图解通信原理与案例分析-9：SFP光通信案例--数字信号的2-ASK光调制解调
文本以SFP光模块的内部实现为案例，介绍数字电信号的光信号调制解调的基本原理。
即如何把二进制的数字电信号调制到光信号上进行传输，反之，如何从光信号中解调出二进制的数字电信号。
这部分的调制解调，完全是有SFP硬件实现的，不需要软件的编码。
1. SFP光通信在100M 以太网数组通信中的位置
在《以太网通信案例及其物理层工作原理深入剖析》一文中，已经深入探讨了以太网MAC层和物理层在数据通信中涉及到的关键技术。
文本主要探讨SFP光通信中的关键技术：数字信号的光调制原理。
SFP光通信在以太网通信中，属于物理层的PMD子层（Physical Medium Dependent sublayer ），即物理介质相关子层。
该子层的主要任务是把差分的数字电信号，调制到光信号上，通过光纤信道，进行远程有线传输。同时对光纤上的光信号进行解调，获取被调制的差分的数字电信号。
2. SFP简介
光通信（Optical Communication）是以光波为载波的通信方式。
光模块是光通信的核心器件，是通过光电转换来实现设备间信息传输的接口模块，由接收部分和发射部分组成。其中发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号，传输媒质为光纤。
SFP （Small Form-factor Pluggable）小型封装的电信号转换为光信号的接口器件。在电信和数据通信的光通信有广泛的应用。
3. SFP的硬件连接原理图
TXD+和TxD-：待发送的差分电信号
RXD+和RxD-：已接收的差分电信号
Tx Disable：使能光口的信号发送
Tx False：发送出错指示
LOS: Lost Of Signal指示，即光模块检测不到接收光信号。
MOD0DEF0-2：I2C总线读取EEPROM内容。
4. SFP内部模块组成与工作原理
发送方向：
（1）FP/DFB Laser Device：激光发送器
（2）Laser Driver：激光驱动器
接收方向：
PIN/APD detector：激光检测器或激光接收机
TIA:
LP Filter：低通滤波器
AMP Limiter：限幅放大器
Line Driver：电信号驱动器，用于产生接收差分电信号。
4.1 SFP电信号的调制与光信号的发送
4.1.1 FP/DFB Laser Device：激光发射器或称为发光器
发光器在激光驱动器的控制下，发出光信号。
常见的发光器有两大类：
发光二极管LED与激光二极管。
发光二极管，简称为LED：
发光二极管是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，它在照明领域应用广泛。
虽然发光二极管能够发送几毫瓦的光功率，光功率与其施加的电压成正比， 但是发光二极管LED发出的光的方向性较差，之后1%-2%的光信号能够耦合到光纤中进行传输，价格低廉，只有在速率比较低的场合下才会应用到，比如100米光传输距离的场合。
激光二极管：
激光二极管中的P-N结由两个掺杂的砷化镓层形成。它有两个平端结构，平行于一端镜像（高度反射面）和一个部分反射。要发射的光的波长与连接处的长度正好相关。
当P-N结由外部电压源正向偏置时，电子通过结而移动，并像普通二极管那样重新组合。当电子与空穴复合时，光子被释放。这些光子撞击原子，导致更多的光子被释放。
随着正向偏置电流的增加，更多的电子进入耗尽区并导致更多的光子被发射。最终，在耗尽区内随机漂移的一些光子垂直照射反射表面，从而沿着它们的原始路径反射回去。反射的光子再次从结的另一端反射回来。光子从一端到另一端的这种运动连续多次。在光子运动过程中，由于雪崩效应，更多的原子会释放更多的光子。这种反射和产生越来越多的光子的过程产生非常强烈的激光束。在上面解释的发射过程中产生的每个光子与在能级，相位关系和频率上的其他光子相同。因此，发射过程给出单一波长的激光束。
为了产生一束激光，必须使激光二极管的电流超过一定的阈值电平。低于阈值水平的电流迫使二极管表现为普通的LED，发出非相干光。
激光的强度与施加二极管两端的电流成正比。
激光二极管的种类：
（1）VCSEL激光器(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser,VCSEL)简称垂直腔面射激光器。
它以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED（发光二极管）和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。
（2）FP激光器
FP（Fabry-perot）激光器是以FP腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。
FP激光器主要用于低速率短距离传输，比如传输距离一般在20公里以内，速率一般在1.25G以内，
FP的分两种波长，1310nm/1550nm。
（3）DFB激光器
DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一个纵模输出。
DFB( Distributed Feedback Laser)一般也用2种波长1310nm、1550nm，
分为制冷和无制冷，主要用于高速中长距离传输，传输距离一般在40公里以上。
FP与DFB激光器的主要区别是：谱宽不一样，
DFB激光器的谱宽一般都比较窄，是分布式负反馈的单纵模。
而FP激光器的谱宽相对比较宽，是一个多纵模的激光器。
它们的工作波长、阀值电流和正向电压也有所不同。
输入电流与光信号幅度/强度的关系：
上图可以看出：
（1）输入的电流必须大于其阈值电流，激光器才开始发光，输入小于阈值电流时，激光器是不发光的，因此必须保证待调制的二进制数据的物理电信号电压幅度大于一定的幅度（电压/电阻=电流）。
因此二进制数字调制的本质是ASK：
ASK ——幅移键控调制，把二进制电信号的符号0和1，分别用载波信号不同的幅度来表示。
在上述调制中，有光信号表示高电平电信号，无光信号表示电平电信号（幅度为0）。
载波信号为一定波长，如1310ns或850ns或1510ns的光波。
（2）电压的幅度与光信号强度成正比。
因此，在上述图形示意的调制中，要确保低电平信号产生的电流小于激光器的阈值电流。
4.1.2 Laser Driver：激光驱动器
产生激光器发光所需要的电流。
SFP模块的电信号输入是差分信号Tx+和Tx-, 激光驱动器的作用：
把差分电信号Tx+/Tx-转换成能够驱动激光器所需要电流的电信号。
4.2 SFP光信号的接收与电信号的解调
4.2.1 PIN/APD detector：激光检测器或激光接收机
4.2.2 TIA:
TIA跨阻放大器Transimpedanceamplifier.
用于光通信系统中，将微弱的光信号转换成后微软的电信号进行一定强度低噪声放大。
光电流通过跨阻放大器放大输出，这样就实现了光信号转换成电信号进而将电信号初步放大的功能。
我们会根据TIA的要求，采用-5.2V、3.3V或其它的供电形式，用不同的外围电路形式来完成封装。
4.2.3 LP Filter：低通滤波器
低通滤波(Low-pass filter) 是一种过滤方式，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。
4.2.4 AMP Limiter：电流限制器
用于防止光信号强度过大是，生产过大的电流信号，破坏后续的电子电路。
4.2.5 Line Driver：电信号驱动器
把激光接收器的电信号，转换成接收差分电信号。
从4.2.1的激光接收机到到4.2.5的电信号驱动器，把调制的电信号从接收到的光信号中恢复出来的整个过程，即为解调的过程。
参考：
光模块原理简介 https://wenku.baidu.com/view/4d65d55d0722192e4536f6e8.html