5G 通讯传输的核心之光模块

    光导纤维简称光纤，具有传输速率快、传输损耗低、抗干扰能力强等等的优点，在实际应用时，还需要搭配光模块（PON；passive optical network）和光纤连接器等设备来进行光电转换和精密连接。光模块目前绝大部分应用场景在电信市场（运营商为主）和数通市场（大型因特网企业数据中心为主），这也是目前光通信的两大重要应用领域。5G就是把第一代蜂窝通信做得更密，容量更大，峰值速率上是4G的30倍，用户体验数据是10倍，无线接口延时1小时，流量密度提高100倍，简单来说，5G的两大发展特性高速与低延迟，在疫情过后5G将护航光模块未来的增量需求，强势登场。

市场

    根据 OVUM 统计，全球光器件（包括光模块和各类无源器件）市场规模在2020年可以突破100 亿美元大关，预测至2022年能有高达150亿美元的规模，复合增长率超过9%，其中光模块在光器件的占比超过六成（OVUM 数据 2019年光模块收入为66亿美元），大胆预测搭上5G 的势头在2022年可望有超过92亿美元的收入。

GPON 光模块介绍

    光模块应用于FTTB/N（fiber to the building /Node）场景，作用即是将光电信号互换。

    光收发一体模块是光通信的核心器件，完成对光信号的光-电/电-光转换。由两部分组成：接收部分和发射部分。接收部分实现光-电变换，发射部分实现电-光变换。

发射部分：

    输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)发射出相应速率的调制光信号，其内部带有光功率自动控制电路(APC)，使输出的光信号功率保持稳定。

接收部分：

    一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号，经前置放大器后输出相应码率的电信号，输出的信号一般为PECL电平。同时在输入光功率小于一定值后会输出一个告警信号。

光模块内部结构

    简单来说光模块可分成两大类，一是SFF/SFP光模块以及OLT/ONU（optical network unit）光模块；根据封装类型不同，可以分为SFF（small form-factor）、SFP（small form-factor pluggable）这几种类型；再者根据，插入式设备的不同，又能区分成 OLT和ONU（光网络单元）这两种类型。

    SFF（Small Form Factor）小封装光模块采用了先进的精密光学及电路集成工艺，尺寸只有普通双工SC（1X9）型光纤收发模块的一半，在同样空间可以增加一倍的光端口数，可以增加线路端口密度，降低每端口的系统成本。又由于SFF小封装模块采用了与铜线网络类似的KT-RJ接口，大小与常见的电脑网络铜线接口相同，有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡到更高速率的光纤网络以满足网络带宽需求的急剧增长。

    SFP是SMALL FORM PLUGGABLE的缩写，可以简单的理解为GBIC的升级版本。SFP模块体积比GBIC模块减少一半，可以在相同的面板上配置多出一倍以上的端口数 量。SFP模块的其他功能基本和GBIC一致。有些交换机厂商称SFP模块为小型化GBIC（MINI-GBIC）。未来的光模块必须支持热插拔，即无需切断电源，模块即可以与设备连接或断开，由于光模块是热插拔式的，网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统，对在线用户不会造成什么影响。热插拔性也简化了总的维护工作，并使得最终用户能够更好地管理他们的收发模块。同时，由于这种热交换性能，该模块可使网络管理人员能够根据网络升级要求，对收发成本、链路距离以及所有的网络拓扑进行总体规划，而无需对系统板进行全部替换。支持这热插拔的光模块目前有GBIC和SFP，由于SFP与SFF的外型大小差不多，它可以直接插在电路板上，在封装上较省空间与时间，且应用面相当广，因此，其未来发展很值得期待，甚至有可能威胁到SFF的市场。

光模块的技术参数

    1、 光模块传输速率：指每秒传输比特数，单位Mb/s或Gb/s。

    2、 光模块发射光功率和接收灵敏度：发射光功率指发射端的光强，接收灵敏度指可以探测到的光强度。两者都以dBm为单位，是影响传输距离的重要参数。光模块可传输的距离主要受到损耗和色散两方面受限。损耗限制可以根据公式：损耗受限距离＝（发射光功率-接收灵敏度）/光纤衰减量 来估算。光纤衰减量和实际选用的光纤相关。一般目前的G.652光纤可以做到1310nm波段0.5dB/km，1550nm波段0.3dB/km甚至更佳。50um多模光纤在850nm波段4dB/km 1310nm波段2dB/km。对于百兆、千兆的光模块色散受限远大于损耗受限，可以不作考虑。

    3、 10GE光模块遵循802.3ae的标准，传输的距离和选用光纤类型、光模块光性能相关。

    4、 饱和光功率值指光模块接收端最大可以探测到的光功率，一般为-3dBm。当接收光功率大于饱和光功率的时候同样会导致误码产生。因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。

    5、 传输距离: 光模块的传输距离分为短距、中距和长距三种。一般认为2km及以下的为短距离，10～20km的为中距离，30km、40km及以上的为长距离。光模块的传输距离受到限制，主要是因为光信号在光纤中传输时会有一定的损耗和色散。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。

新唐的微控制器可满足GPON光模块

    OLT和ONU的封装类型皆为SFP，而OLT光模块结构复杂必须与64个ONU光模块进行信号传输。ML51系列即可做为1.5Gbps ONU光模块的主控芯片。根据速度光模块可细分为 10Gbps、40Gbps25Gbps、25Gbps、以及上看100Gbps/400Gbps。随着5G的加持下，基站中比较热门的有10Gbps、25Gbps以及100Gbps三种光模块，新唐的M0微控制器可以支持25G以及100G的两种档次光模块而8051微控制器则可支持10G的光模块。

NUC029T

    ● M0 微控制器，主频为72MHz

    ● 提升25G以及100G光模块的传输效能

    ● 工作的电压可支持到5V连操作温度都优于工规做到105度

    ● 提供4*4mm的QFN33小封装满足电路板大小受限的SFP

    ● 新唐提供免费的Keil IDE让客户不需花额外费用购买开发环境

    新唐科技NuMicro® NUC029系列是新一代针对工业控制设计的微控制器产品，具备高可靠性和高抗干扰能力。NuMicro® NUC029系列工作电压 2.5V ~ 5.5V ，工作温度 - 40°C ~ +105°C，工作频率24 MHz ~ 72 MHz ，Flash 16 KB ~ 256 KB ， SRAM 2 KB ~ 20 KB ，且支持丰富的外设，如12-bit ADC 、 UART 、 PWM 、 SPI 、 I²C 等。有些型号并支持除法器、比较器、USB 2.0全速装置。NuMicro® NUC029系列提供多样封装型式 ( TSSOP20、QFN33、QFN48、LQFP48、LQFP64、LQFP128 ) 以满足客户创新产品的需求。NuMicro® NUC029 SEE / LEE / SGE / LGE / KGE 具有USB 2.0全速通讯接口，可支持无需外挂晶振功能以节省材料成本与缩小产品尺寸。

ML51 系列

    ● 8051 微控制器，主频为24MHz

    ● I2C提供高达400kHz的传输速率并具备高达四个从机多寻址的特色

    ● PWM可以提供弹性的电压准位

    ● 封装的部分新唐提供4x4mm的QFN33以及3x3mm的QFN20小封装满足电路板大小受限的SFP

    ● 内建温度传感器以及五阶参考电压接方便测量工作电压

    ● 提供ESD 8kV以及EFT 4.4kV的高亢干扰能力

    NuMicro® ML51 低功耗系列为内建 Flash 的增强型 1T 8051 内核微控制器，正常运行模式典型功耗可达 80 μA/MHz 以及休眠模式下功耗可低于 1 μA。此系列最高速可达 24 MHz，并内建 38.4 kHz 低速内部振荡器，支持宽电压工作范围 1.8 V 至 5.5 V，工作温度：- 40 ℃ 至 105 ℃。NuMicro® ML51 系列不只是低功耗更富含多种特色像是 12 位 500 KSPS SAR ADC 以及多达两组比较器、内建四阶参考电压可供 ADC 与 ACMP 使用、并内建 DMA 加速数据的传输以减轻 CPU 负担。此外 NuMicro® ML51 系列含有高集成度外设 ，如两组串口、两组 smart card 界面、两组 I²C 与两组 SPI。NuMicro® ML51 内建 16 KB ~ 64 KB Flash内存、以及 1 ~ 4 KB SRAM。管脚从 10 到 64 提供多种封装，并与 32 位微控制器同封装脚位兼容，让选型升级更加便利。