一文带你了解光模块产品中的激光器
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四、光模块激光器不同应用五、总结作为20世纪最重要的发明之一，激光器在各行各业发挥了日益重要的作用。和自然的普通光源不同，激光是一种相干光，即具有频率相同、振动方向相同、相位相同（或者说相位相差保持恒定）的特性；而现在的光通信系统，很大程度上就依赖高质量的激光光源。本文主要为大家介绍和光模块产品相关的激光器种类及其优缺点的对比，并结合具体产品和使用场景给大家加深理解。
一、光模块激光器
光模块使用的激光器主要是VCSEL（垂直腔面发射激光器）、FP（Fabry-perot法布里-珀罗激光器）、DFB（分布式布拉格反馈式激光器）、可调谐激光器等几种激光器。
1、FP激光器FP（Fabry-perot）激光器是以FP腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。FP激光器主要用于低速率短距离传输，比如传输距离一般在20公里以内，速率一般在1.25G以内，FP的分两种波长，1310nm/1550nm。
2、DFB激光器DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一个纵模输出。DFB(DistributedFeedbackLaser)一般也用2种波长1310nm、1550nm，分为制冷和无制冷，主要用于高速中长距离传输，传输距离一般在40公里以上。
3、VCSEL激光器VCSEL激光器的优点是体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等等，目前与多模光纤的耦合效率可达90%,广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。在相同的输出功率下，它比DFB激光器和FP激光器的效率更高。相比FP激光器和DFB激光器，制造和调整准直VCSEL都比较容易，这样就能够生产低成本基于VCSEL的收发器。
二、光模块VCSEL、FP与DFB激光器的区别以及优点
VCSEL具有完美的光速质量、小的发散角和圆对称光分布使其与光纤的耦合效率较高，
其与多模光纤的耦合效率可大于90%。其较小的有源体积，使其产生的激光的阈值电流较低。
极短的谐振腔长度，使得纵模间距变大，易于实现纵模激光运转。具有垂直于衬底表面光出射方向，易于通过高密度集成实现高功率激光输出。高的传输速率和调制频率，也有利于高速光纤网络传输通信。
VCSEl在传感器应用方面也展现出优异的性能，相比于早期3D摄像头系统使用的LED红外源，结构更加简单、提交更小、功耗更低、距离检测更加精确。
VCSEL激光器是面发射激光器，多横模单纵模输出。其结构如图所示。
我们可以看到VCSEL激光器的光束方向是由下而上的。
FP激光器的性能参数：
1）工作波长：激光器发出光谱的中心波长。
2）光谱宽度：多纵模激光器的均方根谱宽。
3）阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。
4）输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
DFB激光器的性能参数：
1）工作波长：激光器发出光谱的中心波长。
2）边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。
3）-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。
4）阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。
5）输出光功率：激光器输出端口发出的光功率.
其中FP激光器和DFB激光器都属于边发射激光器，单横模输出。
FP结构的激光器通过两侧反射镜作光反馈，DFB通过光栅作光反馈。
FP无需刻蚀光栅，工艺简单，但谐振腔只能选择特定波长，谱宽较宽，属于多纵模激光器。
DFB激光器需要刻蚀光栅，工艺复杂，谐振腔选择单一波长，谱宽窄，边模抑制比高，属于单纵模激光器。
总结一下：
多模光模块使用VCSEL激光器，工作波长为850nm；
单模光模块使用FP或者DFB激光器，工作于1310nm和1550nm的波长，色散小，传输距离远。
这里的多模是“多横模”的缩写——光纤系统的单模多模是指光纤中光的横向模式；而FP激光器既可以用于单模又可用于多模，此处的“模”是指激光器的纵模，可以通过波长的调节来完成。
三、激光器的调制方式
说完了这三种光模块中的常见激光器以及模式，还有一个很重要的概念就是激光器的调制。光模块里的调制方式主要分为直接调制（DML）和电吸收调制（EML），主要应用于DFB激光器。
DML的原理是通过调制激光器的注入电流来实现信号调制，由于注入电流的大小会改变激光器有源区的折射率，造成波长漂移（啁啾）从而产生色散，从而限制了传输距离；另外DML的宽带有限，并且调制电流大时激光器容易饱和，难以实现较高的消光比，增加了系统误码率。
在改善传统激光器的封装形式及高频性能的情况下，采用倒装焊新工艺和以可调硅FP滤波器为代表的混合集成技术，DML将有希望实现10km以上单路50G波特率的传输。
EML一般带制冷器，是由利用量子限制Stark效应（QCSE）工作的EAM电吸收调制器和利用内光栅耦合确定波长的DFB激光器集成的小体积、低波长啁啾的高性能光通信通用光源。EML的波长啁啾低，信号传输质量高，易实现高传输速率，但是价格昂贵、耗电量大。
数据中心光模块的特点是价格低和功耗低，不过当前非制冷的EML已经问世，部分解决了成本和功耗的问题。EML可以延伸至高速率的2km应用领域，比如易飞扬即将推出的200GQSFP56FR4PAM42km光模块。
简单总结一下就是：在高速率的10G、25G以上的链路中，DML应用在2km到10km左右的距离场景；而10km到40km的场景大都使用EML。
DML适用于数据中心场景，
EML适用于电信级长距离场景。
四、光模块激光器不同应用
VCSEL激光器应用
（1）消费电子3D成像：VCSEL是消费电子视觉成像、三维感应的基础元器件，预计2020年，仅智能手机为VCSEL市场贡献超过20亿美元的收入。
（2）物联网：VCSEL是物联网的重要传感器件，预计2025年，全球将有数十亿设备接入物联网，全球物联网市场有望超过30万亿美元。
（3）数据中心/云计算：VCSEL用于数据中心，预计2020年，全球VCSEL数据通讯的市场规模将达到100亿美元。
（4）自动驾驶：VCSEL应用于自动驾驶中的车身通讯、传感器等，预计到2030年，激光雷达的使用数量将超过3亿枚。
DFB激光器应用通讯是DFB的主要应用，如1310nm，1550nmDFB激光器的应用，主要介绍非通讯波段DFB激光器的应用。
FB激光器应用
FP激光器是以FP腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。这类器件的特点；输出光功率大、发散角较小、光谱较窄、调制速率高，适合于较长距离通信。
五、总结光模块根据不同场景的选择和使用是完全不同的，其中最主要的就是根据传输距离选择激光器类型和调制方式，希望这篇图文能让大家对光模块选型背后的原因做一个较为深层和全面的了解。易飞扬（Gigalight）拥有业界少见的全面光模块产线，种类丰富多样，完全有能力按客户的不同需求定制产品，若想了解更多相关的信息，可访问我们官网www.gigalight.com或者询问我们的销售人员。
光模块基础知识详解
近年来，随着数据中心间互联及内部交换机连接增加，对光模块的需求不断增加。2015年IDC光模块市场增速约为50%，到2019年IDC光模块销量将超过5000万只。未来4K视频、虚拟现实等技术带来流量增速不断超出预期，网络建设及系统升级对光模块的需求日益加大。
那么什么是光模块？我们为什么要用光模块以及如何使用光模块呢？让我们跟随易飞扬的介绍去了解吧。
什么是光模块？
光模块（opticalmodule）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。发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。
在业内说的光模块，特指可热插拔的小型封装光模块，就是用在设备端口上的、可以在运行时进行热插拔的光模块，主要用来将设备（一般指的是交换机或者路由器设备）中的电信号转换成光信号，然后通过一根光纤发射出去（由光模块的发射端实现），同时可以接收外部一根光纤发射过来的光信号且转换成电信号（通过光模块的接收端实现），输入到设备。
光模块的外观结构
光模块内部主要元器件有哪些？
光模块内部有光器件、探测器、激光器、放大器、时钟数据恢复、驱动芯片和MUX&DeMUX等。
光器件由少数几个光电子元件和IC、无源元件（如电阻、电容、电感、互感、微透镜、隔离器）、光纤及金属连线组合封装在一起，完成单项或少数机项功能的混合集成件。
光器件结构图
光探测器：作用把光信号转变为电信号的器件。主要有PIN探测器和APD探测器。
PIN探测器：P型掺杂、本征（I）和N型掺杂。
APD探测器：内部具有光电倍增（或称雪崩）光电二极管。
激光器：FPLD（Fabry-PerotLaser）、DFBLD（Distributed-FeedbackLaser）、LED（Light-EmittingDiode）、VCSEL、EAMLD（Elector-absorptionmodulatedlasers）等、
FPLD和DFBLD
LED和VCSEL
EAMLD
放大器：
跨阻放大器：TransimpedanceAmplifier（TIA）
主放MainAmplifiers（MA）或后方PostAmplifiers
限幅放大器：LimitingAmplifier（LA）
自动增益控制放大器：AutomaticGainControrAmplifier（AGC）
时钟和数据恢复（CDR）电路
在数字通信系统中，码元同步是系统正常工作的必要条件。时钟和数据恢复电路（ClockandDataRecovery-CDR）的作用就是在输入数据信号中提取时钟信号并找出数据和时钟正确的相位关系。
驱动芯片：
MUX&DeMUX：
MUX：16路并行数据输入，经过并串转换，输出数据。
DeMUX：输入数据经过串并转换，输出16路并行数据。
了解完光模块的结构，让我们继续跟随易飞扬的脚步，来了解光模块有哪些参数。
光模块主要有哪些参数？
光模块有许多参数，如封装、调制方式、传输距离、传输速率、中心波长、光纤类型、光口类型、工作温度范围、最大功耗等。
封装形式
光模块的尺寸由封装形式决定，光模块封装主要有：早期有300pin，XENPAK，X2等，后来渐渐被取代。GBIC，SFP，XFP，SFP+，SFP28，CSFP，QSFP，CXP，CFP，CFP2，CFP4，CFP8，CPAK，QSFP28，CDFP，MicroQSFP，QSFP-DD，OSFP，DSFP等封装形式不断升级。光模块正在朝着小型化、低功耗、低沉本、高速率、远距离、热插拔的方向发展着。
光模块调制方式：
直接调制：
外调制有EA调制（ElectroabsorptionModulator）和MZ调制（Mach-ZehnderModulator）
EA调制：
MZ调制：
传输距离
指每秒传输比特数，单位Mb/s或Gb/s。光模块通过光纤传输的信号承载的数据容量是有限的，不同的光器件和调制技术决定了光模块的最大速率，光模块从最开始的155Mb/s到622Mb/s，1.25Mb/s，2.5Mb/s一直到10Gb/s，发展到后来出现了光摸快并行方式（Parallel），光模块的速率上升到了40Gb/s、100Gb/s，并且已经成功研发出400Gb/s的光模块。
传输速率
传输速率指每秒钟传输数据的比特数（bit），传输速率低至百兆，高达100Gbps，光模块按照速率来分有155M/622M/1.25G/2.125G/4.25G/8G/10G，市场上常用的多为155Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps和10Gbps速率光模块，在光纤存储系统中光模块还有2Gbps、4Gbps和8Gbps这3种速率。SFP光模块支持千兆以太网、SONET、光纤通道和其他通信标准。
中心波长
光模块的工作波长其实是一个范围，为了方便描述才使用中心波长这个参数。中心波长的单位是纳米（nm），一般的中心波长有850nm、1310nm和1550nm，还有CWDM系列的1270nm-1610nm的（间隔20nm）和DWDM系列的1528nm-1623nm（间隔0.8nm或者0.4nm）。
1）850nm（MM多模，成本低但传输距离短，一般只能传输500m）；
2）1310nm（SM单模，传输过程中损耗大但色散小，一般用于40km以内的传输）；
3）1550nm（SM单模，传输过程中损耗小但色散大，一般用于40km以上的长距离传输，最远可以无中继直接传输120km）。
光纤类型
因为不同波长的光在不同的光纤中都有自己的最佳工作窗口，为调整最佳工作波长或色散特性，改变折射率分布，将光纤分为：多模光纤（G.651）、普通单模光纤（G.652）、色散移位光纤（G.653）、非零色散移位光纤（G.655）等，常用的是G.651和G.652。一般多模光纤纤芯直径大，模式色散严重，所以用于短距离的信号传输；而单模光纤模式色散小，所以一般用于长距离的信号传输。
光纤直径
光纤的纤芯直径。国际标准规定，多模光纤的光纤直径为62.5um和50um；单模光纤的光纤直径为9um。为光模块选择光纤时，应根据光模块支持的光纤直径选择光纤。
光口类型
光口指的是光模块连接光纤跳线的接口，一般有MPO、双工LC、单工LC和单工SC这几种类型。MPO光口根据光模块传输需要使用的光纤的数量又可以细分为MPO12（针对8根或者12根光纤）和MPO24（针对16根或者24根光纤）两种。
输出光功率
输出光功率指光模块发送端光源的输出光功率。可以理解为光的强度，单位为W或mW或dBm。其中W或mW为线性单位，dBm为对数单位。在通信中，我们通常使用dBm来表示光功率。
公式：P（dBm）=10Log（P/1mW）
光功率衰减一半，降低3dB，0dBm的光功率对应1mW
使用光功率计测量。针对PON产品，由于其ONU端采用的是突发模式，因此需使用专用的光功率计进行测量，串接在线路中，可以即时给出当前上行和下行的光功率。
在模块的正常工作条件下，光模块输出的光功率。发射光功率指发射端的光强度，以dBm为单位，是影响传输距离的重要参数。两个光模块对接时，发送光功率应满足接收光功率的范围要求。
接收灵敏度最大值
接收灵敏度指的是在一定速率、误码率情况下光模块的最小接收光功率，单位：dBm。一般情况下，速率越高接收灵敏度越差，即最小接收光功率越大，对于光模块接收端器件的要求也越高。
考虑到光纤老化或其他不可预见因素导致的链路损耗增大，最佳接收光功率范围控制在接收灵敏度以上2-3dB至过载点以下2-3dB。
消光比
消光比是用于衡量光模块质量的参数之一。全调制条件下信号平均光功率与空号平均光功率比值的最小值，表示0、1信号的区别能力。光模块中影响消光比的两个因素：偏置电流（bias）与调制电流（Mod），姑且看成ER=Bias/Mod。消光比的值并非越大光模块越好，而是消光比满足802.3标准的光模块才好。
光饱和度
又称饱和光功率，指的是在一定的传输速率下，维持一定的误码率（10-10～10-12）时的最大输入光功率，单位：dBm。
需要注意的是，光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象，而且还非常容易损坏接收端探测器，在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。
最大功耗
不同型号参数的模块功耗是不同的，同型号各品牌也稍有差别。千兆一般1W左右；SFP+万兆一般1.2-1.5w；XFP万兆短距1.5-2w，长距3.5w；100G根据封装不同，一般3.5-9w。
工作温度范围
光模块的温度有商业级温度、延展温度、工业级温度这三个等级；
商业级光模块的温度：0~+70℃
延展光模块的温度：-20~85℃
工业级光模块的温度：-40~85℃
兼容品牌
目前市面上存在2种光模块，一种是原交换机品牌光模块，一种是高性能的兼容模块，两者之间的价格差距较大。品牌模块相对价格高，有我们熟知的思科、华为、华三等。而兼容模块就是可以兼容这些品牌。品牌模块为了保护自己同时挤压其它品牌会设置特别的读码，让客户不能使用其它品牌，而兼容的模块就是破解了里面的设置，同样可以配套使用，而兼容的价格便宜，性价比高，质量也会参差不齐。
对光模块有了大致了解后，光模块又该如何使用呢？
光模块的使用方法
1、防静电措施
无论是在室内还是室外，使用光模块时必须采取防静电措施，必须保证在佩戴好防静电手套或防静电手环的情况下用手接触光模块。
2、取放操作
拿取光模块时严禁触摸光模块金手指，而且必须保证轻拿轻放，防止光模块受到压迫和磕碰，如果取放时不慎磕碰，那么不建议再使用该光模块。
3、插拔方法
在安装光模块时首先需用力将其插到底，然后感到轻微的震动或者听见“啪”的声响，代表光模块卡锁卡到位。插入光模块时，将拉手环闭合；插入之后，再拔一下光模块检查是否安装到位，若拔不出则表示已经插到底部了。
拆卸光模块时需先拔出光纤跳线，然后将拉手拉到与光口成90度左右后，再缓慢取出光模块，禁止强拉硬拽将光模块拉出。
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，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。
通过本文对光模块详细介绍，相信您应该有了清楚的了解。易飞扬可为您提供多种类型的优质光模块，欲知更多详情可访问易飞扬官网。
光模块都包括哪些关键器件
原标题：光模块都包括哪些关键器件？现在光模块已经进入400G时代，光模块的成本也越来越高。降低成本一直是行业永不变的诉求。光模块的作用是进行光电和电光转换，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。
那么光模块内部都包括哪些关键器件呢？下面是一个光模块工作的框图。
图的左边是一个应用光模块的设备，如交换机。设备单板信号输入光模块，光模块将电信号转换为光信号发送出去。接收是发送的逆过程。
光模块的主要器件包括：
CDR(ClockandDataRecovery)：时钟数据恢复芯片的作用是在输入信号中提取时钟信号，并找出时钟信号和数据之间的相位关系，简单说就是恢复时钟。同时CDR还可以补偿信号在走线、连接器上的损失。
LDD(LaserDiodeDriver)：将CDR的输出信号，转换成对应的调制信号，驱动激光器发光。不同类型的激光器需要选择不同类型的LDD芯片。在短距的多模光模块中（例如100GSR4），一般来说CDR和LDD是集成在同一个芯片上的。
TOSA：实现电/光转换，主要包括激光器、MPD、TEC、隔离器、Mux、耦合透镜等器件，有TO-CAN、Gold-BOX、COC、COB等封装形式。对应用在数据中心的光模块，为了节省成本，TEC、MPD、隔离器都不是必备项。Mux也仅在需要波分复用的光模块中。此外，有些光模块的LDD也封装在TOSA中。
ROSA：实现光/电转换，主要包括PD/APD、DeMux、耦合组件等，封装类型一般和TOSA相同。PD用于短距、中距的光模块，APD主要应用于长距光模块。
TIA(Transimpedanceamplifier)：配合探测器使用。探测器将光信号转换为电流信号，TIA将电流信号处理成一定幅值的电压信号，我们可以将它简单的理解为一个大电阻。
LA(LimitingAmplifier)：TIA输出幅值会随着接收光功率的变化而改变，LA的作用就是将变化的输出幅值处理成等幅的电信号，给CDR和判决电路提供稳定的电压信号。高速模块中，LA通常和TIA或CDR集成在一起。
MCU：负责底层软件的运行、光模块相关的DDM功能监控及一些特定的功能。DDM监控主要实现对温度、Vcc电压、Bias电流、Rxpower、Txpower5个模拟量的信号进行实时监测，通过这些参数判断光模块的工作状况，便于光通信链路的维护。返回搜狐，查看更多
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