单纤双向光模块技术介绍

? 随着5G基础设施的大规模兴建，双向光模块的需求在明显增长。有必要了解一下双向光模块的相关的技术。谈光模块之前，先来扫个盲。

1. 光纤接头种类

常见的光纤活动连接器（俗称接头）类型有FC，SC，LC，ST等，至于字母的完整缩写和中文名字我也记不清了，等会儿直接上图，见过的人就知道了。

图1. 常见光纤接头类型

（1）FC型：外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。一般在ODF侧采用(配线架上用的最多)，还有就是在学校实验室里用的多。

（2）SC型：连接GBIC光模块的连接器，它的外壳呈矩形，紧固方式是采用插拔销闩式，不须旋转。(路由器交换机上用的最多)

（3）LC型：连接SFP模块的连接器，它采用操作方便的模块化插孔(RJ)闩锁机理制成。(高速光模块常用)

（4）ST型：常用于光纤配线架，外壳呈圆形，紧固方式为螺丝扣。(对于10Base-F连接来说，连接器通常是ST类型。常用于光纤配线架)

当然，还有一些其它的不是很常见的接头类型，以及每种类型还有斜杠类型，比如FC/PC或FC/APC等，如图2 所示。相比于平面接头PC，APC的端面通常带有斜8度的倾斜面，这种设计一般用来减小反射光，适用于对回波损耗要求较高的连接场合。当然还有UPC之类的，也是平面接头，回损比PC稍好。

图2. 各种连接器及说明

前面说的这么多有点啰嗦，其实实际中我们一般只需要区分好平头和斜头就好，黑色和蓝色是平头，绿色一般是斜头。另外，相干光模块上还有用到保偏光纤，无色透明的或者黑色的一般是保偏光纤，有颜色的是单模。当然这个只是经验，不一定特别准。另外，橙红色外皮的可能是多模光纤。当然还有些光模块使用的接头是MPO，一般12或24纤。

2. 光模块分类

光模块通常也叫光收发一体机（Optical Module或Transceiver），由光电子器件、功能电路和光接口等组成，作用是在发送端把电信号转化成光信号，接收再把光信号转换成电信号并完成后续处理。有多种分类：按照工作的波长分，光模块可分为单模和多模光模块；按照用途可分为客户侧和线路侧光模块；按照速率可分为低速和高速光模块；按照工作原理可分为直检光模块和相干光模块；按照端口数量可分为单纤和双纤光模块；按照速率和封装类型可分为SFP，MSA，CFP，QSFP等，比如100G常见的光模块封装，如图3所示。当然还可以根据是否支持波长可调谐分为灰光模块和彩光模块；当然还可以根据工作的温度范围分为商业级（0℃~70℃）和工业级（-40℃~85℃）。

图3.常见100G光模块封装

在这里就不对每种光模块具体展开说明了。说点共性的东西，比如，对于光模块我们要关注哪些指标呢？1. 速率，是由你的需求决定的 ，10G，25G，100G按需选取。2. 传输距离，不同的光模块类型采用调制和接收技术可能不一样，从而支持的传输距离也不同，如多模光模块，可能支持较低距离的传输，而1310的 外调光模块由于受到色散影响小因而可支持相对远的传输。3. 中心波长，首先这可能决定是工作在单模还是多模，另外它还影响损耗和色散。4. 功耗，一般跟封装形式相关，每个封装形态其实都规定了其功耗的范围，如10G SFP约为1.5W，保证性能的前提下，功耗越小越好。5. 出光功率，调制信号后的出光功率，一般越大的出光功率的模块支持的链路功率预算越高，传输距离也就越远。6. 接收灵敏度，这个值越小越好，表示的是保证无误码传输时所需要的最小光功率。

3. 光模块相关的标准

表1. 常见短距100G光模块标准

之所以列出100G，是因为它在数据中心互连中用得比较多。还有一类光模块，最近也是比较火热。那就是5G前传光模块。其中很重要的一种就是25G Bidi单纤双向光模块，下面来具体介绍一下里面的技术方案。

4. 单纤双向光模块

普通的光模块，都会有收和发两个端口，也就是说发送出来有一根光纤，接收也有一根光纤，如图4所示，即双纤双向，这个很容易理解，收和发各占一个独立的车道，完全没有干扰，坏处是占用了两根光纤，这对于一些光纤资源比较紧张的应用场景还是不可接受的。因此就诞生了Bidi光模块的需求。

图4. 双纤双向和单纤双向光模块

单纤双向光模块要求在一根光纤上既要发又要收，还得是同时，也就是全双工工作，听起来似乎有点难。不过细想一下，在一根光纤里还可以再通过其它的维度再开辟两个独立的通道，比如，利用频率或者波长就是很自然的想法了。比如WDM系统，可以在一根光纤里传上百路信号。因此，一种自然的实现方式便是，在单纤双向光模块（Bidi）中发送和接收用两个不同的波长，如一个用1310，一个用1550，用一个WDM 滤波器来区分发送和接收方向的波长信号，大致原理如下图所示。

图5. 单纤双向模块实现方案（不同波长）

当然，波长对的用法还可以是1310/1490，1270/1310,1270/1330。比如CCSA在5G前传25G模块中似乎就比较倾向于将波长方案定为1270/1330。

进一步地 ，是否也可以单纤双向用同波长呢？答案是肯定的。只要有办法能够在光模块的光口上把收方向和发方向的光分开就行了，如3端口环形器就是一个很好的方法，三端环形器的工作特性是 1进2出，2进3出，1和3不通。因此，如下图所示，只需要把2端口作为光模块的光口，1与发射机相连，3与接收机相连。

图6. 单纤双向光模块方案（同波长）

当然，采用环形器后也是可以用不同波长的。那么除了环形器之外，是否还有其它的方法呢？我觉得以下方案应该也是可行的，隔离器+耦合器，如下图所示。从光纤过来的虽然会分到2个支路上，但TOSA上加了隔离器，不让上行的光进入TOSA中，避免对器件造成损坏，而ROSA可以正常接收。并且，实际上这个隔离器是有可能可以省掉的 ，因为一般的激光器内部会自带一个隔离器，防止自激振荡。不过，这种方案的缺点在于耦合器带来的损耗大于环形器。可能实用价值不大。

图7. 基于耦合器的单纤双向同波长方案

进一 步地，除了用波长维度外，还有别的方法可以支持单纤双向吗？有的，光纤有5个物理维度可用来传输信息，频率，时间，幅度相位，空间，偏振。理论上这5个维度都可以，波长只是其中一个方案。比如时间，通过时分复用来分别发送和接收信息，理论上是可行的，但它就变成了单双工模式了。幅度和相位也是可行的，比如，发和收有同一个波长，一个传强度调制信号，一个传相位调制信号。空间怎么理解呢，可以利用不同的空间模式，比如一个用基模，一个用高阶模式，二者也是可区分的。而偏振就更容易理解了，收和发一个用X偏振，一个用Y偏振，用偏振分束器来分开。既然这么多方案都可行，那是不是真的可用呢？显然不是，业界只是希望方案尽可能简单。模式、偏振这种虽然看起来可行，但实际操作起来就不太稳定可控了，目前没有太强的实用价值，特别是在短距应用中，没有DSP来处理串扰。

我们再来分析一下单纤双向不同波长方案和同波长方案的优劣点。不同波长的好处是波长独立，WDM容易分波，收和发方向没有干扰。劣势是需要维护两种波长的光模块，成本增加，另外上下行波长不同，也会有传输性能的波动和差异，特别是如果一个是O波段，一个C波段，两个波长差异太多的话，色散对二者的影响差异较大。而同波长方案的优点是，仅需要维护一种模块，易维护，上下行完全对称，传输时延一致性好；劣势是环形器的2端对反射串扰非常敏感，出纤需要采用具有高回损指标的光纤倾斜端面接口，并对实际工程使用提出了较高的防尘要求，另外，同波长单纤双向传输时会有瑞利背向散射噪声的影响，特别是高速，较长距传输时，更明显。也就是说双向传输时，下行的背向散射光会影响上行的接收质量。

也有很多的方法来避免或降低背向瑞利散射噪声的影响（这也是可以发Nature子刊的 topic，见参考文献）。比如，上下行分别采用幅度和相位调制格式，采用低频分量小的调制格式，利用频带搬移，特殊编码调制和相干探测。但是这势必会增加短距光模块方案的成本和复杂度，降低实用价值。对于前传25GBidi光模块，如果采用同波长方案的话，考虑到传输距离10km左右的话,瑞利散射噪声对性能的影响不至于太严重。同时，可以适当选取长波长的1550波段，这样可以稍微减小瑞利散射（与波长四次方成反比）。

参考资料：

[1] http://www.iccsz.com/site/cn/News/2019/01/24/20190124024520213169.htm

[2] https://zhuanlan.zhihu.com/p/41584389

[3] http://www.c-fol.net/news/content/22/201808/20180823092115.html

[4] https://www.feisu.com/club/thread-950-1-1.html

[5] http://www.elecfans.com/baike/buxian/guangqianshebei/20180309645014_a.html

[6] https://blog.51cto.com/markzwl/636576

[7] Erk?l?n?, M. S., et al. “Bidirectionalwavelength-division multiplexing transmission over installed fibre using asimplified optical coherent access transceiver.” Nature communications8.1 (2017): 1-10.