隨著人工智能（AI）技術(shù)的飛速發(fā)展，AI數(shù)據(jù)訓(xùn)練及應(yīng)用往往涉及到海量的數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)交互，對(duì)算力和網(wǎng)絡(luò)的需求正呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。

光模塊作為網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的“快遞員”，為“算力高速公路”承載著海量數(shù)據(jù)的收發(fā)，其重要地位愈發(fā)凸顯。

今天文檔君帶你一文讀懂光模塊。

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1.什么是光模塊

光模塊是一種將電信號(hào)與光信號(hào)互轉(zhuǎn)的器件，其主要作用是在發(fā)送端將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖傳送后，再在接收端將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

通過光模塊，可以實(shí)現(xiàn)各類型設(shè)備間的無縫連接和協(xié)作，例如網(wǎng)絡(luò)上的路由器、交換機(jī)、服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備等都離不開光模塊的互聯(lián)，光模塊的應(yīng)用非常廣泛。

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2.光模塊的組成

光模塊通常主要由光發(fā)射組件、光接收組件、光接口、底座、電路板和電接口金手指等組成。

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3.光模塊的速率

光模塊接口速率指每秒傳輸比特?cái)?shù)，單位有Mbps、Gbps及Tbps。

目前光模塊的主要傳輸速率有：1Gbps、10Gbps、25Gbps、 40Gbps、100Gbps、200Gbps、400Gbps、800Gbps等。

4.光模塊的封裝

封裝可以簡(jiǎn)單理解為光模塊的外觀和接口形式。

封裝標(biāo)準(zhǔn)由標(biāo)準(zhǔn)化組織確定，封裝標(biāo)準(zhǔn)的確定，使得各個(gè)廠商生產(chǎn)的光模塊得以兼容、互聯(lián)互通。光模塊行業(yè)中使用最多的標(biāo)準(zhǔn)化組織是IEEE（電氣與電子工程師學(xué)會(huì)）和MSA（Multi-Source Agreement，多源協(xié)議）。MSA實(shí)際是一種多供應(yīng)商規(guī)范，是對(duì)IEEE標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。

當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)化組織所規(guī)范的常見光模塊封裝有：GBIC、SFP、SFP+、SFP28、QSFP+、QSFP28、CFP、CFP2、CFP4、CFP8、QSFP-DD、OSFP等。

SFP

Small Form-Factor Pluggable，小封裝可熱插拔。

GBIC是由MSA定義的首個(gè)光模塊封裝標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，SFP光模塊可以理解為GBIC光模塊的升級(jí)版本。SFP光模塊支持熱插拔，模塊體積比GBIC光模塊減少一半。SFP光模塊支持千兆和百兆速率。

SFP+

Small Form-factor Pluggable Plus，增強(qiáng)型小封裝可熱插拔。

SFP+和SFP光模塊具有相同外觀尺寸，區(qū)別是SFP+光模塊功耗更小、速率更高，SFP+支持萬兆速率。

SFP28

Small Form-factor Pluggable 28，小封裝可熱插拔28。

SFP28是SFP+升級(jí)版，與SFP+相同的外觀尺寸，SFP28光模塊可支持單通道25Gbps速率。

QSFP+

Quad Small Form-factor Pluggable Plus，四通道增強(qiáng)型小封裝可熱插拔。

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QSFP+光模塊同時(shí)支持4通道傳輸，單通道可支持10Gbps速率，通過4通道傳輸實(shí)現(xiàn)40Gbps速率。

QSFP28

Quad Small Form-factor Pluggable 28，四通道小封裝可熱插拔28。

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QSFP28光模塊同時(shí)支持4通道傳輸，單通道可支持25Gbps到40Gbps速率，通過4通道傳輸實(shí)現(xiàn)超100Gbps速率。

QSFP28與QSFP+具有相同的外觀尺寸，但是速率不同。

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

C Form-factor Pluggable，C型可插拔。

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CFP光模塊傳輸速率范圍為100Gbps~400Gbps。CFP是在SFP基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，但比SFP具有更大的外觀尺寸。

• CFP的單通道可支持10Gbps速率，通過4×10Gbps和10×10Gbps，實(shí)現(xiàn)40Gbps和100Gbps速率。
• CFP2的尺寸是CFP的二分之一，通過4×25Gbps和8×25Gbps，實(shí)現(xiàn)100Gbps和200Gbps速率。
• CFP4的尺寸是CFP的四分之一，通過4×10Gbps和10×10Gbps，實(shí)現(xiàn)40Gbps和100Gbps速率。
• CFP8是針對(duì)400G的封裝類型，通過16×25Gbps和8×50Gbps，實(shí)現(xiàn)400Gbps速率。

QSFP-DD

Quad Small Form-factor Pluggable-Double Density，雙密度四通道小型可插拔封裝。

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QSFP-DD封裝可兼容QSFP+/QSFP28等QSFP封裝，將QSFP的4通道增加了一排通道，變?yōu)橥瑫r(shí)支持8通道傳輸，單通道速率可達(dá)25Gbps、50Gbps、100Gbps，因此QSFP-DD光模塊可支持200Gbps、400Gbps或800Gbps速率。

OSFP

Octal Small Form-factor Pluggable，八通道小型封裝熱插拔。

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OSFP光模塊具有8個(gè)高速電氣通道，每個(gè)通道速率可達(dá)100Gbps，總帶寬可支持200Gbps、400Gbps、800Gbps以及1.6Tbps速率，尺寸比QSFP-DD略大。

隨著光模塊的性能和傳輸帶寬逐漸提升，光模塊的封裝方式也在持續(xù)演進(jìn)，以更高傳輸速率、更小的尺寸、更低的功耗與更高密度作為方向發(fā)展。

5.光模塊的傳輸距離

光模塊的傳輸距離分為短距、中距和長(zhǎng)距三種。一般認(rèn)為2 km及以下的為短距離，30 km及以上的為長(zhǎng)距離。

實(shí)際使用中，光模塊可傳輸?shù)木嚯x會(huì)受到限制，主要是因?yàn)楣庑盘?hào)在光纖中傳輸時(shí)會(huì)有一定的損耗和色散。

• 損耗是指光信號(hào)在光纖介質(zhì)中傳輸時(shí)，強(qiáng)度逐漸減弱的現(xiàn)象。單位以dB/km表示。光信號(hào)的損耗主要來源包括光纖材料吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗以及連接器/接頭損耗等。通常，單模光纖相對(duì)多模光纖損耗較小。
• 色散是指不同頻率或不同模式的光信號(hào)在光纖中傳播速度不同，導(dǎo)致光脈沖展寬，從而引起信號(hào)失真的現(xiàn)象。單位以ps/(nm·km)表示。色散會(huì)使相鄰脈沖重疊引起誤碼率升高，限制光纖的最大傳輸速率和無中繼傳輸距離。

6.光模塊的傳輸模式

根據(jù)光信號(hào)在光纖中的傳輸模式，光纖可以分為單模光纖（SMF）和多模光纖（MMF）。為了適用不同類別的光纖，光模塊也分單模光模塊、多模光模塊。

• 單模光模塊單模光模塊與單模光纖配套使用。單模光纖的纖芯較細(xì)，使用光的單一模式傳送信號(hào)，傳輸過程中色散較小，傳輸容量大，通常用于長(zhǎng)距離傳輸。
• 多模光模塊多模光模塊與多模光纖配套使用。多模光纖的纖芯較粗，使用光的多種不同模式傳送信號(hào)，傳輸過程中色散較大，傳輸性能比單模光纖差，但成本低，適用于較小容量、短距傳輸。

7.光模塊的中心波長(zhǎng)

中心波長(zhǎng)指光信號(hào)傳輸所使用的光波段，單位nm（納米）。中心波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光信號(hào)在光纖中的損耗越小，傳輸距離越遠(yuǎn)。

常用的光模塊的中心波長(zhǎng)主要有三種：850 nm波段、1310 nm波段以及1550 nm波段。

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除上述三種波段外，還有用于波分系統(tǒng)的CWDM和DWDM波段。

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無論是CWDM還是DWDM，這些波長(zhǎng)在設(shè)備上呈現(xiàn)為“彩光”光模塊。這些光模塊通過不同顏色的光（即不同波長(zhǎng)）來傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)顏色代表一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道，從而在單根光纖上實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的傳輸。這種技術(shù)極大地提高了光纖的傳輸容量和效率。

與此相對(duì)，850 nm、1310 nm和1550 nm波段由于中心波長(zhǎng)相對(duì)單一，也稱為“灰光”或“黑白光”。與彩光光模塊不同，灰光光模塊并不采用復(fù)雜的波分復(fù)用技術(shù)，而是專注于提供穩(wěn)定可靠的單一波長(zhǎng)傳輸。這種特性使它更適合用于短距離、低成本的網(wǎng)絡(luò)連接，例如IP網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。

8.光模塊的光功率

光模塊光功率是衡量光模塊性能的核心參數(shù)之一，包括發(fā)送光功率、接收光功率、過載光功率和接收靈敏度等指標(biāo)，直接影響光纖通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性與傳輸質(zhì)量。

• 發(fā)射光功率：指光模塊發(fā)送端光源發(fā)出的光強(qiáng)度，單位為dBm，發(fā)射光功率需保持穩(wěn)定以確保信號(hào)傳輸質(zhì)量。
• 接收光功率：表示接收端可識(shí)別的平均光功率范圍，其下限為接收靈敏度最大值，上限為過載光功率，單位為dBm。
• 過載光功率：又稱為飽和光功率，指光模塊接收端能承受的最大輸入光功率，單位為dBm，當(dāng)接收光功率大于過載光功率時(shí)會(huì)導(dǎo)致誤碼，甚至設(shè)備損壞。
• 接收靈敏度：指光模塊在滿足一定誤碼率條件下的最小可接收光功率，單位為dBm。

9.光模塊的接口類型

指光模塊對(duì)接光纖時(shí)的物理連接器類型，常見的連接器類型有SC、LC、MPO等。

• SC（Square Connector）：一種標(biāo)準(zhǔn)的方形光纖連接器，具有良好的穩(wěn)定性和耐用性。SC接口最初設(shè)計(jì)用于接入網(wǎng)絡(luò)中的用戶端設(shè)備，但現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

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• LC（Little Connector）：一種小型化的光纖連接器，LC接口具有較小的尺寸和較高的精度。LC接口可用于單模或多模光纖，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、電信網(wǎng)絡(luò)等高密度布線環(huán)境。

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• MPO（Multi-fiber Push On）：一種多芯光纖連接器，可以同時(shí)連接多根光纖。MPO接口通常用于高密度布線環(huán)境中的并行數(shù)據(jù)傳輸，如數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的服務(wù)器互聯(lián)或交換機(jī)之間的高速鏈路。

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10.光模塊的命名

不同廠家對(duì)光模塊命名有各自廠家的規(guī)則。IEEE、MSA等組織也對(duì)光模塊命名提供了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。以100G光模塊為例，IEEE 802.3定義的命名規(guī)范如下圖所示。

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100G光模塊命名各參數(shù)取值參見下表。

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例如，某100G光模塊命名為100GBASE-LR4，表示含義為光模塊速率為100 Gbps、支持的傳輸距離為10 km、光模塊支持4通道。

在實(shí)際使用中，一些廠家的光模塊命名還包括了封裝類型，如QSFP28-100G-S40K，QSFP28表示封裝類型為QSFP28，100G表示光模塊的接口速率，S表示單模，40K表示支持的傳輸距離為40 km。

總之，不同廠家的光模塊命名有差異，但命名規(guī)則通常包含封裝類型、傳輸速率、光纖類型、傳輸距離、工作波長(zhǎng)等信息。

11.光模塊的新技術(shù)

光模塊制造的核心在于封裝技術(shù)。目前，COB（Chip on Board，板上芯片） 為高速光模塊的主流封裝方案。

COB通過將裸芯片（光芯片與電芯片）直接貼裝在PCB基板上，并采用引線鍵合實(shí)現(xiàn)電氣連接，顯著提升了集成度，同時(shí)具備體積小、散熱好、成本低等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于400G、800G等高速模塊中。

為滿足網(wǎng)絡(luò)對(duì)更高帶寬和更低功耗的需求，光模塊技術(shù)正沿著一條清晰路徑不斷演進(jìn)，主要方向包括以下三種關(guān)鍵技術(shù)。

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END

當(dāng)前，隨著AI掀起的算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加速，對(duì)用于數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)的高速光模塊需求顯著增長(zhǎng)，400G光模塊已廣泛應(yīng)用、800G光模塊已規(guī)模化商用，而1.6T光模塊已進(jìn)入量產(chǎn)階段。

未來，在AI與算力網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)下，光模塊必將加速向著“更高速率、更低功耗、更小體積、更智能集成”階段發(fā)展，CPO與硅光技術(shù)或?qū)⒊蔀槲磥砉饽K發(fā)展的核心引擎。