关于光模块看这一篇就够啦_模块_暗记

随着光通信的高速发展，现在我们事情和生活中很多场景都已经实现了“光进铜退”。
也便是说，以同轴电缆、网线为代表的金属介质通信，逐渐被光纤介质所取代。

而光模块，便是光纤通信系统的核心器件之一。

光模块，英文名叫Optical Module。
Optical，意思是“视力的，视觉的，光学的”。

准确来说，光模块是多种模块类别的统称，详细包括：光吸收模块，光发送模块，光收发一体模块和光转发模块等。

现今我们常日所说的光模块，一样平常是指光收发一体模块（下文也是如此）。

光模块事情在物理层，也便是OSI模型中的最底层。
它的浸染提及来很大略，便是实现光电转换。
把光旗子暗记变成电旗子暗记，把电旗子暗记变成光旗子暗记，这样子。

虽然看似大略，但实现过程的技能含量并不低。

一个光模块，常日由光发射器件（TOSA，含激光器）、光吸收器件（ROSA，含光探测器）、功能电路和光（电）接口等部分组成。

光模块的组成

在发射端，驱动芯片对原始电旗子暗记进行处理，然后驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出调制光旗子暗记。

在吸收端，光旗子暗记进来之后，由光探测二极管转换为电旗子暗记，经前置放大器后输出电旗子暗记。

对付初学者来说，光模块最让人抓狂的，是它极为繁芜的封装名称，还有让人眼花缭乱的参数。

封装的名称，这些只是个中一部分

封装，可以大略理解为款型标准。
它是区分光模块的最紧张办法。

之以是光模块会存在如此之多的不同封装标准，究其缘故原由，紧张是由于光纤通信技能的发展速率实在太快。

光模块的速率不断提升，体积也在不断缩小，以至于每隔几年，就会出新的封装标准。
新旧封装标准之间，常日也很难兼容通用。

此外，光模块的运用处景存在多样性，也是导致封装标准变多的一个缘故原由。
不同的传输间隔、带宽需求、利用场所，对应利用的光纤类型就不同，光模块也随之不同。

小枣君大略罗列了一下包括封装在内的光模块分类办法，如下表所示：

光模块的分类办法

在讲解封装和分类之前，我们先先容一下光通信的标准化组织。
由于这些封装，都是标准化组织确定的。

目前环球对光通信进行标准化的组织有好几个，例如大家都很熟习的IEEE（电气和电子工程师协会）、ITU-T（国际电联），还有MSA（多源协议）、OIF（光互联论坛）、CCSA（中国通信标准化协会）等。

行业里用的最多的，是IEEE和MSA。

MSA大家可能不怎么熟习，它的英文名是Multi Source Agreement（多源协议）。
它是一种多供应商规范，比较IEEE算是一个民间的非官方组织形式，可以理解是家当内企业同盟行为。

好了，我们开始先容封装。

首先大家可以看一下下面这张图，比较准确地描述了不同封装的涌现期间，还有对应的事情速率。

那些太老的或很少见的标准我们就不管了，紧张看看常见的封装。

GBIC

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

在2000年之前，GBIC是最盛行的光模块封装，也是运用最广泛的千兆模块形态。

SFP

由于GBIC的体积比较大，后来，SFP涌现，开始取代GBIC的位置。

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

SFP的体积比GBIC模块减少一半，可以在相同的面板上配置多出一倍以上的端口数量。
在功能上，两者差别不大，都支持热插拔。
SFP支持最大带宽是4Gbps。

XFP

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

XFP采取一条XFI（10Gb串行接口）连接的全速单通道串行模块，可替代Xenpak及其派生产品。

SFP+

SFP+，它和XFP一样是10G的光模块。

SFP+的尺寸和SFP同等，比XFP更紧凑（缩小了30%旁边），功耗也更小（减少了一些旗子暗记掌握功能）。

可以比拟一下大小

SFP28

速率达到25Gbps的SFP，紧张是由于当时40G和100G光模块价格太贵，以是搞了这么个折衷过渡方案。

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Quad Small Form-factor Pluggable，四通道SFP接口。
很多XFP中成熟的关键技能都运用到了该设计中。

根据速率可将QSFP分为4×10G QSFP+、4×25G QSFP28、8×25G QSFP28-DD光模块等。

以QSFP28为例，它适用于4x25GE接入端口。
利用QSFP28可以不经由40G直接从25G升级到100G，大幅简化布线难度以及降落本钱。

QSFP28

QSFP-DD，成立于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。

它可以与QSFP方案兼容，原来的QSFP28模块仍可以利用，只需再插入一个模块即可。
QSFP-DD的电口金手指数量是QSFP28的2倍。

QSFP-DD每路采取25Gbps NRZ或者50Gbps PAM4旗子暗记格式。
采取PAM4，最高可以支持400Gbps速率。

NRZ和PAM4

PAM4（4 Pulse Amplitude Modulation）是一个“翻倍”技能。

对付光模块来说，如果想要实现速率提升，要么增加通道数量，要么提高单通道的速率。

传统的数字旗子暗记最多采取的是NRZ（Non-Return-to-Zero）旗子暗记，即采取高、低两种旗子暗记电平来表示要传输的数字逻辑旗子暗记的1、0信息，每个旗子暗记符号周期可以传输1bit的逻辑信息。

而PAM旗子暗记采取4个不同的旗子暗记电平来进行旗子暗记传输，每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息（0、1、2、3）。
在相同通道物理带宽情形下，PAM4传输相称于NRZ旗子暗记两倍的信息量，从而实现速率的倍增。

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabits Form Pluggable，密集波分光通信模块。
传输速率可达100－400Gbps。

CFP是在SFP接口根本上设计的，尺寸更大，支持100Gbps数据传输。
CFP可以支持单个100G旗子暗记，一个或多个40G旗子暗记。

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

CFP8是专门针对400G提出的封装形式，其尺寸与CFP2相称。
支持25Gbps和50Gbps的通道速率，通过16x25G或8x50电接口实现400Gbps模块速率。

OSFP

这个和我们常说的OSPF路由协议有点随意马虎稠浊哈。

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

它被设计为利用8个电气通道来实现400GbE（856GbE，但56GbE的旗子暗记由25G的DML激光器在PAM4的调制下形成），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，便是常见的一些光模块封装标准。

大家把稳到，刚才先容封装的时候，小枣君一共提到了3种支持400Gbps的光模块，分别是QSFP-DD、CFP8和OSFP。

400G，是目前光通信家当的紧张竞争方向。
现在400G也是规模商用的初期阶段。

众所周知，由于5G网络培植的大规模启动，加上云打算迅猛发展、大规模数据中央批量培植，ICT行业对400G的需求变得加倍急迫。

早期的400G光模块，利用的是16路25Gbps NRZ的实现办法，采取CDFP或CFP8的封装。

这种实现办法的优点是可以借用在100G光模块上成熟的25G NRZ技能。
但缺陷是须要16路旗子暗记进行并行传输，功耗和体积都比较大，不太适宜数据中央的运用。

后来，开始采取PAM4取代NRZ。

在光口着重要是利用8路53Gbps PAM4或者4路106Gbps PAM4实现400G的旗子暗记传输，在电口侧利用8路53Gbps PAM4电旗子暗记，采取OSFP或QSFP-DD的封装形式。

比较较来说，QSFP-DD封装尺寸更小（和传统100G光模块的QSFP28封装类似），更适宜数据中央运用。
OSFP封装尺寸稍大一些，由于可以供应更多的功耗，以是更适宜电信运用。

目前的400G光模块，不管是哪种封装，价格都很昂贵，离用户的期望值还有很大差距。
以是，暂时还无法快速进行全面遍及。

400G光模块价格（来自某厂商网站，仅供参考）

还有一个值得一提的，是硅基光，也便是常常提到的硅光。

硅光技能在400G时期被认为有广阔的运用前景和竞争力，目前受到很多企业和研究机构的关注。

插播了一下400G，我们回过分来连续说光模块的分类。

在封装的根本上，合营一些参数，就会有光模块的命名。

以100G为例，我们常常会看到的光模块有以下几种：

个中100GBASE开头的标准都是IEEE 802.3事情组提出的。
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）

我们看IEEE 802.3的命名：

如上图所示：

100GBASE－LR4名称中，LR表示long reach，即10Km，4表示四通道，即4＊25G，组合在一起为可以传输10Km的100G光模块。

个中－R的命名规则如下：

-R名词阐明

之以是有了IEEE的100GBASE，还会有MSA的PSM4和CWDM4，是由于当时100GBASE-SR4 支持的间隔太短，不能知足所有的互联需求，而100GBASE-LR4本钱太高。
PSM4和CWDM4供应了中间隔更好的办理方案。

除了间隔和通道数，我们再来看看中央波长。

光的波长，直接决定了它的物理特性。
目前我们在光纤里利用的光，中央波长紧张分为850nm、1310nm和1550nm（nm便是纳米）。

个中，850nm紧张用于多模，1310nm和1550nm紧张用于单模。

关于单模和多模，以前小枣君先容光纤的时候详细说过，可以参考这里：光纤光缆的根本知识

对付单模和多模，裸模块如果没有标识的话，很随意马虎稠浊。

以是，一样平常厂家会在拉环的颜色上进行区分：

蓝色和黄色

这里我们顺便提一下CWDM和DWDM，大家该当也常常看到。

WDM，便是Wavelength Division Multiplexing（波分复用）。
大略来说，便是把不同波长的光旗子暗记复用到同一根光纤中进行传输。

波分复用和频分复用

实在，波分复用便是一种频分复用。
波长×频率=光速（固定值），以是按波长分实在便是按频率分。
而光通信里面，人们习气按波长命名。

DWDM，是密集型WDM，Dense WDM。
CWDM，便是稀疏型WDM，Coarse WDM。
看名字就该当明白，D-WDM里面波长间隔更小。

WDM的优点便是容量大，而且它可以远间隔传输。

顺便说一下BiDi，这个观点现在也频繁被提及。

BiDi（BiDirectional）便是单纤双向，一根光纤，双向收发。
事情事理如下图所示，实在便是加了一个滤波器，发送和吸收的波长不同，可以实现同时收发。

BiDi单纤双向光模块

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。
可以理解为光的强度，单位为W或mW或dBm。
个中W或mW为线性单位，dBm为对数单位。
在通信中，我们常日利用dBm来表示光功率。

光功率衰减一半，降落3dB，0dBm的光功率对应1mW。

吸收灵敏度最大值

吸收灵敏度指的是在一定速率、误码率情形下光模块的最小吸收光功率，单位：dBm。

一样平常情形下，速率越高吸收灵敏度越差，即最小吸收光功率越大，对付光模块吸收端器件的哀求也越高。

消光比

消光比是用于衡量光模块质量的主要参数之一。

它是指全调制条件下旗子暗记均匀光功率与空号均匀光功率比值的最小值，表示0、1旗子暗记的差异能力。
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），姑且算作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标准的光模块才好。

光饱和度

又称饱和光功率，指的是在一定的传输速率下，坚持一定的误码率（10-10～10-12）时的最大输入光功率，单位：dBm。

须要把稳的是，光探测器在强光照射下会涌现光电流饱和征象，当涌现此征象后，探测器须要一定的韶光规复，此时吸收灵敏度低落，吸收到的旗子暗记有可能涌现误判而造成误码征象，而且还非常随意马虎破坏吸收端探测器，在利用操作中应只管即便避免超出其饱和光功率。

末了我们大略说一下光模块的家当链。

目前光模块的市场很火，紧张缘故原由前面说过了，由于5G和数据中央。

光模块家当链

全体5G网络培植，最费钱的地方有两个，一个是基站，还有一个便是光承载网。
光承载网里面，光纤的水份不多，但是光模块比较让人头大。

光模块里面，最贵的是芯片。
激光器和光探测器里面的芯片，占了一半以上的本钱。

而芯片这块，目前的现状是：国外厂商在高端芯片上霸占上风，海内厂商在中低端芯片霸占上风。
但海内厂商在不断向高端市场进行打破。
高端芯片的利润率高于低端，这个是显然的。

从整体上来看，中国光通信企业有超过1000家，但利润率都非常低。
而且，在家当链格局上，面对设备商（华为、复兴），光通信企业也比较“卑微”，没有什么议价能力。

行业竞争激烈，新产品、高端产品，利润较多，但韶光一长，利润就会缩水。

反正大概便是这么个情形。

关于家当链的详细情形，由于5G的缘故原由，现在券商们非常关注，也输出了很多的干系报告，大家可以自行搜索阅读一下。

好啦，以上便是本日文章的所有内容。
感谢大家的耐心不雅观看，我们下期再见！

参考文献：

1、《光模块行业深度报告》，德邦证券

2、《5G承载光模块白皮书》，IMT2020推进组

3、《对付100G光模块，你理解多少》，专说光通信

4、《家当图解：5G（光模块）》，佚名