What are optical modules and the Common problems of optical modules

Working principle of the optical module

Optical Modules, as an important part of optical fiber communication, are optoelectronic devices that realize the functions of photoelectric conversion and electro-optical conversion in the process of optical signal transmission.

Optical module works in the physical layer of OSI model and is one of the core devices in optical fiber communication system. It is mainly composed of optoelectronic devices (optical transmitter, optical receiver), functional circuits and optical interfaces, and its main role is to achieve photoelectric conversion and electro-optical conversion functions in optical fiber communication. The working principle of the optical module is shown in the figure.

The sending interface input a certain bit rate electrical signal, after the internal driver chip processing by the driving semiconductor laser (LD) or light emitting diode (LED) to emit the corresponding rate of modulation optical signal, after transmission through the optical fiber, the receiving interface and then the optical signal is converted by the optical detection diode into an electrical signal, and after the preamplifier output the corresponding bit rate electrical signal.

图1-1 光模块工作原理图

Appearance of an optical module

There are various types of optical modules, and their appearance structure is not the same, but their basic composition structure contains the following parts, as shown in the appearance structure of the optical module (SFP package for example).

Figure 1-2 Appearance of the optical module (SFP package as an example)

Table 1-1 describes the structures of optical modules

光模块有哪些关键性能指标

如何衡量光模块的性能指标呢？我们可以从以下几个方面来读懂光模块的性能指标。

光模块发送端

• 平均发射光功率

  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。

• 消光比

  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。如图1-3所示，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。消光比典型的最小值范围为8.2dB到10dB。

  图1-3 激光器工作示意图
  

• 光信号的中心波长

  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。

光模块接收端

• 过载光功率

  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。

• 接收灵敏度

  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。

• 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。

综合性能指标

• 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：125Mbit/s、1.25Gbit/s、10.3125Gbit/s、41.25Gbit/s。

• 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。

CloudEngine系列交换机通过display interface transceiver verbose命令可以查看指定接口光模块的常规、制造、告警以及诊断信息，如表 display interface transceiver verbose命令输出信息描述所示。

表1-2 display interface transceiver verbose命令输出信息描述

有哪些常见的光模块种类

按速率分类

为了满足各种传输速率的需求，产生了不同速率的光模块：400GE光模块、100GE光模块、40GE光模块、25GE光模块、10GE光模块、GE光模块、FE光模块等。

按封装类型分类

传输速率越高，结构越复杂，由此产生了不同的封装方式。华为交换机适用的封装类型有：QSFP-DD、QSFP28、QSFP+、SFP28、SFP/eSFP、SFP+、CXP、CFP等。

按模式分类

光纤分为单模光纤、多模光纤。为了使用不同类别的光纤，产生了单模光模块、多模光模块。

• 单模光模块的中心波长一般是1310nm、1550nm，与单模光纤配套使用。单模光纤传输频带宽，传输容量大，适用于长距传输。

• 多模光模块的中心波长一般是850nm，与多模光纤配套使用。多模光纤有模式色散缺陷，其传输性能比单模光纤差，但成本低，适用于较小容量、短距传输。

使用长距光模块，其发送光功率一般大于过载光功率，因此需要关注光纤长度，保证实际接收光功率小于过载光功率。如果光纤长度较短，使用长距光模块时需要配合光纤光衰（光纤每单位长度上的衰减值，单位为dB/km）使用，以避免烧坏对端光模块。

按中心波长分类

光模块的工作波长是一个范围，为了方便描述使用中心波长这个参数，单位是纳米（nm）。

为了支持光信号传输使用不同的光波段，产生了不同中心波长的光模块，比如：850nm、1310nm、1550nm的光模块等。

按颜色分类

彩色光模块与其它类型的光模块的最大的区别是中心波长不同：

• 一般光模块的中心波长有850nm、1310nm和1550nm三类，中心波长比较单一，我们称该类光为“黑白光”或者“灰光”。

• 彩色光模块承载了若干不同中心波长的光，所以交集起来是五颜六色的，我们称该类光为“彩光”。

彩色光模块分为粗集波光模块（CWDM）和密集波光模块（DWDM）两种。在同一波段下，密集波光模块的种类更多，所以密集波光模块对波段的资源利用更充分。中心波长各异的光在同一根光纤中可以互不干涉的传输，因此，通过无源合波器将来自多路彩色光模块不同中心波长的光合成一路进行传输，远端则通过分波器根据不同的中心波长将光分出多路，有效的节省了光纤线路。彩色光模块主要应用于长距离的传输线路。

分类举例

根据上面介绍的分类，下面给出一些常见光模块的分类举例：

表1-3 常见光模块的分类举例

如何看懂光模块的命名

了解光模块命名规则就能读懂厂商光模块产品名称所包含的全部信息。本文以通用的命名规则进行分解说明。

表1-4 光模块的命名规则

光模块失效的主要原因及防护措施

光模块在应用中必须有规范化的操作方法，任何不规范的动作都可能造成隐性的损伤或者永久的失效。

光模块失效的主要原因

光模块失效的主要原因是ESD损伤导致的光模块性能变差，以及光口污染和损伤引起的光链路不通。光口污染和损伤的原因主要有：

1. 光模块的光口暴露在环境中，光口有灰尘进入而污染。

2. 使用的光纤连接器端面已经污染，光模块的光口被二次污染。

3. 带尾纤的光接头端面使用不当，比如：端面划伤等。

4. 使用了劣质的光纤连接器。

如何有效的防护光模块失效，主要分为ESD防护和物理防护两种。

ESD防护

ESD损伤是造成光器件性能变差、甚至器件光电功能丧失的一个主要问题。另外ESD损伤的光器件不易测试筛选，若失效很难快速地定位出来。

操作说明

1. 光模块在使用前的运输、转移过程中，必须在防静电包装内，不得随意取出，随意摆放。图1-4 模块在防静电包装盒内示意图
   图1-5 防静电标识示意图
   图1-6 模块在防静电袋内示意图
   

2. 在接触光模块前，必须佩戴防静电手套和防静电手环，安装光器件（含光模块）时也必须做好防静电措施。图1-7 防静电手套示意图
   图1-8 防静电腕带示意图
   

3. 测试设备或者应用设备必须有良好的接地线。图1-9 设备接地示意图
   

   严禁为方便安装，光模块从防静电包装被取出随意堆放，不做任何防护，犹如废品回收站。

物理保护

光模块内部激光器以及温度控制电路（TEC）较为脆弱，收到撞击后容易断裂或脱落，因此在运输和使用过程中都应注意物理防护。

光口沾污物用清洁棉棒轻擦即可，非专用清洁棒可能对光口造成损伤，清洁棉棒使用时用力过大可能导致棉棒中金属划伤陶瓷端面。

光模块的插入和拔出设计都以人手工操作模拟，推力与拉力设计也是模拟人工操作，安装与拆卸过程中不得使用器具类进行。

操作说明

1. 光模块应用时注意轻拿轻放，防止跌落；

2. 光模块插入时用手推入，不能使用其他金属工具进行；拔出时，先将拉环打开到解锁位置再拉拉环，不能使用其他金属工具进行。图1-10 光模块安装方法示意图
   
   

3. 光口清洁时要使用专用清洁棉棒，不能使用其他金属物质插入光口中。图1-11 用棉棒清洁光模块光口
   

CloudEngine系列数据中心交换机支持哪些类型的光模块

CloudEngine系列交换机上的光接口支持的光模块类型可以通过以下方式查阅：

1. 企业技术支持网站上对应产品的《硬件描述》手册，介绍“接口”处。

2. 硬件查询工具，选择要查询的产品和版本，可以查阅其支持的光模块。

《硬件描述》手册和“硬件查询工具”会持续随着产品、版本更新升级。

CloudEngine系列数据中心交换机是否可以使用外购光模块

CloudEngine系列交换机要求使用经过华为数据中心交换机认证的光模块，非认证光模块的可靠性无法保证，可能导致业务不稳定。由非华为数据中心交换机认证光模块导致的问题，华为将不承担责任，并在原则上不予以解决。

华为对交换机使用的光模块进行认证时，对光模块的功能进行了全面验证，有效的保证了光模块的质量。验证项目包括插拔、收发光功率、信号传输质量、基本信息读取、容错性、兼容性、EMC、环境性能等。

使用非认证光模块时，导致的常见问题及原因如表 使用非认证光模块的场景问题及原因所示。

表1-5 使用非认证光模块的场景问题及原因

可通过查看光模块的外观标签上是否有华为标识：

• 如果有，说明该光模块是经过华为数据中心交换机认证的光模块。

• 如果没有，可以在设备上通过display interface transceiver verbose查看光模块制造厂商名称的方式确认，如果查询到的Vendoer Name显示内容是“HUAWEI”，则表示是经过华为数据中心交换机认证的光模块，其他的显示内容表示是非华为数据中心交换机认证的光模块。或者可以将光模块的型号发给华为技术支持人员确认。

CloudEngine系列数据中心交换机之间光模块对接不通怎么办

背景信息

理论上接口标准类型相同即可对接，但实际使用时要注意收发光功率范围和传输距离。影响光模块对接的主要因素如表 影响光模块对接的主要因素所示。

表1-6 影响光模块对接的主要因素

故障现象

两个光接口通过光纤对接，本端端口Down，光模块对接不通。

可能原因

• 使用的光模块不是经过华为数据中心交换机认证的光模块。

• 光模块和光纤不匹配。

• 端口被shutdown。

• 发送光功率过低或者过高。

• 接收光功率过低或者过高。

• 两端对接的光模块不匹配。

故障处理步骤

1. 确认Down的端口上的光模块是否是经过华为数据中心交换机认证的，CE系列交换机需使用华为数据中心交换机认证的光模块，非认证光模块可靠性无法保证，可能导致端口无法UP。

2. 检查光模块和光纤是否匹配。

• 单模光模块（一般波长为1310nm、1550nm）对应单模光纤（一般是黄色）。

• 多模光模块（一般波长为850nm）对应多模光纤（一般是橙色）。

3. 执行命令display interface transceiver查看“Alarm information”下光模块是否有告警信息。

   <HUAWEI> display interface 10ge 1/0/1 transceiver  10GE1/0/1 transceiver information: -------------------------------------------------------------------  Common information:    Transceiver Type                      :10GBASE_SR    Connector Type                        :LC    Wavelength (nm)                       :850    Transfer Distance (m)                 :30(62.5um/125um OM1)                                           80(50um/125um OM2)                                           300(50um/125um OM3)                                           400(50um/125um OM4)    Digital Diagnostic Monitoring         :YES    Vendor Name                           :HUAWEI    Vendor Part Number                    :02318169    Ordering Name                         : -------------------------------------------------------------------  Manufacture information:    Manu. Serial Number                   :AQG269Y    Manufacturing Date                    :2013-10-20    Vendor Name                           :HUAWEI -------------------------------------------------------------------  Alarm information: -------------------------------------------------------------------

   如果出现LOS Alarm告警，则说明对端没有信号发送过来，在接口模式下执行命令display this查看两端端口是否shutdown，如果端口shutdown了，则执行undo shutdown操作。

4. 执行命令display interface transceiver verbose查看光模块的诊断信息，查看光模块是否有发送或接收光功率方面的告警信息。

   <HUAWEI> display interface 10ge 1/0/1 transceiver verbose  10GE1/0/1 transceiver information:
    -------------------------------------------------------------------  Common information:    Transceiver Type                      :10GBASE_SR    Connector Type                        :LC    Wavelength (nm)                       :850    Transfer Distance (m)                 :30(62.5um/125um OM1)                                           80(50um/125um OM2)                                           300(50um/125um OM3)                                           400(50um/125um OM4)    Digital Diagnostic Monitoring         :YES    Vendor Name                           :HUAWEI    Vendor Part Number                    :02318169    Ordering Name                         : -------------------------------------------------------------------  Manufacture information:    Manu. Serial Number                   :AQG269Y    Manufacturing Date                    :2013-10-20    Vendor Name                           :HUAWEI -------------------------------------------------------------------  Alarm information: -------------------------------------------------------------------  Diagnostic information:    Temperature (Celsius)                 :33.68    Voltage (V)                           :3.29    Bias Current (mA)                     :7.97    Bias High Threshold (mA)              :13.20    Bias Low Threshold (mA)               :4.00    Current RX Power (dBm)                :-2.15    Default RX Power High Threshold (dBm) :1.00    Default RX Power Low Threshold (dBm)  :-11.90    Current TX Power (dBm)                :-2.07    Default TX Power High Threshold (dBm) :1.00    Default TX Power Low Threshold (dBm)  :-9.30 -------------------------------------------------------------------

   光模块的诊断信息中，可以查看当前发送和接收的光功率值，以及默认的最高和最低功率值。

   因此，在端口插入光模块并对接成功后，要对发送或接收光功率方面的告警信息进行排查，避免因功率过低或者过高造成流量或者光模块不正常。

• 如果接收功率低（RxPower Low），说明本端接收到的信号过低，则可能出现端口不UP或者UP后报文收发有丢弃，此时请先排查传输距离是否过远，超出了对端光模块的传输距离，再排查光模块、光纤是否有损坏。

• 如果接收功率高（RxPower High），说明本端接收到的信号过高，可能原因是对端光模块为长距光模块，而实际传输距离太短，导致信号未衰减，此时应在对端光模块上增加光衰，以对本端光模块进行保护。

• 如果发送功率低（TxPower Low），说明本端光模块发送信号不好或光模块本身故障，可能会导致对端接收功率低，而造成端口不UP或者UP后报文收发有丢弃，请与技术支持人员联系。

• 如果发送功率高（TxPower High），说明本端光模块发送信号太强，可能会导致对端接收功率高，而造成对端光模块因接收功率持续过高而烧坏，可能原因是本端光模块故障，建议更换光模块。

5. 如果两端均没有任何告警，而端口又不UP，请先截取光模块的详细信息和日志，然后尝试更换别的光纤或光模块，看是否能UP，如果能UP，则说明原来的光纤或光模块本身有问题，请更换新的光纤或光模块，如果还是不能UP，请与技术支持人员联系。