說到光模塊，相信大家一定不會覺得陌生。

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景都已經(jīng)實現(xiàn)了“光進銅退”。也就是說，以同軸電纜、網(wǎng)線為代表的金屬介質通信，逐漸被光纖介質所取代。

而光模塊，就是光纖通信系統(tǒng)的核心器件之一。

光模塊的組成結構

光模塊，英文名叫Optical Module。Optical，意思是“視力的，視覺的，光學的”。

準確來說，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，就是實現(xiàn)光電轉換。把光信號變成電信號，把電信號變成光信號，這樣子。

雖然看似簡單，但實現(xiàn)過程的技術含量并不低。

一個光模塊，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，驅動芯片對原始電信號進行處理，然后驅動半導體激光器(LD)或發(fā)光二極管(LED)發(fā)射出調(diào)制光信號。

在接收端，光信號進來之后，由光探測二極管轉換為電信號，經(jīng)前置放大器后輸出電信號。

光模塊的封裝

對于初學者來說，光模塊最讓人抓狂的，是它極為復雜的封裝名稱，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準。它是區(qū)分光模塊的最主要方式。

之所以光模塊會存在如此之多的不同封裝標準，究其原因，主要是因為光纖通信技術的發(fā)展速度實在太快。

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，就會出新的封裝標準。新舊封裝標準之間，通常也很難兼容通用。

此外，光模塊的應用場景存在多樣性，也是導致封裝標準變多的一個原因。不同的傳輸距離、帶寬需求、使用場所，對應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準化組織。因為這些封裝，都是標準化組織確定的。

目前全球對光通信進行標準化的組織有好幾個，例如大家都很熟悉的IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)、ITU-T(國際電聯(lián))，還有MSA(多源協(xié)議)、OIF(光互聯(lián)論壇)、CCSA(中國通信標準化協(xié)會)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)。它是一種多供應商規(guī)范，相比IEEE算是一個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，比較準確地描述了不同封裝的出現(xiàn)時期，還有對應的工作速率。

那些太老的或很少見的標準我們就不管了，主要看看常見的封裝。

GBIC

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

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

SFP

因為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(減少了一些信號控制功能)。

可以對比一下大小

SFP28

速率達到25Gbps的SFP，主要是因為當時40G和100G光模塊價格太貴，所以搞了這么個折衷過渡方案。

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Quad Small Form-factor Pluggable，四通道SFP接口。很多XFP中成熟的關鍵技術都應用到了該設計中。

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?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信號格式。采用PAM4，最高可以支持400Gbps速率。

NRZ和PAM4

PAM4(4 Pulse Amplitude Modulation)是一個“翻倍”技術。

對于光模塊來說，如果想要實現(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)字信號最多采用的是NRZ(Non-Return-to-Zero)信號，即采用高、低兩種信號電平來表示要傳輸?shù)臄?shù)字邏輯信號的1、0信息，每個信號符號周期可以傳輸1bit的邏輯信息。

而PAM信號采用4個不同的信號電平來進行信號傳輸，每個符號周期可以表示2個bit的邏輯信息(0、1、2、3)。在相同通道物理帶寬情況下，PAM4傳輸相當于NRZ信號兩倍的信息量，從而實現(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100-400Gbps。

CFP是在SFP接口基礎上設計的，尺寸更大，支持100Gbps數(shù)據(jù)傳輸。CFP可以支持單個100G信號，一個或多個40G信號。

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400G提出的封裝形式，其尺寸與CFP2相當。支持25Gbps和50Gbps的通道速率，通過16x25G或8x50電接口實現(xiàn)400Gbps模塊速率。

OSFP

這個和我們常說的OSPF路由協(xié)議有點容易混淆哈。

OSFP，Octal Small Form Factor Pluggable，“O”代表“八進制”，2016年11月正式啟動。

它被設計為使用8個電氣通道來實現(xiàn)400GbE(8*56GbE，但56GbE的信號由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準。

400G光模塊

大家注意到，剛才介紹封裝的時候，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)的主要競爭方向。現(xiàn)在400G也是規(guī)模商用的初期階段。

眾所周知，因為5G網(wǎng)絡建設的大規(guī)模啟動，加上云計算迅猛發(fā)展、大規(guī)模數(shù)據(jù)中心批量建設，ICT行業(yè)對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的實現(xiàn)方式，采用CDFP或CFP8的封裝。

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

后來，開始采用PAM4取代NRZ。

在光口側主要是使用8路53Gbps PAM4或者4路106Gbps PAM4實現(xiàn)400G的信號傳輸，在電口側使用8路53Gbps PAM4電信號，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，所以更適合電信應用。

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

400G光模塊價格(來自某廠商網(wǎng)站，僅供參考)

還有一個值得一提的，是硅基光，也就是經(jīng)常提到的硅光。

硅光技術在400G時代被認為有廣闊的應用前景和競爭力，目前受到很多企業(yè)和研究機構的關注。

光模塊的關鍵概念

插播了一下400G，我們回過頭來繼續(xù)說光模塊的分類。

在封裝的基礎上，配合一些參數(shù)，就會有光模塊的命名。

以100G為例，我們經(jīng)常會看到的光模塊有以下幾種：

其中100GBASE開頭的標準都是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，四通道粗波分復用)

我們看IEEE 802.3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，還會有MSA的PSM4和CWDM4，是因為當時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)，我們再來看看中心波長。

光的波長，直接決定了它的物理特性。目前我們在光纖里使用的光，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。

對于單模和多模，裸模塊如果沒有標識的話，很容易混淆。

所以，一般廠家會在拉環(huán)的顏色上進行區(qū)分：

藍色和黃色

這里我們順便提一下CWDM和DWDM，大家應該也經(jīng)?？吹?。

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

波分復用和頻分復用

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

DWDM，是密集型WDM，Dense WDM。CWDM，就是稀疏型WDM，Coarse WDM?？疵志蛻撁靼祝珼-WDM里面波長間隔更小。

WDM的優(yōu)點就是容量大，而且它可以遠距離傳輸。

順便說一下BiDi，這個概念現(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，其實就是加了一個濾波器，發(fā)送和接收的波長不同，可以實現(xiàn)同時收發(fā)。

BiDi單纖雙向光模塊

光模塊的基本指標

光模塊的基本指標主要包括以下幾個：

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?？梢岳斫鉃楣獾膹姸龋瑔挝粸閃或mW或dBm。其中W或mW為線性單位，dBm為對數(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的光功率對應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量的重要參數(shù)之一。

它是指全調(diào)制條件下信號平均光功率與空號平均光功率比值的最小值，表示0、1信號的區(qū)別能力。光模塊中影響消光比的兩個因素：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標準的光模塊才好。

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)時的最大輸入光功率，單位：dBm。

需要注意的是，光探測器在強光照射下會出現(xiàn)光電流飽和現(xiàn)象，當出現(xiàn)此現(xiàn)象后，探測器需要一定的時間恢復，此時接收靈敏度下降，接收到的信號有可能出現(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器，在使用操作中應盡量避免超出其飽和光功率。

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。

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

光模塊產(chǎn)業(yè)鏈

整個5G網(wǎng)絡建設，最花錢的地方有兩個，一個是基站，還有一個就是光承載網(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，國內(nèi)廠商在中低端芯片占有優(yōu)勢。但國內(nèi)廠商在不斷向高端市場進行突破。高端芯片的利潤率高于低端，這個是顯然的。

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，面對設備商(華為、中興)，光通信企業(yè)也比較“卑微”，沒有什么議價能力。

行業(yè)競爭激烈，新產(chǎn)品、高端產(chǎn)品，利潤較多，但時間一長，利潤就會縮水。

反正大概就是這么個情況。

關于產(chǎn)業(yè)鏈的具體情況，因為5G的原因，現(xiàn)在券商們非常關注，也輸出了很多的相關報告，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!

參考文獻：

1.《光模塊行業(yè)深度報告》，德邦證券

2.《5G承載光模塊白皮書》，IMT2020推進組

3.《對于100G光模塊，你了解多少》，專說光通信

4.《產(chǎn)業(yè)圖解：5G(光模塊)》，佚名