电巢：漫话光模块（2）

从本篇开始，本篇及后续内容的原始素材，部分来自易飞扬通信及鲜枣课堂，特别是鲜枣君那些动图，就是给袁老师一年的时间也是做不出来的哈。不管如何，这里都首先还是要感谢一下易飞扬和小枣君。

第二篇--光模块的基本原理构成

光模块（Optical Modules）作为光纤通信中的重要组成部分，是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件。

光模块工作在OSI模型的物理层，是光纤通信系统中的核心器件之一。它主要由光电子器件（光发射器、光接收器）、功能电路和光接口等部分组成，主要作用就是实现光纤通信中的光电转换和电光转换功能。光模块的工作原理如图所示。

发送接口输入一定码率的电信号，经过内部的驱动芯片处理后由驱动半导体激光器（LD）或者发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号，通过光纤传输后，接收接口再把光信号由光探测二极管转换成电信号，并经过前置放大器后输出相应码率的电信号。

准确来说，光模块是多种模块类别的统称，具体包括：光接收模块，光发送模块，光收发一体模块和光转发模块等。现今我们通常所说的光模块，一般是指光收发一体模块（下文也是如此）。

光收发一体模块

光收发一体模块由三大部分组成，它们分别是光电器件（TOSA/ROSA）、贴有电子元器件的电路板（PCBA）和LC、SC、MPO等光接口（外壳）。

光发射部分

光发射部分由光源、驱动电路、控制电路（如APC）三部分构成，稍后会详细介绍光源、调制等原理。

光接收部分

光接收部分以PIN为例，是由PINTIA（InGaAs PIN和跨阻放大器）和限幅放大器组成。将输入的光信号通过PIN管转换成光电流，光电流又通过跨阻放大器转换成电压信号。电压信号经限幅放大，并通过整形滤波器与限幅放大器产生差分DT+与DT-的数据信号交流输出。并具有无光告警功能，当光功率不足以维持模块正常工作时，SD端产生逻辑低信号，产生告警。

下图是一份更详尽的光模块思维导图，说明光模块要考虑的东西还是很多很多的

在本篇中，袁老师将详细介绍一下光模块中光器件的封装、激光器的类型及调制原理

光器件的封装

光模块的封装方式主要有TO-CAN封装、蝶形封装、BOX封装 以及 COB封装 几种

1、TO-CAN封装

英文全称是Transistor outline can，其中Transistor是晶体管，Can是罐子的意思。CAN作为这一个容器，用来安装光芯片，如VCSEL/PIN之类的。

在上图中，激光器(光电二极管)安装于热沉（散热片）上，通过金丝与电气引脚连接。其上再封装金属管帽和用于透出激光的玻璃盖片密封窗。TO-CAN封装的壳体通常为圆柱形，因为其体积小，难以内置制冷，散热困难，难以用于大电流下的高功率输出，故而难以用于长距离传输。目前最主要的用途还在于2.5Gbit/s及10Gbit/s短距离传输。但成本低廉，工艺简单。

2、蝶形封装

顾名思义，其封装形式像蝴蝶。蝶形封装的壳体通常为长方体，结构及实现功能通常比较复杂，可以内置制冷器、热沉、陶瓷基块、芯片、热敏电阻、背光监控，并且可以支持所有以上部件的键合引线。壳体面积大，散热好，可以用于各种速率及80km长距离传输。

蝶形封装有一种特殊的封装形式，叫BOX封装，即在一个封装空间中集成了多个激光器，主要是用于多通道并行的需求。25G及以下速率光模块多采用单通道TO或蝶形封装，40G及以上速率多采用多通道的封装设计。

3、COB封装

COB封装即板上芯片封装，简单理解就是将激光芯片粘附在PCB基板上，包括激光阵列和接收器阵列等集成封装在一个小空间内，以实现小型化。因为减少了一些保护措施以及大量的辅件，成本相对低很多。

25G及以下速率光模块多采用单通道TO或蝶形封装的光收发组件焊接到PCB板上组成光模块。 但对于40G及以上速率的高速光模块，受激光器速率限制(多为25G)，主要通过多通道并行实现，如40G由4×10G实现，而100G则由4×25G实现。高速光模块的封装对并行光学设计、高速率电磁干扰、体积缩小、功耗增加下的散热问题提出了更高的要求。COB封装可以将TIA/LA芯片、激光阵列和接收器阵列集成封装在一个小空间内，以实现小型化。

激光器的类型及调制原理

下面来简单看看几种光纤通信中最常见发射激光器件。

LED和VCSEL垂直腔面发射激光器，是面发光，只是谐振腔结构不同。VCSEL激光器的发光角度相比LED要小，但相对后面的FP/DFP-LD的发光角度要大，但它是成本最低的芯片种类，一般配合比较粗的多模光纤使用。

FP-LD和DFB-LD激光二极管也是比较常用的半导体光发射器件。它们都是边缘发光，谐振腔结构不同。DFB是在FP激光器的基础上加工出光栅格，以实现更精准的波长选择，因其波长精度较高。

这里的LD(Laser Diode)是一个电光器件，当通过它的正向电流超过阈值电流(Ilth)时它就发光。因此，为了使LD高速开关工作必须对它加大于阈值电流的直流偏置电流IBIAS 。

EML(Externally Modulated Laser)外部调制激光器与上面的激光器的调制方式不一样，我们将在下面细说。由一颗发射芯片(如DFB)+外吸收调制器(EA)构成。

EML激光器始终处于发光状态，通过控制电吸收芯片的开关（透光和不透光），控制激光器的信号输出。由于EML激光器可以处于比较稳定的工作状态，发射的光也相对比较干净，因此它比较适合长距离传输使用，但是它的成本要比上面的DFB贵很多。

根据上面的思维导图，我们知道，光模块的调制方式分为两种：直接调制和外调制。其中外调制激光器又有两种主要调制方式：EA调制和MZ调制。

上面的DFP-LD是一种典型直接调制激光器，即是直接利用电信号的“1”和“0”来控制激光器的电流大小。电流小电信号为“0”比较节省能量。

而外调制中的EA调制也是利用电信号“1”和“0”作用于电吸收调制器来控制出光的大小，它的激光器一直处于发光状态。

外调制中的MZ调制的激光器也一直是发光的，不过它是利用光经过一个Y型波导分束器分光的两束相位相等且一样的光信号，通过电信号来控制两个干涉臂电级，使两束光产生不同的相位，然后再经过Y型合束器。

其效果是：当“1”信号时，相位相同进行叠加，“0”信号时相位差180度，光信号则抵消。

除了上面的几种激光器，还有一种“可调谐窄线宽激光器”，它在DWDM密集波分传输网络中频繁使用。这种激光器芯片可以通过电流、温度以及机械方式来控制输出不同的波长。也这造成了它的结构比较复杂，可以说是成本最高的激光器类型。

以上就是光模块的基本构成原理，其实当光模块技术发展到40G及100G及以上后，已出现了更高阶的调制及检测技术，后面还有专门的篇幅进行介绍。今天先讲到这，下面简单总结一下以收尾：

LED/VCSEL激光器适用于短距离场景：100m左右；

FB/DFB激光器适用于中等距离传输：500m~2km；

EML激光器一般在中长距离场景中使用：10km，20km，40km，80km；

可调谐窄线宽激光器应用在骨干超长距离一般是波分传输使用：大于80km。