初識(shí)光模塊之光模塊的分類

高速先生成員--周偉

說(shuō)到光模塊，很多用過(guò)光模塊的人肯定很清楚光模塊有很多種，但還有很多人只是見(jiàn)過(guò)或者知道有光模塊，但光模塊具體怎么分類的，我相信很多人都和我們一開(kāi)始接觸光模塊一樣都是一知半解，甚至云里霧里的只知道都是光模塊，但具體有什么不一樣就有點(diǎn)摸不著頭腦了。閑話少說(shuō)，接下來(lái)我們就來(lái)給大家介紹一下我們今天的主人公吧。

光模塊(optical module)由光電子器件、功能電路和光接口等組成，光電子器件包括發(fā)射和接收兩部分。簡(jiǎn)單的說(shuō)，光模塊的作用就是發(fā)送端把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纖傳送后，接收端再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常見(jiàn)的傳輸方式如下圖所示。

從結(jié)構(gòu)組成上看，絕大多數(shù)基礎(chǔ)性光模塊均采用了收發(fā)一體形式，其內(nèi)部主要由光發(fā)射組件TOSA(Transmitting Optical Sub-Assembly)、光接收組件ROSA(Receiving Optical Sub-Assembly）、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路(激光器芯片)、接收信號(hào)處理電路（探測(cè)器芯片）構(gòu)成，另外還有一種將發(fā)射組件與接收組件合二為一的BOSA(Bi-Directional Optical Sub-Assembly)組件，形成的單纖雙向光模塊，BOSA可以看作是TOSA與ROSA的集成體，同時(shí)具有光發(fā)射與接收的功能。簡(jiǎn)單的光模塊內(nèi)部構(gòu)成大致如下圖所示。

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)器芯片轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)前置放大器后輸出電信號(hào)。

為什么說(shuō)光模塊很難弄明白呢，主要是它的種類太多，同時(shí)可以按照不同的角度去進(jìn)行分類，通俗來(lái)說(shuō)就是本來(lái)同一個(gè)東西但有很多種不同的叫法，更BT的是有時(shí)同樣的叫法可以有很多種不同的東西，所以就經(jīng)常會(huì)被人搞混，云里霧里的。常用的可以按照單口最大傳輸速率（單口帶寬）、接口封裝類型、波長(zhǎng)、傳輸模式、傳輸距離和調(diào)制格式等去進(jìn)行分類，下面我們分別介紹幾種常見(jiàn)的分類方式。

按照單口最大傳輸速率（單口最大傳輸帶寬更合適些）來(lái)分：

1、按單口最大傳輸速率分類:

按照單口最大的傳輸帶寬，也就是一個(gè)光口總的傳輸速率可以分為：3.2Tbps(3.2TE)光模塊、1.6Tbps(1.6TE)光模塊、800Gbps（800GE）光模塊、400Gbps(400GE)光模塊、200Gbps(200GE)光模塊、100Gbps(100GE)光模塊、40Gbps(40GE)光模塊、25Gbps(25GE)光模塊、10Gbps(10GE)光模塊、1.25Gbps(1GE)光模塊、FE光模塊等。我們說(shuō)的1.6T光模塊，其實(shí)指的是這個(gè)光模塊單口最大的傳輸速率是1.6Tbps。

2、按單對(duì)最大傳輸速率分類（這種分類一般用的少，主要是設(shè)計(jì)和仿真人員會(huì)關(guān)注）

按照光器件所能承載的單對(duì)無(wú)誤碼傳輸?shù)淖畲箅娦盘?hào)速率來(lái)進(jìn)行分類，也就是我們?cè)O(shè)計(jì)和仿真時(shí)關(guān)心的單對(duì)差分信號(hào)的傳輸速率，可以分為：125Mbps、1.25Gbps、10.3125Gbps、25/28Gbps、50/56Gbps、100/112Gbps和200G/224Gbps等光模塊。單對(duì)差分速率乘以發(fā)送或接收對(duì)數(shù)就決定了上面單口最大的速率，同時(shí)也決定了這個(gè)光模塊每秒可以傳輸多少數(shù)據(jù)。如上面的1.6TE光模塊一般就是由200G/224Gbps的單對(duì)差分速率乘以8對(duì)得到的，也就是說(shuō)我們現(xiàn)在做的1.6TE光模塊它的單對(duì)差分信號(hào)速率最高到了200/224Gbps，這么高速的傳輸速率在PCB板上傳輸，對(duì)PCB的設(shè)計(jì)和制板工藝考驗(yàn)巨大，這種情況下就需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)精確的仿真來(lái)確保通道的性能，同時(shí)還需要有靠譜的加工才能保證最終產(chǎn)品的落地，哪一個(gè)環(huán)節(jié)都不能出現(xiàn)太大的偏差。

3、按接口封裝類型分類（最常見(jiàn)的）

傳輸速率越高，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，由此產(chǎn)生了不同的接口封裝類型。常見(jiàn)的光模塊封裝類型有：SFP（1GE）光模塊、SFP+（10GE）光模塊、SFP28（25GE）光模塊、QSFP+（40GE）光模塊、CFP（40GE-100GE）光模塊、CFP2 /CFP4（100GE-400GE）光模塊、QSFP28（100GE）光模塊、QSFP-DD（400GE-800GE）光模塊、OSFP(800GE)光模塊、OSFP-XD/OSFP224(1.6TE)光模塊等。還有早期速率比較低的GBIC，就是Giga Bit-rate Interface Converter(千兆接口轉(zhuǎn)換器)光模塊在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)。下面可以看看每種具體光模塊的介紹。

SFP，全稱Small Form 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模塊減少了一半，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，是10-Gigabit Small Form-factor Pluggable的簡(jiǎn)稱，又叫萬(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。

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)，功耗也更低(減少了一些信號(hào)控制功能)。此外，為了增加容量和空間，還會(huì)把多個(gè)SFP+口做成一個(gè)器件，延生出了zSFP+等。

QSFP，Quad Small Form-factor Pluggable的簡(jiǎn)稱，也即四通道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4x10GQSFP+、4x25GQSFP28、8x25GQSFP28-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。和SFP+一樣，為了容量和空間考慮，會(huì)把多個(gè)QSFP接口上下左右堆成多個(gè)接口作為一個(gè)整體，這樣就衍生出了QSFP+、zQSFP+和microQSFP等接口，如下圖所示。

QSFP-DD，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CDFP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。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。

OSFP，Octal Small Form Factor Pluggable的簡(jiǎn)稱，“O”代表“八進(jìn)制”，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。

CFP，Centum gigabits Form Pluggable的簡(jiǎn)稱，也叫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、CFP8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8x50G電接口實(shí)現(xiàn)400Gbps模塊速率。

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。

其他的幾種不常見(jiàn)的分類方式：

按照傳輸距離分類，有100米、300米、550米、10千米、20千米、40千米、80千米、120千米和160千米等光模塊；

按照傳輸波長(zhǎng)分類，有850nm、1310nm、1490nm、1550nm等光模塊；

按照傳輸模式分類，有單模（黃色）、多模（橘黃色、藍(lán)綠色）等光模塊；

本期問(wèn)題：關(guān)于光模塊更深層次的介紹，您還有哪些想知道的？我們會(huì)根據(jù)大家的回復(fù)來(lái)針對(duì)性的解答。

審核編輯 黃宇