干货互鉴：一文看懂光模块

说到光模块，相信朋友们必然不会以为目生。

跟着光通讯的高速开展，当今咱们工作和生活中许多场景都曾经实现了“光进铜退”。也即是说，以同轴电缆、网线为代表的金属介质通讯，渐渐被光纤介质所取代。

而光模块，即是光纤通讯体系的焦点器件之一。

光模块的组成布局

光模块，英文名叫Optical Module。Optical，意义是“目力的，视觉的，光学的”。

精确来说，光模块是多种模块种别的统称，详细包含：光汲取模块，光发送模块，光收发一体模块和光转发模块等。

现今咱们平时所说的光模块，普通是指光收发一体模块（下文也是云云）。

光模块工作在物理层，也即是OSI模子中的非常底层。它的好处提及来非常简单，即是实现光电转换。把光灯号造成电灯号，把电灯号造成光灯号，如许子。

固然看似简单，但实现历程的技术含量并不低。

一个光模块，平时由光发射器件（TOSA，含激光器）、光汲取器件（ROSA，含光探测器）、功效电路和光（电）接口等片面组成。

光模块的组成

在发射端，驱动芯片对原始电灯号进行处分，而后驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出调制光灯号。

在汲取端，光灯号进入以后，由光探测二极管转换为电灯号，经前置放大器后输出电灯号。

光模块的封装

对于初学者来说，光模块非常让人抓狂的，是它极为复杂的封装称号，另有让人目眩狼籍的参数。

封装的称号，这些只是此中一片面

封装，能够简单明白为款型规范。它是辨别光模块的非常要紧方法。

之因此光模块会存在云云之多的不同封装规范，究其缘故，要紧是因为光纤通讯技术的开展速度着实太快。

光模块的速度接续晋升，体积也在接续收缩，以至于每隔几年，就会出新的封装规范。新旧封装规范之间，平时也非常难兼容通用。

别的，光模块的应用场景存在多样性，也是造成封装规范变多的一个缘故。不同的传输间隔、带宽需要、应用的地方，对应应用的光纤范例就不同，光模块也随之不同。

小枣君简单罗列了一下包含封装在内的光模块分类方法，以下表所示：

光模块的分类方法

在疏解封装和分类以前，咱们先说明一下光通讯的规范化构造。因为这些封装，都是规范化构造断定的。

当前环球对光通讯进行规范化的构造有好几个，比方朋友们都非常谙习的IEEE（电气和电子工程师协会）、ITU-T（国外电联），另有MSA（多源和谈）、OIF（光互联论坛）、CCSA（中国通讯规范化协会）等。

行业里用的至多的，是IEEE和MSA。

MSA朋友们大约不怎么谙习，它的英文名是Multi Source Agreement（多源和谈）。它是一种多提供商规范，相比IEEE算是一个民间的非官方构造形式，能够明白是家当内企业同盟举动。

好了，咱们首先说明封装。

首先朋友们能够看一下底下这张图，相对精确地形貌了不同封装的发现时期，另有对应的工作速度。

那些太老的或非常少见的规范咱们就无论了，要紧看看多见的封装。

GBIC

GBIC，即是Giga Bitrate Interface Converter（千兆接口转换器）。

在2000年以前，GBIC是非常盛行的光模块封装，也是应用非常宽泛的千兆模块形状。

SFP

因为GBIC的体积相对大，后来，SFP发现，首先取代GBIC的位置。

SFP，全称Small Form-factor Pluggable，即小型可热插拔光模块。它的小，即是相对GBIC封装来说的。

SFP的体积比GBIC模块削减一半，能够在相像的面板上配置多出一倍以上的端口数目。在功效上，两者差别不大，都支持热插拔。SFP支持非常大带宽是4Gbps。

XFP

XFP，是10-Gigabit Small Form-factor Pluggable，一看就懂，即是万兆SFP。

XFP接纳一条XFI（10Gb串行接口）连接的全速单通道串行模块，可替代Xenpak及其派制造物。

SFP+

SFP+，它和XFP同样是10G的光模块。

SFP+的尺寸和SFP一致，比XFP更紧凑（收缩了30%摆布），功耗也更小（削减了少许灯号掌握功效）。

能够比拟一下大小

SFP28

速度到达25Gbps的SFP，要紧是因为其时40G和100G光模块费用太贵，因此搞了这么个折中过渡方案。

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Quad Small Form-factor Pluggable，四通道SFP接口。许多XFP中成熟的环节技术都应用到了该设计中。

凭据速度可将QSFP分为4×10G QSFP+、4×25G QSFP28、8×25G QSFP28-DD光模块等。

以QSFP28为例，它适合于4x25GE接入端口。应用QSFP28能够不经由40G干脆从25G晋级到100G，大幅简化布线难度以及低落老本。

QSFP28

QSFP-DD，建立于2016年3月，DD指的是“Double Density（双倍密度）”。将QSFP的4通道增加了一排通道，变为了8通道。

它能够与QSFP方案兼容，本来的QSFP28模块仍能够应用，只需再插入一个模块即可。QSFP-DD的电口金手指数目是QSFP28的2倍。

QSFP-DD

QSFP-DD每路接纳25Gbps NRZ大约50Gbps PAM4灯号花样。接纳PAM4，非常高能够支持400Gbps速度。

NRZ和PAM4PAM4（4 Pulse Amplitude Modulation）是一个“翻倍”技术。

对于光模块来说，若想要实现速度晋升，要么增加通道数目，要么进步单通道的速度。

传统的数字灯号至多接纳的是NRZ（Non-Return-to-Zero）灯号，即接纳高、低两种灯号电平来表示要传输的数字逻辑灯号的1、0消息，每个灯号符号周期能够传输1bit的逻辑消息。

而PAM灯号接纳4个不同的灯号电平来进行灯号传输，每个符号周期能够表示2个bit的逻辑消息（0、1、2、3）。在相像通道物理带宽情况下，PAM4传输相配于NRZ灯号两倍的消息量，从而实现速度的倍增。

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabits Form Pluggable，密集波分光通讯模块。传输速度可达100-400Gbps。

CFP是在SFP接口底子上设计的，尺寸更大，支持100Gbps数据传输。CFP能够支持单个100G灯号，一个或多个40G灯号。

CFP、CFP2、CFP4的差别在于体积。CFP2的体积是CFP的二分之一，CFP4是CFP的四分之一。

CFP8是特地针对400G提出的封装形式，其尺寸与CFP2相配。支持25Gbps和50Gbps的通道速度，经历16x25G或8x50电接话柄现400Gbps模块速度。

OSFP

这个和咱们常说的OSPF路由和谈有点轻易殽杂哈。

OSFP，Octal Small Form Factor Pluggable，“O”代表“八进制”，2016年11月正式启动。

它被设计为应用8个电气通道来实现400GbE（8*56GbE，但56GbE的灯号由25G的DML激光器在PAM4的调制下造成），尺寸略大于QSFP-DD，更高瓦数的光学引擎和收发器，散热性能稍好。

以上，即是多见的少许光模块封装规范。

400G光模块

朋友们留意到，适才说明封装的时分，小枣君一共提到了3种支持400Gbps的光模块，划分是QSFP-DD、CFP8和OSFP。

400G，是当前光通讯家当的要紧角逐偏向。当今400G也是范围商用的初期阶段。

家喻户晓，因为5G网络建设的大范围启动，加上云计较迅猛开展、大范围数据中间批量建设，ICT行业对400G的需要变得越发急迫。

早期的400G光模块，应用的是16路25Gbps NRZ的实现方法，接纳CDFP或CFP8的封装。

这种实现方法的好处是能够借用在100G光模块上成熟的25G NRZ技术。但坏处是需要16路灯号进行并行传输，功耗和体积都相对大，不太适合数据中间的应用。

后来，首先接纳PAM4取代NRZ。

在光口侧要紧是应用8路53Gbps PAM4大约4路106Gbps PAM4实现400G的灯号传输，在电口侧应用8路53Gbps PAM4电灯号，接纳OSFP或QSFP-DD的封装形式。

相相对来说，QSFP-DD封装尺寸更小（和传统100G光模块的QSFP28封装相似），更适合数据中间应用。OSFP封装尺寸稍大少许，因为能够提供更多的功耗，因此更适合电信应用。

当前的400G光模块，不论类封装，费用都非常高昂，离用户的期望值另有非常大差距。因此，暂时还无法快速进行周全遍及。

400G光模块费用（来自某厂商网站，仅供参考）

另有一个值得一提的，是硅基光，也即是时常提到的硅光。

硅光技术在400G时代被觉得有辽阔的应用前景和角逐力，当前受到许多企业和钻研机构的关注。

光模块的环节观点

插播了一下400G，咱们回过甚来连续说光模块的分类。

在封装的底子上，合营少许参数，就会有光模块的定名。

以100G为例，咱们时常会看到的光模块有以下几种：

此中100GBASE开首的规范都是IEEE 802.3工作组提出的。PSM4和CWDM4是MSA的。

PSM4（Parallel Single Mode 4 lanes，并行单模四通道）

CWDM4（Coarse Wavelength Division Multiplexer 4 lanes，四通道粗波分复用）

咱们看IEEE802.3的定名：

如上图所示：100GBASE-LR4称号中，LR表示long reach，即10Km，4表示四通道，即4*25G，组合在一路为能够传输10Km的100G光模块。此中-R的定名规律以下：

-R名词注释

之因此有了IEEE的100GBASE，还会有MSA的PSM4和CWDM4，是因为其时100GBASE-SR4支持的间隔太短，不能够知足全部的互联需要，而100GBASE-LR4老本过高。PSM4和CWDM4提供了中间隔更好的办理方案。

除了间隔和通道数，咱们再来看看中间波长。

光的波长，干脆决意了它的物理特征。当前咱们在光纤里应用的光，中间波长要紧分为850nm、1310nm和1550nm（nm即是纳米）。

此中，850nm要紧用于多模，1310nm和1550nm要紧用于单模。

对于单模和多模，过去小枣君说明光纤的时分详细说过，能够参考这里：光纤光缆的底子常识

对于单模和多模，裸模块若没有标识的话，非常轻易殽杂。

因此，普通厂商会在拉环的色彩长进行辨别：

蓝色和暖色

这里咱们趁便提一下CWDM和DWDM，朋友们应该也时常看到。

WDM，即是Wavelength Division Multiplexing（波分复用）。简单来说，即是把不同波长的光灯号复用到统一根光纤中进行传输。

波分复用和频分复用着实，波分复用即是一种频分复用。波长×频率=光速（固定值），因此按波长分着实即是按频率分。而光通讯内部，人们习气按波龟龄名。

DWDM，是密集型WDM，Dense WDM。CWDM，即是希罕型WDM，Coarse WDM。看名字就应该清楚，D-WDM内部波长隔断更小。

WDM的好处即是容量大，并且它能够远间隔传输。

趁便说一下BiDi，这个观点当今也频繁被提及。

BiDi（BiDirectional）即是单纤双向，一根光纤，双向收发。工作道理以下图所示，着实即是加了一个滤波器，发送和汲取的波长不同，能够实现同时收发。

BiDi单纤双向光模块

光模块的根基指标

光模块的根基指标要紧包含以下几个：

输出光功率

输出光功率指光模块发送端光源的输出光功率。能够明白为光的强度，单元为W或mW或dBm。此中W或mW为线性单元，dBm为对数单元。在通讯中，咱们平时应用dBm来表示光功率。

光功率衰减一半，低落3dB，0dBm的光功率对应1mW。

汲取生动度非常大值

汲取生动度指的是在必然速度、误码率情况下光模块的非常小汲取光功率，单元：dBm。

普通情况下，速度越高汲取生动度越差，即非常小汲取光功率越大，对于光模块汲取端器件的请求也越高。

消光比

消光比是用于衡量光模块质量的紧张参数之一。

它是指全调制条件下灯号平衡光功率与空号平衡光功率比值的非常小值，表示0、1灯号的差别才气。光模块中影响消光比的两个成分：偏置电流（bias）与调制电流（Mod），权且当作ER=Bias/Mod。

消光比的值并非越大光模块越好，而是消光比知足802.3规范的光模块才好。

光饱和度

又称饱和光功率，指的是在必然的传输速度下，保持必然的误码率（10-10～10-12）时的非常大输入光功率，单元：dBm。

需要留意的是，光探测器在强光照耀下会发现光电流饱和征象，当发现此征象后，探测器需要必然的时间规复，此时汲取生动度下降，汲取到的灯号有大约发现误判而造成误码征象，并且还非常轻易损坏汲取端探测器，在应用操纵中应尽管以免胜过其饱和光功率。

光模块的家当链

非常后咱们简单说一下光模块的家当链。

当前光模块的环境趋势非常火，要紧缘故前方说过了，因为5G和数据中间。

光模块家当链

全部5G网络建设，非常费钱的地方有两个，一个是基站，另有一个即是光承载网。光承载网内部，光纤的水份未几，但是光模块相对让人头大。

光模块内部，非常贵的是芯片。激光器和光探测器内部的芯片，占了一半以上的老本。

而芯片这块，当前的近况是：国外厂商在高端芯片上占有上风，国内厂商在中低端芯片占有上风。但国内厂商在接续向高端环境趋势进行突破。高端芯片的利润率高于低端，这个是鲜明的。

从整体上来看，中国光通讯企业有跨越1000家，但利润率都非常低。并且，在家当链款式上，面临装备商（华为、复兴），光通讯企业也相对“微贱”，没有甚么议价才气。

行业角逐猛烈，新产物、高端产物，利润较多，但时间一长，利润就会缩水。

归正大约即是这么个情况。

对于家当链的详细情况，因为5G的缘故，当今券商们非常关注，也输出了许多的关联汇报，朋友们能够自行搜索阅读一下。

1、《光模块行业深度汇报》，德邦证券

2、《5G承载光模块白皮书》，IMT2020推动组

3、《对于100G光模块，你打听几许》，专说光通讯

4、《家当图解：5G（光模块）》，佚名