近年來，大數(shù)據(jù)、云計算、5G、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等應(yīng)用市場快速發(fā)展，將要來臨的無人駕駛應(yīng)用市場，給數(shù)據(jù)流量帶來了爆炸性增長，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)逐漸發(fā)展成為光通信的研究熱點。
目前的數(shù)據(jù)中心已不再僅僅是一座或幾座機(jī)房，而是一組數(shù)據(jù)中心集群。為實現(xiàn)各種互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和應(yīng)用市場的正常工作，要求數(shù)據(jù)中心之間協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)中心之間信息實時海量交互，這就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)需求，光纖通信則成為了實現(xiàn)互聯(lián)的必要手段。
與傳統(tǒng)的電信接入網(wǎng)傳輸設(shè)備不同，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)要實現(xiàn)信息量更大、更密集的傳輸，就要要求交 換設(shè)備擁有更高速率、更低功耗，以及更加小型化。而決定這些性能是否能夠?qū)崿F(xiàn)的一個核心因素，則是光模塊。
信息網(wǎng)絡(luò)主要以光纖作為傳輸介質(zhì)，但目前計算、分析還必須基于電信號，光模塊是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心器件。
光模塊的核心組件由Transimitter(光發(fā)射次模塊)/Receiver(光接收次模塊)或Transceiver(光收發(fā)一體模塊)、電芯片，另外還包括透鏡、分路器、合束器等無源器件及外圍電路組成。
常見的光模塊封裝模式有SFP、XFP、QSFP、CFP等。
數(shù)據(jù)中心通信光模塊可按照連接類型分為三類：
(1)數(shù)據(jù)中心到用戶，由訪問云端進(jìn)行瀏覽網(wǎng)頁、收發(fā)電子郵件和視頻流等終端用戶行為產(chǎn)生;
(2)數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，主要用于數(shù)據(jù)復(fù)制、軟件和系統(tǒng)升級;
(3)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，主要用于信息的存儲、生成和挖掘。根據(jù)思科預(yù)測，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信占數(shù)據(jù)中心通信70%以上的比例，數(shù)據(jù)中心建設(shè)的大發(fā)展，也就催生了高速光模塊的發(fā)展。
數(shù)據(jù)流量持續(xù)增長，數(shù)據(jù)中心大型化、扁平化趨勢推動光模塊向兩方面發(fā)展：
· 傳輸速率需求提升
· 數(shù)量需求增長
數(shù)據(jù)中心大型化趨勢導(dǎo)致傳輸距離需求提升，多模光纖的傳輸距離受限于信號速率的提升，預(yù)計將逐漸被單模光纖代替。而光纖鏈路成本由光模塊和光纖兩部分組成，針對不同的距離，也有不同的適用方案。就數(shù)據(jù)中心通信所需的中長距離互聯(lián)而言，有著誕生自MSA的兩種革命性方案：
· PSM4(Parallel Single Mode 4 lanes)
· CWDM4(Coarse Wavelength Division Multiplexer 4 lanes)
其中，PSM4光纖使用量是CWDM4的4倍，當(dāng)鏈路的距離較長時，CWDM4方案成本則相對較低。
如今，400G光模塊的實現(xiàn)技術(shù)成為了業(yè)界關(guān)注的重點。400G光模塊的主要作用是能夠提高數(shù)據(jù)的吞吐量，能最大限度的提高數(shù)據(jù)中心的帶寬與端口密度。其未來的趨勢是實現(xiàn)寬增益、低噪聲、小型化和集成化等性能，滿足下一代無線網(wǎng)絡(luò)與超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心通信的應(yīng)用需求。
目前的400G光模塊中，主要使用的是8路53G NRZ或者4路106G PAM4(4 Pulse Amplitude Modulation， 4級脈沖幅度調(diào)制)信號調(diào)制的方式，來實現(xiàn)400G的信號傳輸。
模塊封裝方面，采用的則是OSFP或QSFP-DD，這兩種封裝形式都可以提供8路電信號接口。
相較來說，QSFP-DD封裝尺寸更小，更適合數(shù)據(jù)中心應(yīng)用;OSFP封裝尺寸稍大一些，功耗更大，更適合電信應(yīng)用。
光模塊封裝類型
光模塊(optical transceiver)是光通信系統(tǒng)中重要的器件。前面我們也介紹了不同種類的光模塊，今天來系統(tǒng)的介紹光模塊封裝類型的變化。
千兆光模塊
GBIC(Gigabit Interface Converter) 光模塊是第一個封裝接口標(biāo)準(zhǔn)化的光模塊。采用SC接口，可熱插拔，可將千兆位的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，其在上世紀(jì)90年占據(jù)主流市場。
SFP(Small Factor Pluggable) 光模塊是一種小型可插光模塊，其體積較GBIC小一倍，在同樣大小的面板上配置多出一倍以上的端口數(shù)量，多采用LC型光纖接口 。
10G光模塊
10GbE(英文全稱為10 Gigabit Ethernet)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)得以通過，它規(guī)范了以 10Gbit/s 的速率來傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)，傳輸距離為300m到40km。
X2光模塊可直接放在電路板上，不需要開槽，適合高密度使用。
XFP(10 Gigabit Small Form-factor Pluggable)光模塊，X在羅馬數(shù)字中代表10傳輸速率9.953Gbps～10.3Gbps，雙LC，可熱插拔，包含了數(shù)字診斷功能。
SFP+光模塊和SFP一樣的外形，實現(xiàn)了10G的信號傳輸。SFP+將信號調(diào)制功能，串行/解串器、MAC、時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)，以及電子色散補(bǔ)償(EDC)功能從模塊移到主板卡上，實現(xiàn)高速率、小型化和低成本。
這幾種萬兆模塊，出現(xiàn)的年代不同，尺寸從大到小，小的替代了大的，SFP+最終成為萬兆光模塊的主力。
25G/40G光模塊
SFP28光模塊基于SFP+的封裝模式，傳輸速率25Gbps，適用于單個25GE接入端口，功耗低，端口密度較高，可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)部署成本，被廣泛應(yīng)用于25G以太網(wǎng)和100G以太網(wǎng)中。
QSFP(Quad Small Form-factor Pluggable)光模塊是四通道小型可插拔光模塊。它具有四個獨立的全雙工收發(fā)通道，用多通道并行的高密度的光模塊替換單通道的SFP，而QSFP的體積只比標(biāo)準(zhǔn)的SFP模塊大30%。這種4通道的可插拔接口傳輸速率達(dá)到了4x10Gbps。
100G光模塊
CFP光模塊 中的C代表100，主要針對的是100G及以上速率的應(yīng)用，CFP封裝模式主要包括CFP/CFP2/CFP4/CFP8，CFP后面的數(shù)字代表了更新?lián)Q代，尺寸更緊密，速率更高。
CFP光模塊 每路電接口速率定義為10Gb/s等級，通過4x10Gb/s和10x10Gb/s電接口實現(xiàn)40G和100G的模塊速率。
CFP2光模塊 的體積是CFP的1/2，它與CFP相似之處在于PCB上都設(shè)置了一個專用連接器，CFP2最高支持4x25G和8x25G速率。
CFP4光模塊 比CFP2進(jìn)一步縮小了尺寸，寬度是CFP2的一半，電接口支持單路10Gb/s和25Gb/s，通過4x10Gb/s和4x25Gb/s實現(xiàn)40G/100G的模塊速率。
CXP光模塊(12*Small Form-factor Pluggable) 尺寸比XFP光模塊稍大，C代表100G，內(nèi)置12個傳輸通道，每個通道以10Gb/s的速度運(yùn)行，最高速率可達(dá)120G，主要用來滿足數(shù)據(jù)中心高密度的需求，通常與并行多模光纖帶一起使用，傳輸距離高達(dá)100米。
QSFP28光模塊 的封裝方式和QSFP+光模塊一樣，且都采用4個光纖通道來傳輸數(shù)據(jù)，不同的是，100G QSFP28光模塊各個光纖通道的傳輸速率最高能達(dá)到28Gbps，主要用于100G傳輸應(yīng)用。
QSFP28光模塊工作時的功耗通常不超過3.5W，比起其他100G光模塊6-24W的功耗要低得多。
200G/400G光模塊
QSFP-DD(Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density) Q指的是“Quad”，4路的意思，DD指的是“Double Density”。將QSFP的4通道增加了一排通道，變?yōu)榱?通道(double density)。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。
QSFP28支持4x25G速率，QSFP-DD支持8x25G速率，所以兩者的結(jié)構(gòu)唯一差異之處就在QSFP-DD的電口金手指數(shù)量是QSFP28的2倍。
OSFP(Octal Small Formfactor Pluggable) ，Octal代表八進(jìn)制，表示這一光模塊用8個56G通道來實現(xiàn)400GbE。尺寸略大于QSFP-DD，56GbE的信號是由25G的DML激光器在PAM4的調(diào)制下形成的。該標(biāo)準(zhǔn)為新的接口標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)有的光電接口不兼容。
CFP8光模塊 是專門針對400G提出的封裝形式，其尺寸與CFP2相當(dāng)。電接口支持25Gb/s和50Gb/s的通道速率，通過16x25G或8x50電接口實現(xiàn)400G模塊速率。
COBO(consortium for on board optics)， 它旨在將所有光學(xué)組件放置在PCB板上，擺脫前面板接口密度的束縛。這一方案具有散熱好和尺寸小的特點，但其不能熱插拔、維修起來較困難。
以上是10G到400G光模塊的封裝模式
光模塊技術(shù)參數(shù)簡介
模塊是用于交換機(jī)與設(shè)備之間傳輸?shù)妮d體，是光纖通信系統(tǒng)中的核心器件。其主要作用是在發(fā)送端把電信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳送后，接收端把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。
光模塊經(jīng)過了多年的發(fā)展，其封裝方式也有了極大的變化，GBIC、SFP、XFP、QSFP+、OSFP、QSFP28、QSFP-DD、COBO等都是光模塊封裝類型。
傳輸速率也從千兆、萬兆、25G、40G、100G到200G、400G。
除了封裝模式和傳輸速率，光模塊還有哪些重要的技術(shù)參數(shù)呢?今天來簡單介紹一下。
1 中心波長
中心波長的單位是nm，目前主要有以下3種：
? 850nm(多模MM)，成本低但傳輸距離短，一般只能傳輸500m;
? 1310nm(單模SM)，傳輸過程中損耗大但色散小，一般用于40km以內(nèi)的傳輸;
? 1550nm(單模SM)，傳輸過程中損耗小但色散大，一般用于40km以上的長距離傳輸，最遠(yuǎn)可以無中繼直接傳輸120km。
2 傳輸距離
傳輸距離是指光信號無需中繼放大可以直接傳輸?shù)木嚯x，分為短距、中距和長距三種。一般認(rèn)為2km 及以下的為短距離，10～20km 的為中距離，30km、40km 及以上的為長距離。
光模塊可傳輸?shù)木嚯x主要受到損耗和色散兩方面受限。
注意：
? 損耗是光在光纖中傳輸時，由于介質(zhì)的吸收散射以及泄漏導(dǎo)致的光能量損失，這部分能量隨著傳輸距離的增加以一定的比率耗散。
? 色散的產(chǎn)生主要是因為不同波長的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時速度不等，從而造成光信號的不同波長成分由于傳輸距離的累積而在不同的時間到達(dá)接收端，導(dǎo)致脈沖展寬，進(jìn)而無法分辨信號值。
因此，用戶需要根據(jù)自己的實際組網(wǎng)情況選擇合適的光模塊，以滿足不同的傳輸距離要求。
3 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。單位為W或mW或dBm。其中W或mW為線性單位，dBm是一個表示功率絕對值的值(也可以認(rèn)為是以1mW功率為基準(zhǔn)的一個比值)。在通信中，我們通常使用dBm來表示光功率。
P(dBm)=10Log(P/1mW)
4 接受靈敏度
接受靈敏度指可以探測到的光強(qiáng)度，以dBm為單位。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。
5 激光器類型
? FP激光器：
FP激光器的諧振腔由鍍膜的自然解理面形成的 ，只能實現(xiàn)靜態(tài)單模工作。在高速調(diào)制或溫度和電流變化時，會出現(xiàn)模式跳躍和譜線展寬。
? DFB激光器：
DFB即分布式反饋激光器，其不同之處是內(nèi)置了布拉格光柵，屬于側(cè)面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器。DFB激光器將布拉格光柵集成到激光器內(nèi)部的有源層中(也就是增益介質(zhì)中)，在諧振腔內(nèi)即形成選模結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)完全單模工作。
兩種激光器，兩者的半導(dǎo)體材料和諧振腔結(jié)構(gòu)有所不同，DFB激光器的價格貴，多用于傳輸距離大于40km的光模塊;而FP激光器便宜，一般用于傳輸距離在40km以內(nèi)的光模塊。
6 光模塊接口類型
光模塊接口類型主要有MPO/MTP、雙芯LC、單芯LC和RJ-45接口。
