說到光模塊，相信大家一定不會(huì)覺得陌生。

　　隨著光通信的高速發(fā)展，現(xiàn)在我們工作和生活中很多場(chǎng)景都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“光進(jìn)銅退”。也就是說，以同軸電纜、網(wǎng)線為代表的金屬介質(zhì)通信，逐漸被光纖介質(zhì)所取代。

　　而光模塊，就是光纖通信系統(tǒng)的核心器件之一。

　　一、光模塊的組成結(jié)構(gòu)

　　光模塊，英文名叫Optical Module。Optical，意思是“視力的，視覺的，光學(xué)的”。

　　準(zhǔn)確來說，光模塊是多種模塊類別的統(tǒng)稱，具體包括：光接收模塊，光發(fā)送模塊，光收發(fā)一體模塊和光轉(zhuǎn)發(fā)模塊等。

　　現(xiàn)今我們通常所說的光模塊，一般是指光收發(fā)一體模塊（下文也是如此）。

　　光模塊工作在物理層，也就是 OSI 模型中的最底層。它的作用說起來很簡單，就是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。把光信號(hào)變成電信號(hào)，把電信號(hào)變成光信號(hào)，這樣子。

　　雖然看似簡單，但實(shí)現(xiàn)過程的技術(shù)含量并不低。

　　一個(gè)光模塊，通常由光發(fā)射器件（TOSA，含激光器）、光接收器件（ROSA，含光探測(cè)器）、功能電路和光（電）接口等部分組成。　　

光模塊的組成

　　在發(fā)射端，驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)原始電信號(hào)進(jìn)行處理，然后驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器（LD）或發(fā)光二極管（LED）發(fā)射出調(diào)制光信號(hào)。

　　在接收端，光信號(hào)進(jìn)來之后，由光探測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)前置放大器后輸出電信號(hào)。

　　二、光模塊的封裝

　　對(duì)于初學(xué)者來說，光模塊最讓人抓狂的，是它極為復(fù)雜的封裝名稱，還有讓人眼花繚亂的參數(shù)。

封裝的名稱，這些只是其中一部分

　　封裝，可以簡單理解為款型標(biāo)準(zhǔn)。它是區(qū)分光模塊的最主要方式。

　　之所以光模塊會(huì)存在如此之多的不同封裝標(biāo)準(zhǔn)，究其原因，主要是因?yàn)楣饫w通信技術(shù)的發(fā)展速度實(shí)在太快。

　　光模塊的速率不斷提升，體積也在不斷縮小，以至于每隔幾年，就會(huì)出新的封裝標(biāo)準(zhǔn)。新舊封裝標(biāo)準(zhǔn)之間，通常也很難兼容通用。

　　此外，光模塊的應(yīng)用場(chǎng)景存在多樣性，也是導(dǎo)致封裝標(biāo)準(zhǔn)變多的一個(gè)原因。不同的傳輸距離、帶寬需求、使用場(chǎng)所，對(duì)應(yīng)使用的光纖類型就不同，光模塊也隨之不同。

　　小棗君簡單羅列了一下包括封裝在內(nèi)的光模塊分類方式，如下表所示：

光模塊的分類方式

　　在講解封裝和分類之前，我們先介紹一下光通信的標(biāo)準(zhǔn)化組織。因?yàn)檫@些封裝，都是標(biāo)準(zhǔn)化組織確定的。

　　目前全球?qū)馔ㄐ胚M(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的組織有好幾個(gè)，例如大家都很熟悉的IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）、ITU-T（國際電聯(lián)），還有MSA（多源協(xié)議）、OIF（光互聯(lián)論壇）、CCSA（中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）等。

　　行業(yè)里用的最多的，是 IEEE 和 MSA。

　　MSA 大家可能不怎么熟悉，它的英文名是 Multi Source Agreement（多源協(xié)議）。它是一種多供應(yīng)商規(guī)范，相比 IEEE 算是一個(gè)民間的非官方組織形式，可以理解是產(chǎn)業(yè)內(nèi)企業(yè)聯(lián)盟行為。

　　好了，我們開始介紹封裝。

　　首先大家可以看一下下面這張圖，比較準(zhǔn)確地描述了不同封裝的出現(xiàn)時(shí)期，還有對(duì)應(yīng)的工作速率。

　　那些太老的或很少見的標(biāo)準(zhǔn)我們就不管了，主要看看常見的封裝。

• GBIC

　　GBIC，就是 Giga Bitrate Interface Converter（千兆接口轉(zhuǎn)換器）。

　　在 2000 年之前，GBIC 是最流行的光模塊封裝，也是應(yīng)用最廣泛的千兆模塊形態(tài)。

• SFP

　　因?yàn)?GBIC 的體積比較大，后來，SFP 出現(xiàn)，開始取代 GBIC 的位置。

　　SFP，全稱 Small Form-factor Pluggable，即小型可熱插拔光模塊。它的小，就是相對(duì) GBIC 封裝來說的。

　　SFP 的體積比 GBIC 模塊減少一半，可以在相同的面板上配置多出一倍以上的端口數(shù)量。在功能上，兩者差別不大，都支持熱插拔。SFP 支持最大帶寬是 4Gbps。

• XFP

　　XFP，是 10-Gigabit Small Form-factor Pluggable，一看就懂，就是萬兆 SFP。

　　XFP 采用一條 XFI（10Gb 串行接口）連接的全速單通道串行模塊，可替代 Xenpak 及其派生產(chǎn)品。

• SFP+

　　SFP+，它和 XFP 一樣是 10G 的光模塊。

　　SFP+ 的尺寸和 SFP 一致，比 XFP 更緊湊（縮小了 30% 左右），功耗也更小（減少了一些信號(hào)控制功能）。

可以對(duì)比一下大小

• SFP28　　

　　速率達(dá)到 25Gbps 的 SFP，主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí) 40G 和 100G 光模塊價(jià)格太貴，所以搞了這么個(gè)折衷過渡方案。

• QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

　　Quad Small Form-factor Pluggable，四通道SFP 接口。很多 XFP 中成熟的關(guān)鍵技術(shù)都應(yīng)用到了該設(shè)計(jì)中。

　　根據(jù)速度可將 QSFP 分為4×10G QSFP+、4×25G QSFP28、8×25G QSFP28-DD 光模塊等。

　　以 QSFP28 為例，它適用于 4x25GE 接入端口。使用 QSFP28 可以不經(jīng)過 40G 直接從 25G 升級(jí)到 100G，大幅簡化布線難度以及降低成本。

QSFP28

　　QSFP-DD，成立于 2016 年 3 月，DD 指的是“Double Density（雙倍密度）”。將 QSFP 的 4 通道增加了一排通道，變?yōu)榱?8 通道。

　　它可以與 QSFP 方案兼容，原先的 QSFP28 模塊仍可以使用，只需再插入一個(gè)模塊即可。QSFP-DD 的電口金手指數(shù)量是 QSFP28 的 2 倍。

QSFP-DD

　　QSFP-DD 每路采用 25Gbps NRZ 或者 50Gbps PAM4 信號(hào)格式。采用 PAM4，最高可以支持400Gbps速率。

　　NRZ和 PAM4PAM4（4 Pulse Amplitude Modulation）是一個(gè)“翻倍”技術(shù)。

　　對(duì)于光模塊來說，如果想要實(shí)現(xiàn)速率提升，要么增加通道數(shù)量，要么提高單通道的速率。

　　傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)最多采用的是 NRZ（Non-Return-to-Zero）信號(hào)，即采用高、低兩種信號(hào)電平來表示要傳輸?shù)臄?shù)字邏輯信號(hào)的1、0 信息，每個(gè)信號(hào)符號(hào)周期可以傳輸 1bit 的邏輯信息。

　　而 PAM 信號(hào)采用 4 個(gè)不同的信號(hào)電平來進(jìn)行信號(hào)傳輸，每個(gè)符號(hào)周期可以表示 2 個(gè) bit 的邏輯信息（0、1、2、3）。在相同通道物理帶寬情況下，PAM4 傳輸相當(dāng)于 NRZ 信號(hào)兩倍的信息量，從而實(shí)現(xiàn)速率的倍增。

• CFP/CFP2/CFP4/CFP8

　　Centum gigabits Form Pluggable，密集波分光通信模塊。傳輸速率可達(dá) 100－400Gbps。

　　CFP 是在 SFP 接口基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，尺寸更大，支持 100Gbps 數(shù)據(jù)傳輸。CFP 可以支持單個(gè) 100G 信號(hào)，一個(gè)或多個(gè) 40G 信號(hào)。

　　CFP、CFP2、CFP4 的區(qū)別在于體積。CFP2 的體積是 CFP 的二分之一，CFP4 是 CFP 的四分之一。

　　CFP8 是專門針對(duì) 400G 提出的封裝形式，其尺寸與 CFP2 相當(dāng)。支持 25Gbps 和 50Gbps 的通道速率，通過 16x25G 或 8x50 電接口實(shí)現(xiàn)400Gbps模塊速率。

• OSFP　　

　　這個(gè)和我們常說的 OSPF 路由協(xié)議有點(diǎn)容易混淆哈。

　　OSFP，Octal Small Form Factor Pluggable，“O”代表“八進(jìn)制”，2016 年 11 月正式啟動(dòng)。

　　它被設(shè)計(jì)為使用 8 個(gè)電氣通道來實(shí)現(xiàn)400GbE（8*56GbE，但 56GbE 的信號(hào)由 25G 的 DML 激光器在 PAM4 的調(diào)制下形成），尺寸略大于 QSFP-DD，更高瓦數(shù)的光學(xué)引擎和收發(fā)器，散熱性能稍好。

　　以上，就是常見的一些光模塊封裝標(biāo)準(zhǔn)。

　　四、400G 光模塊

　　大家注意到，剛才介紹封裝的時(shí)候，小棗君一共提到了 3 種支持 400Gbps 的光模塊，分別是QSFP-DD、CFP8 和 OSFP。

　　400G，是目前光通信產(chǎn)業(yè)的主要競(jìng)爭方向。現(xiàn)在 400G 也是規(guī)模商用的初期階段。

　　眾所周知，因?yàn)?5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的大規(guī)模啟動(dòng)，加上云計(jì)算迅猛發(fā)展、大規(guī)模數(shù)據(jù)中心批量建設(shè)，ICT 行業(yè)對(duì) 400G 的需求變得越發(fā)迫切。

　　早期的 400G 光模塊，使用的是 16 路 25Gbps NRZ 的實(shí)現(xiàn)方式，采用 CDFP 或 CFP8 的封裝。

　　這種實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)是可以借用在 100G 光模塊上成熟的 25G NRZ 技術(shù)。但缺點(diǎn)是需要 16 路信號(hào)進(jìn)行并行傳輸，功耗和體積都比較大，不太適合數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。

　　后來，開始采用 PAM4 取代 NRZ。

　　在光口側(cè)主要是使用 8 路 53Gbps PAM4 或者 4 路 106Gbps PAM4 實(shí)現(xiàn) 400G 的信號(hào)傳輸，在電口側(cè)使用 8 路 53Gbps PAM4 電信號(hào)，采用 OSFP 或 QSFP-DD 的封裝形式。

　　相比較來說，QSFP-DD 封裝尺寸更小（和傳統(tǒng) 100G 光模塊的 QSFP28 封裝類似），更適合數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。OSFP 封裝尺寸稍大一些，由于可以提供更多的功耗，所以更適合電信應(yīng)用。

　　目前的 400G 光模塊，不管是哪種封裝，價(jià)格都很昂貴，離用戶的期望值還有很大差距。所以，暫時(shí)還無法快速進(jìn)行全面普及。

400G 光模塊價(jià)格（來自某廠商網(wǎng)站，僅供參考）

　　還有一個(gè)值得一提的，是硅基光，也就是經(jīng)常提到的硅光。

　　硅光技術(shù)在 400G 時(shí)代被認(rèn)為有廣闊的應(yīng)用前景和競(jìng)爭力，目前受到很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

　　五、光模塊的關(guān)鍵概念

　　插播了一下 400G，我們回過頭來繼續(xù)說光模塊的分類。

　　在封裝的基礎(chǔ)上，配合一些參數(shù)，就會(huì)有光模塊的命名。

　　以 100G 為例，我們經(jīng)常會(huì)看到的光模塊有以下幾種：

　　其中 100GBASE 開頭的標(biāo)準(zhǔn)都是 IEEE 802.3 工作組提出的。PSM4 和 CWDM4 是 MSA 的。

• PSM4（Parallel Single Mode 4 lanes，并行單模四通道）
• CWDM4（Coarse Wavelength Division Multiplexer 4 lanes，四通道粗波分復(fù)用）

　　我們看 IEEE802.3 的命名：

　　如上圖所示：100GBASE－LR4 名稱中，LR 表示 long reach，即 10Km，4 表示四通道，即4＊25G，組合在一起為可以傳輸 10Km 的 100G 光模塊。其中－R的命名規(guī)則如下：

-R 名詞解釋

　　之所以有了 IEEE 的 100GBASE，還會(huì)有 MSA 的 PSM4 和 CWDM4，是因?yàn)楫?dāng)時(shí) 100GBASE-SR4 支持的距離太短，不能滿足所有的互聯(lián)需求，而 100GBASE-LR4 成本太高。PSM4 和 CWDM4 提供了中距離更好的解決方案。

　　除了距離和通道數(shù)，我們?cè)賮砜纯?strong>中心波長。

　　光的波長，直接決定了它的物理特性。目前我們?cè)诠饫w里使用的光，中心波長主要分為 850nm、1310nm 和 1550nm（nm 就是納米）。

　　其中，850nm 主要用于多模，1310nm 和 1550nm 主要用于單模。

　　關(guān)于單模和多模，以前小棗君介紹光纖的時(shí)候詳細(xì)說過，可以參考這里：光纖光纜的基礎(chǔ)知識(shí)

　　對(duì)于單模和多模，裸模塊如果沒有標(biāo)識(shí)的話，很容易混淆。

　　所以，一般廠家會(huì)在拉環(huán)的顏色上進(jìn)行區(qū)分：

　　

藍(lán)色和黃色

　　這里我們順便提一下CWDM和DWDM，大家應(yīng)該也經(jīng)常看到。

　　WDM，就是Wavelength Division Multiplexing（波分復(fù)用）。簡單來說，就是把不同波長的光信號(hào)復(fù)用到同一根光纖中進(jìn)行傳輸。

波分復(fù)用和頻分復(fù)用

其實(shí)，波分復(fù)用就是一種頻分復(fù)用。波長×頻率=光速（固定值），所以按波長分其實(shí)就是按頻率分。而光通信里面，人們習(xí)慣按波長命名。

　　DWDM，是密集型 WDM，Dense WDM。CWDM，就是稀疏型 WDM，Coarse WDM。看名字就應(yīng)該明白，D-WDM 里面波長間隔更小。

　　WDM 的優(yōu)點(diǎn)就是容量大，而且它可以遠(yuǎn)距離傳輸。

　　順便說一下BiDi，這個(gè)概念現(xiàn)在也頻繁被提及。

　　BiDi（BiDirectional）就是單纖雙向，一根光纖，雙向收發(fā)。工作原理如下圖所示，其實(shí)就是加了一個(gè)濾波器，發(fā)送和接收的波長不同，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)收發(fā)。

BiDi 單纖雙向光模塊

　　六、光模塊的基本指標(biāo)

　　光模塊的基本指標(biāo)主要包括以下幾個(gè)：

• 輸出光功率

　　輸出光功率指光模塊發(fā)送端光源的輸出光功率。可以理解為光的強(qiáng)度，單位為W或 mW 或 dBm。其中W或 mW 為線性單位，dBm 為對(duì)數(shù)單位。在通信中，我們通常使用 dBm 來表示光功率。

　　光功率衰減一半，降低 3dB，0dBm 的光功率對(duì)應(yīng) 1mW。

• 接收靈敏度最大值

　　接收靈敏度指的是在一定速率、誤碼率情況下光模塊的最小接收光功率，單位：dBm。

　　一般情況下，速率越高接收靈敏度越差，即最小接收光功率越大，對(duì)于光模塊接收端器件的要求也越高。

• 消光比

　　消光比是用于衡量光模塊質(zhì)量的重要參數(shù)之一。

　　它是指全調(diào)制條件下信號(hào)平均光功率與空號(hào)平均光功率比值的最小值，表示0、1 信號(hào)的區(qū)別能力。光模塊中影響消光比的兩個(gè)因素：偏置電流（bias）與調(diào)制電流（Mod），姑且看成 ER=Bias/Mod。

　　消光比的值并非越大光模塊越好，而是消光比滿足 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的光模塊才好。

• 光飽和度

　　又稱飽和光功率，指的是在一定的傳輸速率下，維持一定的誤碼率（10-10～10-12）時(shí)的最大輸入光功率，單位：dBm。

　　需要注意的是，光探測(cè)器在強(qiáng)光照射下會(huì)出現(xiàn)光電流飽和現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)此現(xiàn)象后，探測(cè)器需要一定的時(shí)間恢復(fù)，此時(shí)接收靈敏度下降，接收到的信號(hào)有可能出現(xiàn)誤判而造成誤碼現(xiàn)象，而且還非常容易損壞接收端探測(cè)器，在使用操作中應(yīng)盡量避免超出其飽和光功率。

　　七、光模塊的產(chǎn)業(yè)鏈

　　最后我們簡單說一下光模塊的產(chǎn)業(yè)鏈。

　　目前光模塊的市場(chǎng)很火，主要原因前面說過了，因?yàn)?5G 和數(shù)據(jù)中心。

光模塊產(chǎn)業(yè)鏈

　　整個(gè) 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，最花錢的地方有兩個(gè)，一個(gè)是基站，還有一個(gè)就是光承載網(wǎng)。光承載網(wǎng)里面，光纖的水份不多，但是光模塊比較讓人頭大。

　　光模塊里面，最貴的是芯片。激光器和光探測(cè)器里面的芯片，占了一半以上的成本。

　　而芯片這塊，目前的現(xiàn)狀是：國外廠商在高端芯片上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)廠商在中低端芯片占有優(yōu)勢(shì)。但國內(nèi)廠商在不斷向高端市場(chǎng)進(jìn)行突破。高端芯片的利潤率高于低端，這個(gè)是顯然的。

　　從整體上來看，中國光通信企業(yè)有超過 1000 家，但利潤率都非常低。而且，在產(chǎn)業(yè)鏈格局上，面對(duì)設(shè)備商（華為、中興），光通信企業(yè)也比較“卑微”，沒有什么議價(jià)能力。

　　行業(yè)競(jìng)爭激烈，新產(chǎn)品、高端產(chǎn)品，利潤較多，但時(shí)間一長，利潤就會(huì)縮水。

　　反正大概就是這么個(gè)情況。

　　關(guān)于產(chǎn)業(yè)鏈的具體情況，因?yàn)?5G 的原因，現(xiàn)在券商們非常關(guān)注，也輸出了很多的相關(guān)報(bào)告，大家可以自行搜索閱讀一下。

　　好啦，以上就是今天文章的所有內(nèi)容。感謝大家的耐心觀看，我們下期再見！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的关于光模块，看这一篇就够啦！的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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