经过几天的休整，袁老师又满血复活了，废话少说，开讲。

　　第四篇--光模块的参数指标

　　其实先讲光模块的指标，还是光模块的标准，袁老师内心也是battle了很久的。最初袁老师是想先讲标准的，毕竟标准是基础嘛。前面讲了光模块的原理，接着讲主要指标，好像也是顺理成章的事。但一讲指标必然会涉及标准，讲着讲着会不会又讲混了呢？挣扎了很久，袁老师还是决定先讲光模块的指标。

　　光模块既然是一个可插拔的光电转换的电子器件模块，必然存在结构尺寸、电气特性、光学性能等多个方面的指标参数，而我们一般说的光模块指标，都是指的光指标参数，这也是今天袁老师要介绍的主要内容。

　　先看一下SNAP12 MSA中对光指标的要求

　　上图是光发送侧的指标参数，下图是光接收侧的指标参数

　　这是为数不多的对光指标参数进行了定义的MSA协议

　　有没有发现什么问题？是的，定义只有光指标的名称、单位和协议许可范围，但没有光指标的定义。有的指标名称就一目了然知道这个指标是什么意思，但有的指标不看定义，从指标名称中是不明白这个指标是代表什么意思的。那么去哪里找光指标的定义呢，主要在ITU-T中找，IEEE也有一部分。下面我们就来看一下这些指标中一些常用的光模块指标都是如何定义的，袁老师将分综合性能指标、发送端指标、接收端指标进行介绍

　　综合性能指标

　　先来看几个综合性能指标

　　1、接口速率

　　光器件所能承载的无误码传输的最大电信号速率。以太网标准规定的有：FE-125Mbit/s、GE-1.25Gbit/s、10GE-10.3125Gbit/s、40GE-41.25Gbit/s等；SDH标准规定的有NRZ 2.5G-622Mbit/s~2.67Gbit/s、 NRZ 10G-2.4Gbit/s~10.71 Gbit/s、 NRZ 25G-9.9Gbit/s~28Gbit/s、 NRZ 40G-9.9Gbit/s~43.02Gbit/s、 RZ 40G-9.9Gbit/s~43.02Gbit/s；还有OTN标准、FC（光纤通道）标准的等等，这里就不一一赘述了。

　　2、传输距离

　　光模块可传输的距离主要受到损耗和色散两方面受限。损耗是光在光纤中传输时，由于介质的吸收散射以及泄漏导致的光能量损失，这部分能量随着传输距离的增加以一定的比率耗散。色散的产生主要是因为不同波长的电磁波在同一介质中传播时速度不等，从而造成光信号的不同波长成分由于传输距离的累积而在不同的时间到达接收端，导致脉冲展宽，进而无法分辨信号值。

　　在光模块色散受限方面，其受限距离远大于损耗的受限距离，可以不做考虑。损耗限制可以根据公式：损耗受限距离=（发射光功率-接受灵敏度）/光纤衰减量 来估算。光纤的衰减量和实际选用的光纤强相关。

　　光模块发送端

　　接下来看看发送端的指标

　　1、平均发射光功率（mean output power/mean launched power）

　　平均发射光功率是指光模块在正常工作条件下发射端光源输出的光功率，可以理解为光的强度。发射光功率和所发送的数据信号中“1”占的比例相关， “1”越多，光功率也越大。当发送机发送伪随机序列信号时，“1”和“0”大致各占一半，这时测试得到的功率就是平均发射光功率，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。

　　2、消光比（extinction ratio）

　　消光比是指全调制条件下激光器在发射全“1”码时的平均光功率与全“0”码时发射的平均光功率比值的最小值，单位为dB。我们在将电信号转换为光信号时，是由光模块发射部分的激光器按照输入的电信号的码率来转换成光信号的。全“1”码时的平均光功率即表示激光器发光的平均功率，全“0”码时的平均光功率即表示激光器不发光的平均功率，消光比即表征0、1信号的区别能力，因此消光比可以看做一种激光器运行效率的衡量。NRZ光模块的消光比典型的最小值范围为8.2dB到10dB。

　　NRZ和RZ光发送信号的消光比定义为 ER = 10 log10 (A/B)

　　PAM4光发送信号的消光比定义为 ER = 10 log10 (P3/P0)

　　如下图示意，其中P3是连续7个3电平的中间两个UI的平均光功率，P0是连续6个0电平的中间两个UI的平均光功率

　　3、光信号的中心波长（Central frequency）

　　在发射光谱中，连接50℅最大幅度值线段的中点所对应的波长。不同种类的激光器或同一种类的两个激光器，由于工艺、生产等原因都会有中心波长的差异，即使同一激光器在不同条件下也可能会有不同的中心波长。一般，光器件和光模块的制造商，提供给用户一个参数，即中心波长（如850nm），这个参数一般会是一个范围。目前常用的光模块的中心波长主要有三种：850nm 波段、1310nm 波段以及1550nm 波段。

　　为什么定义在这三个波段呢？这与光信号的传输介质光纤损耗有关。通过不断研究实验，人们发现光纤损耗通常随波长加长而减小，850nm损耗较少，900 ~ 1300nm损耗又变高了；而1310nm又变低， 1550nm损耗最低，1650nm以上的损耗趋向加大。所以850nm就是所谓的短波长窗口，1310nm 和1550nm就是长波长窗口。

　　对于WDM的光模块，中心波长（频率）是在 ITU-T G.694.1 和 ITU-T G.694.2 中定义的，具体指标要求，我们再后续文章中再详细介绍。

　　注：光中心波长与频率的换算公式中的光速c，使用真空中的光速2.997 924 58X108 m/s

　　4、最大频谱偏移（Maximum spectral excursion）

　　指标称中心频率与发射机频谱的–15 dB点之间的最大可接受差值，如下图所示（注意 – 发射器频谱的 –15 dB 点的测量应以 0.01 nm 的标称分辨率带宽进行。）

　　5、最大RMS谱宽（Maximum RMS width）

　　最大均方根谱宽是发光二极管（LED）和多纵模（MLM）激光器的参数，指光谱中比主峰小20dB的谱宽，以纳米为单位。

　　6、最大-20dB谱宽（Maximum -20 dB width）

　　最大-20dB谱宽是单纵模（SLM）激光器的参数。指在标准工作条件下，用中心波长的幅度下降到20 dB处对应的波长宽度来表示，以纳米为单位。

　　7、谱功率密度（Maximum spectral power density）

　　最大（光学）频谱功率密度定义为调制信号频谱中任何位置每 10 MHz 间隔的最高时间平均功率电平。因此，测量必须具有优于半峰全宽（FWHM）时优于10 MHz全宽（即光学滤光片带宽应小于）的分辨率。

　　该参数用于避免进入具有潜在窄固有线宽的高功率源的布里渊散射制度，例如激光-调制器-放大器组合。但是，该规范适用于所有源类型。

　　8、边模抑制比（Minimum side mode suppression ratio）

　　最小侧模抑制比是光模块发射机频谱中最大峰与第二大峰之比的最小值。测量的光谱分辨率必须优于-20dB谱宽中定义的最大峰的光谱宽度。第二大峰可能紧挨着主峰，也可能远离主峰。SMSR如果太小，则经过长距离的传输，可能会引起较大的色散。

　　9、眼图模板

　　对于NRZ和RZ光发射信号，一般发射器脉冲形状特性，包括上升时间、下降时间、脉冲过冲、脉冲下冲和振铃，所有这些都应加以控制，以防止接收器灵敏度过度下降，以发射器眼图模板的形式进行定义。为了评估发射信号，不仅要考虑眼开度，还要考虑过冲和下冲限制。

　　眼图模板目前有三种，一个是常规的2.5G NRZ、10G NRZ、40G NRZ的眼图模板，如下图，可接受的发射器眼图必须避免穿过任何阴影线。

　　第二种是“比率”眼图模板，如下图，可接受的发射器眼图必须满足阴影区域内外样品的可接受比率（“命中率”）。

　　第三种是RZ 40G眼图模板，如下图，可接受的发射机眼图必须避免越过任何阴影线。

　　10、OMA光功率（Maximum and minimum channel output OMAouter）

　　对于 PAM4 光信号，通道输出 OMAouter 定义为平均光功率 P3与平均光功率 P0之间的差异

　　11、TDECQ（Maximum TDECQ）

　　对于 PAM4 光信号，TDECQ（PAM4 的发射器和色散眼闭合）的定义如 [IEEE 802.3bs] 的 121.8.5.1、121.8.5.2 和 121.8.5.3 中所述

　　12、Minimum channel OMAouter minus TDECQ

　　对于PAM4光信号，要求TDECQ最大值的发射机的OMA外部值大于小于TDECQ最大值的发射机。这是通过指定 OMA光功率 减去 TDECQ 的值来实现的。请注意，即使对于TDECQ非常低的发射器，也需要满足最小通道输出OMA光功率

　　13、星座图

　　随着相干光通信及高阶光调制技术的出现，光模块发送端的指标还出现了星座图，但还没有组织定义相应的参数要求，我们在后续专门介绍相干光通信时再做进一步介绍，下图中左上角就是一个QPSK光模块的星座图

　　光模块接收端

　　最后介绍接收端的指标

　　1、输入允许频偏范围

　　最早的SDH光接口的指标，早期的SDH测试仪表还可以设置仪表的输出频偏，模拟光信号频率偏移的情况，来测试光模块接收机的输入允许频偏范围是否满足标准要求。

　　2、接收光功率

　　接收光功率是指光模块在一定的误码率（BER=10-12）条件下，接收端组件所能接收的平均光功率范围。单位是dBm。接收光功率的上限值为过载光功率，下限值为接收灵敏度的最大值。综合来讲，就是当接收光功率小于接收灵敏度，可能无法正常接收信号，因为光功率太弱了。当接收光功率大于过载光功率时，可能也无法正常接收信号，因为存在误码现象。

　　3、过载光功率（Overload）

　　又称饱和光功率，是指光模块在一定的误码率（BER=10-12）条件下，接收端组件所能接收的最大输入平均光功率。单位是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。简单的说，输入光功率超过的了这个过载光功率，可能就会对设备造成损害，在使用操作中应尽量避免强光照射，防止超出过载光功率。

　　4、接收灵敏度（Minimum sensitivity）

　　接收灵敏度是指光模块在一定的误码率（BER=10-12）条件下，接收端组件所能接收的最小平均输入光功率。如果发射光功率指的发送端的光强度，那么接收灵敏度指的就是光模块可以探测到的光强度。单位是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。

　　5、光通道代价（Maximum optical path penalty）

　　光传输通道代价是指光信号在实际光通道传输期间由于光信号的失真引起的接收器灵敏度（或在多通道应用中的等效灵敏度）显著下降。它的表现为光传输系统的接收机系统的比特差错率曲线朝着较高的输入功率电平偏移。一般通道代价都是个正值。在某些情况下可能存在负的通道代价，但应该很小（负的通道代价表示路径相关失真部分改善了不太完美的发射器眼）。理想情况下，误码率曲线应仅平移，但形状变化并不少见，可能表明误码率floors的出现。因为通道代价是通过接收机灵敏度的变化来衡量的，因此应在 10−12 的 BER 水平下进行测量。

对于有FEC纠错的的应用，要在纠错后测量接收器灵敏度（有和没有由于光路引起的退化）。

　　对于通道比特率对应于NRZ 2.5G和NRZ 10G的应用，允许低色散系统的最大通道代价为1 dB，高色散系统的最大通道代价为2 dB。通道代价与目标距离不成比例，以避免操作系统的高代价。

　　对于通道比特率对应于NRZ 40G的应用，光通道代价的数值比较低速率高1 dB。这是为了允许与PMD相关的代价（一阶和二阶）。

　　将来，可能会引入采用基于发射器信号预失真的色散调节技术的系统。在这种情况下，上述意义上的通道代价只能在具有未失真信号的点之间定义。但是，这些点与主路径接口不一致，因此甚至可能无法访问。本案路径惩罚的定义有待进一步研究。

　　6、等效灵敏度（Minimum equivalent sensitivity）

　　这是多通道应用中放置在MPI-RM上的接收器所需的最小灵敏度，如果要在点MPI-RM移除除一个通道之外的所有通道（使用理想的无损滤波器），以实现应用代码的指定最大BER。这必须满足发射器最坏情况值的发射器眼图模板、消光比、MPI-SM点的光回波损耗、连接器退化、发射侧串扰、光放大器噪声和测量容差。在存在色散、非线性或光路反射的情况下，不必满足这一点;这些影响在最大光通道代价的分配中单独指定。

注 1 – MPI-RM 的最小平均通道输入功率必须高于最大光路损耗值的最小等效灵敏度

　　注 2 – 当发射器抖动超过适当的抖动产生限制（例如，OTN 光支路信号为 [ITU-T G.8251]）时，不必满足接收器灵敏度。

　　老化效应没有单独指定。标准中指定了最坏情况的生命周期结束值。

　　7、OMA输入光功率（Maximum and minimum channel input OMAouter）

　　多通道光模块的每个光通道的OMA光功率的最大可接受值，类似单通道光模块的接收灵敏度。

　　8、OSNR容限

　　通常，对于非WDM应用的光模块，我们可以通过发送光功率、接收灵敏度及光纤类型来计算传输距离。但对WDM系统来说，其传输距离有参考意义的指标，一般来说有光信噪比(OSNR)和误码率(BER)这两个。而OSNR是信号光功率与噪声光功率之比，每个EDFA产生的ASE噪声会经过后续的放大器放大以及光纤衰之后积累起来，使得系统输出端OSNR下降，从而最终导致误码率BER不符合系统要求。因此，我们如下所说的OSNR通常是在一定的BER水平下考虑的。

　　讲到这里，今天要讲的光模块指标就基本讲完了。有人会问，既然是电子产品，为什么不讲EMC指标？袁老师只能回答，袁老师不熟悉EMC指标，不能给童靴们讲歪了。作为补偿，袁老师给讲两个听说的EMC案例故事吧

　　第一个故事其实和光模块关系不大。不知道大家有否注意到，华为早期的交换机如C&C08、传输如155/622H等设备，这些产品单板的拉手条（面板），材质都是塑料的？98年华为开始出海了，EMC测试认证了变成必过项目，不少产品反反复复就是过不了，产品经理都急的不行。这时，有位EMC专家果断站了出来，只说了一句话， “把拉手条改成金属的试试”，这不试不知道、试过真奇妙，EMC测试认证还就通过了，于是各新产品新版本，纷纷都改成了类似设计，凡是2000年之后的设备，特别是那些高功耗、高速的设备，几乎所有板卡，都清一色的改为了金属材质或者是做到导电处理的拉手条。

　　第二个故事还真和光模块有关。其实拉手条采用了金属材质过EMC只是必要条件而不是充分条件。几年后可插拔光模块广泛应用之后，某产品拉手条上密密麻麻插满了光模块，有趣的是当插满光模块时，产品的EMC测试还是通过的，但当只插部分光模块甚至不插光模块时，EMC测试就过不了了，产品单板和结构改了几版都没效，眼看着发布时间不能再推迟了，开发代表急得都要离职了，EMC专家又出来说了句话， “改规格，这个设备必须满配光模块发货”。太绝了，不仅瞬间就通过了TR点和DCP评审，成功上市发布，还打包售卖了光模块、提升了销售额

　　袁老师特别备注，以上两则故事纯属虚构，如遇雷同，概不负责

　　好了，今天就先讲到这吧。