-232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换 接口技术标准”。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。

RJ-11接口
RJ-11接口就是大家平时所说的电话线接口。RJ-11是用于西部电子企业（Western Electric）开发的接插件的通用名称。其外形定义为6针的连接器件。原名为WExW，这里的x表示“活性”，触点或者打线针。例如， WE6W 有全部6个触点，编号1到6, WE4W 界面只使用4针，最外面的两个触点(1和6) 不用，WE2W 只使用中间两针（即电话线接口用）。


以太网交换机常用的光模块有SFP，GBIC，XFP，XENPAK。它们的英文全称，中文名不常用，可以简单了解下
SFP: Small Form-factor Pluggable transceiver ，小封装可插拔收发器
GBIC ：GigaBit Interface Converter，千兆以太网接口转换器
XFP: 10-Gigabit  small Form-factor Pluggable transceiver  万兆以太网接口小封装可插拔收发器
XENPAK:  10 Gigabit EtherNet Transceiver PAcKage万兆以太网接口收发器集合封装
通过diplay interface命令可以在App中显示光模块的端口类型信息，显示格式为
XXXX_BASE_YY[_AAAA]_ZZZ[_BBBB]，各字段含义如下表所示
字段名称
含义
取值
取值说明
XXXX
光模块支撑的最高速率
10G
10GE


1000
1000M


100
100M
YY
传输距离
SX
短距


LX
中距


LH+传输距离
长距


T
电接口
ZZZ
连接器类型
SFP
SFP接口


GBIC
GBIC接口


XENPAK
XENPAK接口


XFP
XFP接口
AAAA
接口光纤类型
MM+中心波长
多模光纤


SM+中心波长
单模光纤
BBBB
附加特性（可选）
BIDI
单纤双向模块


CWDM
CWDM 模块


STACK
堆叠模块
对于没有插入光模块的接口，显示为ZZZ_NO_CONNECTOR，其中ZZZ与上述连接器类型一致。
对于不能识别的光模块，显示为ZZZ_UNKNOWN_CONNECTOR，其中ZZZ与上述连接器类型一致。
对于无附加特性项的模块，不显示附加特性项
如：显示以太网端口GigabitEthernet2/1/1的端口信息如下
[fabric-56]display intterface g2/1/1
GigabitEthernet2/1/1 current state : UP
IP Sending Frames' Format is PKTFMT_ETHNT_2, Hardware address is 00e0-fc10-4378
Media type is optical fiber, loopback not set
Port hardware type is 1000_BASE_SX_SFP
sx表示该端口为短距1000M SFP模块
参数
含义
850nm  1310nm  1550nm
光波波长
100Mbps  1000Mbps
传输速率
10km  30km  70km
链路长度
SX  LX
激光器类型（短波  长波）
SM  MM
工作模式（单模 多模）
光纤连接器
光纤连接器由光纤和光纤两端的插头组成，插头由插针和外围的锁紧结构组成。根据不同的锁紧机制，光纤连接器可以分为FC型、SC型、LC型、ST型和MTRJ型。
FC连接器采用螺纹锁紧机构，是发明较早、使用最多的一种光纤活动连接器。
SC是一种矩形的接头，由NTT研制，不用螺纹连接，可直接插拔，与FC连接器相比具有操作空间小，使用方便。低端以太网产品非常常见。
LC是由LUCENT开发的一种Mini型的SC连接器，具有更小的体积，已广泛在系统中使用，是今后光纤活动连接器发展的一个方向。低端以太网产品非常常见。
ST连接器是由AT&T企业开发的，用卡口式锁紧机构，主要参数指标与FC和SC连接器相当，但在企业应用并不普遍，通常都用在多模器件连接，与其它厂家设备对接时使用较多。
MTRJ的插针是塑料的，通过钢针定位，随着插拔次数的增加，各配合面会发生磨损，长期稳定性不如陶瓷插针连接器。
光纤常识
光纤是传输光波的导体。光纤从光传输的模式来分可分为单模光纤和多模光纤。
在单模光纤中光传输只有一种基模模式，也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。由于完全避免了模式射散使得单模光纤的传输频带很宽因而适用与高速，长距离的光纤通迅。
在多模光纤中光传输有多个模式，由于色散或像差，这种光纤的传输性能较差，频带窄，传输速率较小，距离较短。
光纤的特性参数
光纤的结构预制的石英光纤棒拉制而成，通信用的多模光纤和单模光纤的外径都为125μm。
纤体分为两个区域：纤芯(Core)和包层(Cladding layer)。单模光纤纤芯直径为8~10μm，多模光纤纤芯径有两种标准规格，芯径分别为62.5μm（美国标准）和50μm（欧洲标准）。
大家在用户资料中经常看到对接口光纤规格有这样的描述：62.5μm/125μm多模光纤，其中62.5μm就是指光纤的芯径，125μm就是指光纤的外径。
单模光纤使用的光波长为1310nm或1550 nm。
多模光纤使用的光波长多为850 nm。
从颜色上可以区分单模光纤和多模光纤。单模光纤外体为黄色，多模光纤外体为橘红色。

千兆光口自协商
千兆光口可以工作在强制和自协商两种模式。802.3规范中千兆光口只支撑1000M速率，支撑全双工（Full）和半双工（Half）两种双工模式。
自协商和强制最根本的区别就是两者再建立物理链路时发送的码流不同，自协商模式发送的是/C/码，也就是配置（Configuration）码流，而强制模式发送的是/I/码，也就是idle码流。
千兆光口自协商过程
一、两端都设置为自协商模式
双方互相发送/C/码流，如果连续接收到3个相同的/C/码且接收到的码流和本端工作方式相匹配，则返回给对方一个带有Ack应答的/C/码，对端接收到Ack信息后，认为两者可以互通，设置端口为UP状态
二、一端设置为自协商，一端设置为强制
自协商端发送/C/码流，强制端发送/I/码流，强制端无法给对端提供本端的协商信息，也无法给对端返回Ack应答，故自协商端DOWN。但是强制端本身可以识别/C/码，认为对端是与自己相匹配的端口，所以直接设置本端端口为UP状态
三、两端均设置为强制模式
双方互相发送/I/码流，一端接收到/I/码流后，认为对端是与自己相匹配的端口，直接设置本端端口为UP状态