作者 | 小棗君
來源 | 鮮棗課堂（ID：xzclasscom）
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展，現在我們工作和生活中很多場景都已經實現了「光進銅退」。也就是說，以同軸電纜、網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稱，具體包括：光接收模塊，光發送模塊，光收發一體模塊和光轉發模塊等。
現今我們通常所說的光模塊，一般是指光收發一體模塊（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，但實現過程的技術含量並不低。
一個光模塊，通常由光發射器件（TOSA，含雷射器）、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
在接收端，光信號進來之後，由光探測二極體轉換為電信號，經前置放大器後輸出電信號。
光模塊的封裝
對於初學者來說，光模塊最讓人抓狂的，是它極為複雜的封裝名稱，還有讓人眼花繚亂的參數。
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，以至於每隔幾年，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。
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會）、ITU-T（國際電聯），還有MSA（多源協議）、OIF（光互聯論壇）、CCSA（中國通信標準化協會）等。
行業里用的最多的，是IEEE和MSA。
MSA大家可能不怎麼熟悉，它的英文名是Multi Source Agreement（多源協議）。它是一種多供應商規範，相比IEEE算是一個民間的非官方組織形式，可以理解是產業內企業聯盟行為。
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。
- SFP
因為GBIC的體積比較大，後來，SFP出現，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埠數量。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採用一條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，所以搞了這麼個折衷過渡方案。
- 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，它適用於4x25GE接入埠。使用QSFP28可以不經過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，成立於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，變為了8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的電口金手指數量是QSFP28的2倍。
QSFP-DD
QSFP-DD每路採用25Gbps NRZ或者50Gbps PAM4信號格式。採用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。
對於光模塊來說，如果想要實現速率提升，要麼增加通道數量，要麼提高單通道的速率。
傳統的數位訊號最多採用的是NRZ（Non-Return-to-Zero）信號，即採用高、低兩種信號電平來表示要傳輸的數字邏輯信號的1、0信息，每個信號符號周期可以傳輸1bit的邏輯信息。
而PAM信號採用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傳輸相當於NRZ信號兩倍的信息量，從而實現速率的倍增。
- 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數據傳輸。CFP可以支持單個100G信號，一個或多個40G信號。
CFP、CFP2、CFP4的區別在於體積。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400Gbps模塊速率。
- OSFP
這個和我們常說的OSPF路由協議有點容易混淆哈。
OSFP，Octal Small Form Factor Pluggable，「O」代表「八進位」，2016年11月正式啟動。
它被設計為使用8個電氣通道來實現400GbE（8*56GbE，但56GbE的信號由25G的DML雷射器在PAM4的調製下形成），尺寸略大於QSFP-DD，更高瓦數的光學引擎和收發器，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，是目前光通信產業的主要競爭方向。現在400G也是規模商用的初期階段。
眾所周知，因為5G網絡建設的大規模啟動，加上雲計算迅猛發展、大規模數據中心批量建設，ICT行業對400G的需求變得越發迫切。
早期的400G光模塊，使用的是16路25Gbps NRZ的實現方式，採用CDFP或CFP8的封裝。
這種實現方式的優點是可以借用在100G光模塊上成熟的25G NRZ技術。但缺點是需要16路信號進行並行傳輸，功耗和體積都比較大，不太適合數據中心的應用。
後來，開始採用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400G的信號傳輸，在電口側使用8路53Gbps PAM4電信號，採用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100G光模塊的QSFP28封裝類似），更適合數據中心應用。OSFP封裝尺寸稍大一些，由於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（來自某廠商網站，僅供參考）
還有一個值得一提的，是矽基光，也就是經常提到的矽光。
矽光技術在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，我們回過頭來繼續說光模塊的分類。
在封裝的基礎上，配合一些參數，就會有光模塊的命名。
以100G為例，我們經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，並行單模四通道）
- 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，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主要用於多模，1310nm和1550nm主要用於單模。
關於單模和多模，以前小棗君介紹光纖的時候詳細說過。
對於單模和多模，裸模塊如果沒有標識的話，很容易混淆。
所以，一般廠家會在拉環的顏色上進行區分：
藍色和黃色
這裡我們順便提一下CWDM和DWDM，大家應該也經常看到。
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。
- 關於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。而光通信裡面，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。看名字就應該明白，D-WDM裡面波長間隔更小。
WDM的優點就是容量大，而且它可以遠距離傳輸。
順便說一下BiDi，這個概念現在也頻繁被提及。
BiDi（BiDirectional）就是單纖雙向，一根光纖，雙向收發。工作原理如下圖所示，其實就是加了一個濾波器，發送和接收的波長不同，可以實現同時收發。
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送端光源的輸出光功率。可以理解為光的強度，單位為W或mW或dBm。其中W或mW為線性單位，dBm為對數單位。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，對於光模塊接收端器件的要求也越高。
- 消光比
消光比是用於衡量光模塊質量的重要參數之一。
它是指全調製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信號的區別能力。光模塊中影響消光比的兩個因素：偏置電流（bias）與調製電流（Mod），姑且看成ER=Bias/Mod。
消光比的值並非越大光模塊越好，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光電流飽和現象，當出現此現象後，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誤判而造成誤碼現象，而且還非常容易損壞接收端探測器，在使用操作中應儘量避免超出其飽和光功率。
光模塊的產業鏈
最後我們簡單說一下光模塊的產業鏈。
目前光模塊的市場很火，主要原因前面說過了，因為5G和數據中心。
光模塊產業鏈
整個5G網絡建設，最花錢的地方有兩個，一個是基站，還有一個就是光承載網。光承載網裡面，光纖的水份不多，但是光模塊比較讓人頭大。
光模塊裡面，最貴的是晶片。雷射器和光探測器裡面的晶片，占了一半以上的成本。
而晶片這塊，目前的現狀是：國外廠商在高端晶片上占據優勢，國內廠商在中低端晶片占有優勢。但國內廠商在不斷向高端市場進行突破。高端晶片的利潤率高於低端，這個是顯然的。
從整體上來看，中國光通信企業有超過1000家，但利潤率都非常低。而且，在產業鏈格局上，面對設備商（華為、中興），光通信企業也比較「卑微」，沒有什麼議價能力。
行業競爭激烈，新產品、高端產品，利潤較多，但時間一長，利潤就會縮水。
反正大概就是這麼個情況。
關於產業鏈的具體情況，因為5G的原因，現在券商們非常關注，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、《光模塊行業深度報告》，德邦證券
2、《5G承載光模塊白皮書》，IMT2020推進組
3、《對於100G光模塊，你了解多少》，專說光通信
4、《產業圖解：5G（光模塊）》，佚名