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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(fā)展，現(xiàn)在我們工作和生活中很多場景都已經(jīng)實現(xiàn)了“光進銅退”。也就是說，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，視覺的，光學的”。
準確來說，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。
現(xiàn)今我們通常所說的光模塊，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。它的作用說起來很簡單，就是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)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(xiàn)過程的技術(shù)含量并不低。
一個光模塊，通常由光發(fā)射器件（TOSA，含激光器）、光接收器件（ROSA，含光探測器）、功能電路和光（電）接口等部分組成。
光模塊的組成
在發(fā)射端，驅(qū)動芯片對原始電信號進行處理，然后驅(qū)動半導體激光器（LD）或發(fā)光二極管（LED）發(fā)射出調(diào)制光信號。
在接收端，光信號進來之后，由光探測二極管轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)前置放大器后輸出電信號。
光模塊的封裝
對于初學者來說，光模塊最讓人抓狂的，是它極為復雜的封裝名稱，還有讓人眼花繚亂的參數(shù)。
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(qū)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(shù)的發(fā)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，以至于每隔幾年，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(yīng)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(yīng)使用的光纖類型就不同，光模塊也隨之不同。
小棗君簡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：
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?qū)馔ㄐ胚M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(xié)會）、ITU-T（國際電聯(lián)），還有MSA（多源協(xié)議）、OIF（光互聯(lián)論壇）、CCSA（中國通信標準化協(xié)會）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 （多源協(xié)議）。它是一種多供應(yīng)商規(guī)范，相比IEEE算是一個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，我們開始介紹封裝。
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(xiàn)時期，還有對應(yīng)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 （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
因為GBIC的體積比較大，后來，SFP出現(xiàn)，開始取代GBIC的位置。
SFP，全稱Small Form-factor ，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
XFP，是10-Gigabit Small?Form-factor?，一看就懂，就是萬兆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+
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，所以搞了這么個折衷過渡方案。
QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD
Quad Small Form-factor ，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，只需再插入一個模塊即可。QSFP-DD的電口金手指數(shù)量是QSFP28的2倍。
QSFP-DD
QSFP-DD每路采用25Gbps NRZ或者50Gbps PAM4信號格式。采用PAM4，最高可以支持400Gbps速率。
NRZ和（4 Pulse ）是一個“翻倍”技術(shù)。
對于光模塊來說，如果想要實現(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)字信號最多采用的是NRZ（Non-Return-to-Zero）信號，即采用高、低兩種信號電平來表示要傳輸?shù)臄?shù)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信號采用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傳輸相當于NRZ信號兩倍的信息量，從而實現(xiàn)速率的倍增。
CFP/CFP2/CFP4/CFP8
Centum Form ，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(chǔ)上設(shè)計的，尺寸更大，支持100Gbps數(shù)據(jù)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(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(xiàn)400Gbps模塊速率。
OSFP
這個和我們常說的OSPF路由協(xié)議有點容易混淆哈。
OSFP，Octal Small Form Factor ，“O”代表“八進制”，2016年11月正式啟動。
它被設(shè)計為使用8個電氣通道來實現(xiàn)400GbE（8*56GbE，但56GbE的信號由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)的光學引擎和收發(fā)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(chǎn)業(yè)的主要競爭方向。現(xiàn)在400G也是規(guī)模商用的初期階段。
眾所周知，因為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的大規(guī)模啟動，加上云計算迅猛發(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的實現(xiàn)方式，采用CDFP或CFP8的封裝。
這種實現(xiàn)方式的優(yōu)點是可以借用在100G光模塊上成熟的25G NRZ技術(shù)。但缺點是需要16路信號進行并行傳輸，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，開始采用PAM4取代NRZ。
在光口側(cè)主要是使用8路53Gbps PAM4或者4路106Gbps PAM4實現(xiàn)400G的信號傳輸，在電口側(cè)使用8路53Gbps PAM4電信號，采用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(tǒng)100G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(wǎng)站，僅供參考）
還有一個值得一提的，是硅基光，也就是經(jīng)常提到的硅光。
硅光技術(shù)在400G時代被認為有廣闊的應(yīng)用前景和競爭力，目前受到很多企業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注。
光模塊的關(guān)鍵概念
插播了一下400G，我們回過頭來繼續(xù)說光模塊的分類。
在封裝的基礎(chǔ)上，配合一些參數(shù)，就會有光模塊的命名。
以100G為例，我們經(jīng)常會看到的光模塊有以下幾種：
其中開頭的標準都是IEEE 802.3工作組提出的。PSM4和CWDM4是MSA的。
PSM4（ Single Mode 4 lanes，并行單模四通道）
CWDM4（Coarse 4 lanes，四通道粗波分復用）
我們看IEEE802.3的命名：
如上圖所示：-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：
-R名詞解釋
之所以有了IEEE的，還會有MSA的PSM4和CWDM4，是因為當時-SR4支持的距離太短，不能滿足所有的互聯(lián)需求，而-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候詳細說過，可以參考這里：光纖光纜的基礎(chǔ)知識
對于單模和多模，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(huán)的顏色上進行區(qū)分：
藍色和黃色
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 （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。
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。而光通信里面，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(yīng)該明白，D-WDM里面波長間隔更小。
WDM的優(yōu)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(xiàn)在也頻繁被提及。
BiDi（）就是單纖雙向，一根光纖，雙向收發(fā)。工作原理如下圖所示，其實就是加了一個濾波器，發(fā)送和接收的波長不同，可以實現(xiàn)同時收發(fā)。
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(fā)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(shù)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(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(qū)別能力。光模塊中影響消光比的兩個因素：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(xiàn)光電流飽和現(xiàn)象，當出現(xiàn)此現(xiàn)象后，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(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
最后我們簡單說一下光模塊的產(chǎn)業(yè)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(shù)據(jù)中心。
光模塊產(chǎn)業(yè)鏈
整個5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，最花錢的地方有兩個，一個是基站，還有一個就是光承載網(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。
光模塊里面，最貴的是芯片。激光器和光探測器里面的芯片，占了一半以上的成本。
而芯片這塊，目前的現(xiàn)狀是：國外廠商在高端芯片上占據(jù)優(yōu)勢，國內(nèi)廠商在中低端芯片占有優(yōu)勢。但國內(nèi)廠商在不斷向高端市場進行突破。高端芯片的利潤率高于低端，這個是顯然的。
從整體上來看，中國光通信企業(yè)有超過1000家，但利潤率都非常低。而且，在產(chǎn)業(yè)鏈格局上，面對設(shè)備商（華為、中興），光通信企業(yè)也比較“卑微”，沒有什么議價能力。
行業(yè)競爭激烈，新產(chǎn)品、高端產(chǎn)品，利潤較多，但時間一長，利潤就會縮水。
反正大概就是這么個情況。
關(guān)于產(chǎn)業(yè)鏈的具體情況，因為5G的原因，現(xiàn)在券商們非常關(guān)注，也輸出了很多的相關(guān)報告，大家可以自行搜索閱讀一下。
參考文獻：
1、《光模塊行業(yè)深度報告》，德邦證券
2、《5G承載光模塊白皮書》，IMT2020推進組
3、《對于100G光模塊，你了解多少》，專說光通信
4、《產(chǎn)業(yè)圖解：5G（光模塊）》，佚名
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