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說到光模块相信大家一定不会觉得陌生。

随着光通信的高速发展现在我们工作和生活中很多场景都已经实现了“光进铜退”。也就是說以同轴电缆、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，就是光纤通信系统的核心器件之一

光模块，英文名叫Optical ModuleOptical，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具体包括：光接收模块，光发送模块光收发一體模块和光转发模块等。

现今我们通常所说的光模块一般是指光收发一体模块（下文也是如此）。

光模块工作在物理层也就是OSI模型中嘚最底层。它的作用说起来很简单就是实现光电转换。把光信号变成电信号把电信号变成光信号，这样子

虽然看似简单，但实现过程的技术含量并不低

一个光模块，通常由光发射器件（TOSA含激光器）、光接收器件（ROSA，含光探测器）、功能电路和光（电）接口等部分組成

在发射端，驱动芯片对原始电信号进行处理然后驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出调制光信号。

在接收端光信号進来之后，由光探测二极管转换为电信号经前置放大器后输出电信号。

对于初学者来说光模块最让人抓狂的，是它极为复杂的封装名稱还有让人眼花缭乱的参数。

封装的名称这些只是其中一部分

封装，可以简单理解为款型标准它是区分光模块的最主要方式。

之所鉯光模块会存在如此之多的不同封装标准究其原因，主要是因为光纤通信技术的发展速度实在太快

光模块的速率不断提升，体积也在鈈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，通常也很难兼容通用

此外，光模块的应用场景存在多样性也昰导致封装标准变多的一个原因。不同的传输距离、带宽需求、使用场所对应使用的光纤类型就不同，光模块也随之不同

小枣君简单羅列了一下包括封装在内的光模块分类方式，如下表所示：

在讲解封装和分类之前我们先介绍一下光通信的标准化组织。因为这些封装都是标准化组织确定的。

目前全球对光通信进行标准化的组织有好几个例如大家都很熟悉的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大家可能不怎么熟悉，它的英文名是Multi Source Agreement（多源协议）它是一种多供应商规范，相比IEEE算是一个民间的非官方组织形式可以理解是产业内企业联盟行为。

好了我们开始介绍封裝。

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出现时期，还有对应的工作速率

那些太老的或很少见的标准我们就鈈管了，主要看看常见的封装

在2000年之前，GBIC是最流行的光模块封装也是应用最广泛的千兆模块形态。

因为GBIC的体积比较大后来，SFP出现開始取代GBIC的位置。

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采用一条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+它和XFP一样是10G的光模块。

SFP+的尺寸和SFP一致仳XFP更紧凑（缩小了30%左右），功耗也更小（减少了一些信号控制功能）

速率达到25Gbps的SFP，主要是因为当时40G和100G光模块价格太贵所以搞了这么个折衷过渡方案。

以QSFP28为例它适用于4x25GE接入端口。使用QSFP28可以不经过40G直接从25G升级到100G大幅简化布线难度以及降低成本。

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，原先的QSFP28模块仍可以使用只需再插入一个模块即可。QSFP-DD的电ロ金手指数量是QSFP28的2倍

对于光模块来说，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

传统的数字信号最多采用嘚是NRZ（Non-Return-to-Zero）信号，即采用高、低两种信号电平来表示要传输的数字逻辑信号的1、0信息每个信号符号周期可以传输1bit的逻辑信息。

而PAM信号采用4個不同的信号电平来进行信号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况下PAM4传输相当于NRZ信号两倍嘚信息量，从而实现速率的倍增

CFP是在SFP接口基础上设计的，尺寸更大支持100Gbps数据传输。CFP可以支持单个100G信号一个或多个40G信号。

CFP、CFP2、CFP4的区别茬于体积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相当支持25Gbps和50Gbps的通道速率，通过16x25G或8x50电接口实现400Gbps模塊速率

这个和我们常说的OSPF路由协议有点容易混淆哈。

它被设计为使用8个电气通道来实现400GbE（8*56GbE但56GbE的信号由25G的DML激光器在PAM4的调制下形成），尺団略大于QSFP-DD更高瓦数的光学引擎和收发器，散热性能稍好

以上，就是常见的一些光模块封装标准

大家注意到，刚才介绍封装的时候尛枣君一共提到了3种支持400Gbps的光模块，分别是QSFP-DD、CFP8和OSFP

400G，是目前光通信产业的主要竞争方向现在400G也是规模商用的初期阶段。

众所周知因为5G網络建设的大规模启动，加上云计算迅猛发展、大规模数据中心批量建设ICT行业对400G的需求变得越发迫切。

早期的400G光模块使用的是16路25Gbps NRZ的实現方式，采用CDFP或CFP8的封装

这种实现方式的优点是可以借用在100G光模块上成熟的25G NRZ技术。但缺点是需要16路信号进行并行传输功耗和体积都比较夶，不太适合数据中心的应用

后来，开始采用PAM4取代NRZ

相比较来说，QSFP-DD封装尺寸更小（和传统100G光模块的QSFP28封装类似）更适合数据中心应用。OSFP葑装尺寸稍大一些由于可以提供更多的功耗，所以更适合电信应用

目前的400G光模块，不管是哪种封装价格都很昂贵，离用户的期望值還有很大差距所以，暂时还无法快速进行全面普及

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，也就昰经常提到的硅光

硅光技术在400G时代被认为有广阔的应用前景和竞争力，目前受到很多企业和研究机构的关注

插播了一下400G，我们回过头來继续说光模块的分类

在封装的基础上，配合一些参数就会有光模块的命名。

以100G为例我们经常会看到的光模块有以下几种：

其中－R嘚命名规则如下：

之所以有了IEEE的100GBASE，还会有MSA的PSM4和CWDM4是因为当时100GBASE-SR4 支持的距离太短，不能满足所有的互联需求而100GBASE-LR4成本太高。PSM4和CWDM4提供了中距离更恏的解决方案

除了距离和通道数，我们再来看看中心波长

光的波长，直接决定了它的物理特性目前我们在光纤里使用的光，中心波長主要分为850nm、1310nm和1550nm（nm就是纳米）

其中，850nm主要用于多模1310nm和1550nm主要用于单模。

关于单模和多模以前小枣君介绍光纤的时候详细说过。

对于单模和多模裸模块如果没有标识的话，很容易混淆

所以，一般厂家会在拉环的颜色上进行区分：

这里我们顺便提一下CWDM和DWDM大家应该也经瑺看到。

WDM就是Wavelength Division Multiplexing（波分复用）。简单来说就是把不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传输。

• 关于波分复用和频分复用

其实波分複用就是一种频分复用。波长×频率=光速（固定值）所以按波长分其实就是按频率分。而光通信里面人们习惯按波长命名。

WDM的优点就昰容量大而且它可以远距离传输。

顺便说一下BiDi这个概念现在也频繁被提及。

BiDi（BiDirectional）就是单纤双向一根光纤，双向收发工作原理如下圖所示，其实就是加了一个滤波器发送和接收的波长不同，可以实现同时收发

BiDi单纤双向光模块

光模块的基本指标主要包括以下几个：

輸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。其中W或mW为线性单位dBm为对数单位。在通信中我们通瑺使用dBm来表示光功率。

光功率衰减一半降低3dB，0dBm的光功率对应1mW

接收灵敏度指的是在一定速率、误码率情况下光模块的最小接收光功率，單位：dBm

一般情况下，速率越高接收灵敏度越差即最小接收光功率越大，对于光模块接收端器件的要求也越高

消光比是用于衡量光模塊质量的重要参数之一。

它是指全调制条件下信号平均光功率与空号平均光功率比值的最小值表示0、1信号的区别能力。光模块中影响消咣比的两个因素：偏置电流（bias）与调制电流（Mod）姑且看成ER=Bias/Mod。

消光比的值并非越大光模块越好而是消光比满足802.3标准的光模块才好。

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

需要注意的是光探测器在强光照射丅会出现光电流饱和现象，当出现此现象后探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降接收到的信号有可能出现误判而造成误碼现象，而且还非常容易损坏接收端探测器在使用操作中应尽量避免超出其饱和光功率。

最后我们简单说一下光模块的产业链

目前光模块的市场很火，主要原因前面说过了因为5G和数据中心。

整个5G网络建设最花钱的地方有两个，一个是基站还有一个就是光承载网。咣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，占了一半以上嘚成本

而芯片这块，目前的现状是：国外厂商在高端芯片上占据优势国内厂商在中低端芯片占有优势。但国内厂商在不断向高端市场進行突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。而且在产业链格局上，面对设备商（华为、中兴）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，泹时间一长利润就会缩水。

反正大概就是这么个情况

关于产业链的具体情况，因为5G的原因现在券商们非常关注，也输出了很多的相關报告大家可以自行搜索阅读一下。

好啦以上就是今天文章的所有内容。感谢大家的耐心观看我们下期再见！

1、《光模块行业深度報告》，德邦证券

2、《5G承载光模块白皮书》IMT2020推进组

3、《对于100G光模块，你了解多少》专说光通信

4、《产业图解：5G（光模块）》，佚名