看這一篇就夠啦光模塊詳細(xì)講解 _生活經(jīng)驗(yàn)

說(shuō)到光模塊，相信大家一定不會(huì)覺(jué)得陌生。

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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(shuō)，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。
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(jué)的，光學(xué)的” 。
準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，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。

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現(xiàn)今我們通常所說(shuō)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(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)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。

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雖然看似簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)過(guò)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。

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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(lái)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) 。
光模塊的封裝對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，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) 。

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封裝的名稱，這些只是其中一部分
封裝，可以簡(jiǎn)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?。?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(jiǎn)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：

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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(guó)際電聯(lián)），還有MSA（多源協(xié)議）、OIF（光互聯(lián)論壇）、CCSA（中國(guó)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(kāi)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。

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

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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

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因?yàn)镚BIC的體積比較大，后來(lái)，SFP出現(xiàn) ，開(kāi)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(lái)說(shuō)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

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XFP，是10-Gigabit Small?Form-factor?Pluggable，一看就懂，就是萬(wàn)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

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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?。跎倭艘恍┬藕趴刂乒δ埽?。

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可以對(duì)比一下大小
SFP28

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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(guò)渡方案。
QSFP/QSFP /QSFP28/QSFP28-DD

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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(guò)40G直接從25G升級(jí)到100G，大幅簡(jiǎn)化布線難度以及降低成本。

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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(gè)模塊即可。QSFP-DD的電口金手指數(shù)量是QSFP28的2倍。

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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PAM4
PAM4（4 Pulse Amplitude Modulation）是一個(gè)“翻倍”技術(shù) 。
對(duì)于光模塊來(lái)說(shuō)，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(lái)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(lái)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。

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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(guò)16x25G或8x50電接口實(shí)現(xiàn)400Gbps模塊速率。

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OSFP

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這個(gè)和我們常說(shuō)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(lái)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(jiàn)的一些光模塊封裝標(biāo)準(zhǔn) 。
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 。

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400G，是目前光通信產(chǎn)業(yè)的主要競(jìng)爭(zhēng)方向。現(xiàn)在400G也是規(guī)模商用的初期階段。
眾所周知，因?yàn)?G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(lái)，開(kāi)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(lái)說(shuō) ， QSFP-DD封裝尺寸更?。ê痛?00G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(wú)法快速進(jìn)行全面普及。

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400G光模塊價(jià)格（來(lái)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(zhēng)力，目前受到很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。
光模塊的關(guān)鍵概念插播了一下400G，我們回過(guò)頭來(lái)繼續(xù)說(shuō)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。
【看這一篇就夠啦光模塊詳細(xì)講解】以100G為例，我們經(jīng)常會(huì)看到的光模塊有以下幾種：

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其中100GBASE開(kāi)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IEEE 802.3的命名：

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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：

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-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?lái)看看中心波長(zhǎng) 。
光的波長(zhǎng)，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(zhǎng)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(shuō)過(guò) ，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(méi)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：

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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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把不同波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)用到同一根光纖中進(jìn)行傳輸。

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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(zhǎng)×頻率=光速（固定值），所以按波長(zhǎng)分其實(shí)就是按頻率分。而光通信里面，人們習(xí)慣按波長(zhǎng)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(zhǎng)間隔更小。

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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(shuō)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(zhǎng)不同，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)收發(fā) 。

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BiDi單纖雙向光模塊
光模塊的基本指標(biāo)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(lái)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。
光模塊的產(chǎn)業(yè)鏈最后我們簡(jiǎn)單說(shuō)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(shuō)過(guò)了，因?yàn)?G和數(shù)據(jù)中心。

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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。

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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(guó)外廠商在高端芯片上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)廠商在中低端芯片占有優(yōu)勢(shì) 。但國(guó)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(rùn)率高于低端，這個(gè)是顯然的。
從整體上來(lái)看，中國(guó)光通信企業(yè)有超過(guò)1000家，但利潤(rùn)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(méi)有什么議價(jià)能力。
行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，新產(chǎn)品、高端產(chǎn)品，利潤(rùn)較多，但時(shí)間一長(zhǎng)，利潤(rùn)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)?G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(jiàn)！
參考文獻(xiàn)：
1、《光模塊行業(yè)深度報(bào)告》，德邦證券
2、《5G承載光模塊白皮書》，IMT2020推進(jìn)組
3、《對(duì)于100G光模塊，你了解多少》，專說(shuō)光通信
4、《產(chǎn)業(yè)圖解：5G（光模塊）》，佚名
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