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光端機原理

來源: 電子產(chǎn)品世界
2020-09-10
類別:基礎(chǔ)知識
eye 32
文章創(chuàng)建人 拍明

原標題:光端機原理

光端機(Optical Transceiver)是一種將電信號光信號相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備,廣泛應用于光纖通信系統(tǒng)中,用于實現(xiàn)長距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸。其核心功能包括電→光轉(zhuǎn)換(發(fā)射端)和光→電轉(zhuǎn)換(接收端),是光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組件。


一、光端機的基本組成與功能

光端機通常由發(fā)射模塊接收模塊組成,分別負責電信號與光信號的雙向轉(zhuǎn)換。

1. 發(fā)射模塊(電→光轉(zhuǎn)換)

  • 功能:將電信號轉(zhuǎn)換為光信號,通過光纖傳輸。

  • 核心組件

    • 驅(qū)動電路:將輸入的電信號(如NRZ碼)轉(zhuǎn)換為適合激光器驅(qū)動的電流信號。

    • 激光器(LD):通過電注入產(chǎn)生受激輻射,發(fā)射特定波長的光信號(如1310nm/1550nm)。

    • 溫度控制:激光器對溫度敏感,需通過熱敏電阻和TEC(半導體制冷器)穩(wěn)定波長和功率。

2. 接收模塊(光→電轉(zhuǎn)換)

  • 功能:將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,供后續(xù)電路處理。

  • 核心組件

    • 光電探測器:如PIN光電二極管或APD(雪崩光電二極管),將光信號轉(zhuǎn)換為光電流。

    • 跨阻放大器(TIA):將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大。

    • 限幅放大器(LA):進一步放大信號并整形,輸出符合標準的電信號(如CML電平)。


二、光端機的工作原理

1. 發(fā)射端工作流程

  1. 電信號輸入

    • 輸入的電信號(如10Gbps NRZ碼)進入驅(qū)動電路。

  2. 激光器驅(qū)動

    • 驅(qū)動電路將電信號轉(zhuǎn)換為調(diào)制電流,控制激光器的發(fā)光強度(直接調(diào)制)或通過外部調(diào)制器(如EA調(diào)制器)實現(xiàn)高速調(diào)制。

  3. 光信號輸出

    • 激光器發(fā)射調(diào)制后的光信號,通過光纖傳輸。

2. 接收端工作流程

  1. 光信號輸入

    • 光纖傳輸?shù)墓庑盘栠M入光電探測器。

  2. 光電轉(zhuǎn)換

    • 光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為光電流,電流大小與光功率成正比。

  3. 信號放大與整形

    • 跨阻放大器將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大,限幅放大器進一步整形,輸出干凈的電信號。

  4. 電信號輸出

    • 輸出符合標準的電信號(如10Gbps CML電平),供后續(xù)設(shè)備處理。


三、光端機的關(guān)鍵技術(shù)指標

1. 發(fā)射端指標

  • 波長

    • 常用波長為1310nm(多模/單模)和1550nm(單模),對應光纖的低損耗窗口。

  • 輸出光功率

    • 典型值為0dBm(1mW)至+5dBm,需滿足傳輸距離和光纖衰減要求。

  • 消光比(ER)

    • 定義為“1”電平光功率與“0”電平光功率之比,反映調(diào)制深度,典型值≥8dB。

  • 調(diào)制方式

    • 直接調(diào)制(低成本)或外部調(diào)制(如EA調(diào)制器,適合高速長距離)。

2. 接收端指標

  • 靈敏度

    • 定義為滿足特定誤碼率(如10^-12)時的最小接收光功率,典型值為-20dBm至-30dBm。

  • 過載光功率

    • 接收端能承受的最大光功率,典型值為0dBm,避免探測器飽和。

  • 動態(tài)范圍

    • 靈敏度與過載光功率之差,反映接收端適應光功率變化的能力。

  • 響應時間

    • 探測器的響應速度,需與傳輸速率匹配(如10Gbps光端機需響應時間<100ps)。


四、光端機的分類與應用

1. 按傳輸速率分類

  • 低速光端機

    • 速率<1Gbps,如155Mbps、622Mbps,用于短距離接入網(wǎng)。

  • 高速光端機

    • 速率≥10Gbps,如10G、40G、100G,用于骨干網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心。

2. 按傳輸距離分類

  • 短距離光端機

    • 傳輸距離<2km,如多模光纖光端機(850nm波長)。

  • 中長距離光端機

    • 傳輸距離2km~100km,如單模光纖光端機(1310nm/1550nm波長)。

  • 超長距離光端機

    • 傳輸距離>100km,采用EDFA(摻鉺光纖放大器)或拉曼放大技術(shù)。

3. 典型應用場景

  • 光纖通信網(wǎng)絡(luò)

    • 接入網(wǎng)(如FTTH)、城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)。

  • 數(shù)據(jù)中心互聯(lián)

    • 服務器、交換機、存儲設(shè)備之間的高速互聯(lián)。

  • 工業(yè)控制

    • 長距離、抗干擾的工業(yè)現(xiàn)場總線(如Profinet、EtherCAT)。

  • 安防監(jiān)控

    • 視頻監(jiān)控信號的長距離傳輸。


五、光端機的選型要點

  1. 波長匹配

    • 根據(jù)光纖類型(多模/單模)和傳輸距離選擇波長(850nm/1310nm/1550nm)。

  2. 速率匹配

    • 確保光端機的傳輸速率與設(shè)備接口速率一致(如10G SFP+光端機對應10Gbps接口)。

  3. 接口類型

    • 選擇與設(shè)備兼容的光接口類型(如SC、LC、MPO)。

  4. 傳輸距離

    • 根據(jù)實際距離選擇合適的光功率和靈敏度指標。

  5. 協(xié)議支持

    • 確保光端機支持所需的通信協(xié)議(如以太網(wǎng)、SDH、Fibre Channel)。


六、光端機的優(yōu)缺點

優(yōu)點

  1. 高速傳輸:支持Gbps~Tbps級傳輸速率。

  2. 長距離傳輸:單模光纖傳輸距離可達100km以上。

  3. 抗干擾強:光信號不受電磁干擾,適合復雜環(huán)境。

  4. 帶寬大:單根光纖可承載多路信號(如WDM技術(shù))。

缺點

  1. 成本較高:高速光端機和長距離設(shè)備價格昂貴。

  2. 安裝復雜:需專業(yè)人員進行光纖熔接和調(diào)試。

  3. 維護困難:光纖斷裂或光功率衰減需專業(yè)工具檢測。


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七、光端機的未來發(fā)展趨勢

  1. 高速化

    • 開發(fā)400G、800G甚至1.6Tbps光端機,滿足數(shù)據(jù)中心和5G需求。

  2. 集成化

    • 將光電器件與驅(qū)動電路集成(如硅光子技術(shù)),降低成本和功耗。

  3. 智能化

    • 增加數(shù)字診斷功能(DDM),實時監(jiān)測光功率、溫度、電壓等參數(shù)。

  4. 相干光通信

    • 采用相干檢測技術(shù),提升長距離傳輸?shù)撵`敏度和頻譜效率。


八、總結(jié)

光端機通過電→光轉(zhuǎn)換光→電轉(zhuǎn)換實現(xiàn)光纖通信中的信號傳輸,是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備。

  • 發(fā)射端:將電信號調(diào)制到激光器上,生成光信號。

  • 接收端:將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,恢復原始數(shù)據(jù)。

選型時需根據(jù)波長、速率、距離、接口類型和協(xié)議綜合考慮。隨著技術(shù)進步,光端機正朝著高速化、集成化、智能化方向發(fā)展,為下一代通信網(wǎng)絡(luò)提供更強大的支持。


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