關於光模組，看這篇就夠了

隨著人工智慧（AI）技術的快速發展，AI資料訓練及應用往往涉及到大量的資料傳輸和即時交互，對算力和網路的需求正呈現爆發式的成長。

光模組作為網路中裝置之間傳輸資料的“快遞員”，為“算力高速公路”承載著海量資料的收發，其重要地位愈發凸顯。

今天文檔君帶你一文讀懂光模組。

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1.什麼是光模組

光模組是一種將電訊號與光訊號互轉的裝置，其主要作用是在發送端將電訊號轉換成光訊號，經由光纖傳送後，再在接收端將光訊號轉換成電訊號。

透過光模組，可以實現各類型設備間的無縫連接和協作，例如網路上的路由器、交換器、伺服器和儲存設備等都離不開光模組的互聯，光模組的應用非常廣泛。

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2.光模組的組成

光模組通常主要由光發射組件、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.光模組的速率

光模組介面速率指每秒傳輸位元數，單位有Mbps、Gbps及Tbps。

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

4.光模組的封裝

封裝可以簡單理解為光模組的外觀和介面形式。

封裝標準由標準化組織決定，封裝標準的決定，使得各個廠商生產的光模組得以相容、互聯互通。光模組產業中使用最多的標準化組織是IEEE（電氣與電子工程師學會）和MSA（Multi-Source Agreement，多源協議）。 MSA實際上是一種多供應商規範，是對IEEE標準的補充。

目前標準化組織所規範的常見光模組封裝有：GBIC、SFP、SFP+、SFP28、QSFP+、QSFP28、CFP、CFP2、CFP4、CFP8、QSFP-DD、OSFP等。

SFP

Small Form-Factor Pluggable，小包裝可熱插拔。

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GBIC是由MSA定義的首個光模組封裝標準協議，SFP光模組可以理解為GBIC光模組的升級版本。 SFP光模組支援熱插拔，模組體積比GBIC光模組減少一半。 SFP光模組支援千兆和百兆速率。

SFP+

Small Form-factor Pluggable Plus，增強型小包裝可熱插拔。

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SFP+和SFP光模組具有相同外觀尺寸，差異在於SFP+光模組功耗更小、速率更高，SFP+支援萬兆速率。

SFP28

Small Form-factor Pluggable 28，小包裝可熱插拔28。

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SFP28是SFP+升級版，與SFP+相同的外觀尺寸，SFP28光模組可支援單通道25Gbps速率。

QSFP+

Quad Small Form-factor Pluggable Plus，四聲道增強型小封裝可熱插拔。

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QSFP+光模組同時支援4通道傳輸，單通道可支援10Gbps速率，透過4通道傳輸實現40Gbps速率。

QSFP28

Quad Small Form-factor Pluggable 28，四聲道小封裝可熱插拔28。

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QSFP28光模組同時支援4通道傳輸，單通道可支援25Gbps到40Gbps速率，透過4通道傳輸實現超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光模組傳輸速率範圍為100Gbps~400Gbps。 CFP是在SFP基礎上設計，但比SFP有更大的外觀尺寸。

  • CFP的單通道可支援10Gbps速率，透過4×10Gbps和10×10Gbps，達到40Gbps和100Gbps速率。
  • CFP2的尺寸是CFP的二分之一，透過4×25Gbps和8×25Gbps，達到100Gbps和200Gbps速率。
  • CFP4的尺寸是CFP的四分之一，透過4×10Gbps和10×10Gbps，達到40Gbps和100Gbps速率。
  • CFP8是針對400G的封裝類型，透過16×25Gbps和8×50Gbps，達到400Gbps速率。

QSFP-DD

Quad Small Form-factor Pluggable-Double Density，雙密度四聲道小型可插拔封裝。

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QSFP-DD封裝可相容於QSFP+/QSFP28等QSFP封裝，將QSFP的4通道增加了一排通道，變為同時支援8通道傳輸，單通道速率可達25Gbps、50Gbps、100Gbps，因此QSFP-DD光模組可支援200Gbps、400Gbps。

OSFP

Octal Small Form-factor Pluggable，八聲道小型封裝熱插拔。

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OSFP光模組具有8個高速電氣通道，每個通道速率可達100Gbps，總頻寬可支援200Gbps、400Gbps、800Gbps以及1.6Tbps速率，尺寸比QSFP-DD略大。

隨著光模組的效能和傳輸頻寬逐漸提升，光模組的封裝方式也持續演進，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展。

5.光模組的傳輸距離

光模組的傳輸距離分為短距、中距、長距三種。一般認為2 km及以下的為短距離，30 km及以上的為長距離。

實際使用中，光模組可傳輸的距離會受到限制，主要是因為光訊號在光纖中傳輸時會有一定的損耗和色散。

  • 損耗是指光訊號在光纖介質中傳輸時，強度逐漸減弱的現象。單位以dB/km表示。光訊號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，單模光纖相對多模光纖損耗較小。
  • 色散是指不同頻率或不同模式的光訊號在光纖中傳播速度不同，導致光脈衝展寬，進而造成訊號失真的現象。單位以ps/(nm·km)表示。色散會使相鄰脈衝重疊造成誤碼率升高，限制光纖的最大傳輸速率和無中繼傳輸距離。

6.光模組的傳輸模式

根據光訊號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，光模組也分單模光模組、多模光模組。

  • 單模光模組單模光模組與單模光纖配套使用。單模光纖的纖芯較細，使用光的單一模式傳送訊號，傳輸過程中色散較小，傳輸容量大，通常用於長距離傳輸。
  • 多模光模組多模光模組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訊號，傳輸過程中色散較大，傳輸性能比單模光纖差，但成本低，適用於較小容量、短距傳輸。

7.光模組的中心波長

中心波長指光訊號傳輸所使用的光波段，單位nm（奈米）。中心波長越長，光訊號在光纖中的損耗越小，傳輸距離越遠。

常用的光模組的中心波長主要有三種：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，還有用於波分系統的CWDM和DWDM波段。

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無論是CWDM還是DWDM，這些波長在設備上呈現為「彩光」光模組。這些光模組透過不同顏色的光（即不同波長）來傳輸數據，每個顏色代表一個獨立的數據通道，從而在單一光纖上實現多個波長訊號的傳輸。這種技術大大提高了光纖的傳輸容量和效率。

與此相對，850 nm、1310 nm和1550 nm波段由於中心波長相對單一，也稱為「灰光」或「黑白光」。與彩光光模組不同，灰光光模組並非採用複雜的波分複用技術，而是專注於提供穩定可靠的單一波長傳輸。這種特性使它更適合用於短距離、低成本的網路連接，例如IP網路場景。

8.光模組的光功率

光模組光功率是衡量光模組性能的核心參數之一，包括發送光功率、接收光功率、過載光功率和接收靈敏度等指標，直接影響光纖通訊系統的穩定性與傳輸品質。

  • 發射光功率：指光模組發送端光源發出的光強度，單位為dBm，發射光功率需保持穩定以確保訊號傳輸品質。
  • 接收光功率：表示接收端可辨識的平均光功率範圍，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：又稱飽和光功率，指光模組接收端能承受的最大輸入光功率，單位為dBm，當接收光功率大於過載光功率時會導致誤碼，甚至設備損壞。
  • 接收靈敏度：指光模組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.光模組的介面類型

指光模組對接光纖時的實體連接器類型，常見的連接器類型有SC、LC、MPO等。

  • SC（Square Connector）：一種標準的方形光纖連接器，具有良好的穩定性和耐用性。 SC介面最初是設計用於接取網路中的用戶端設備，但現在也廣泛應用於各種網路環境。

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  • LC（Little Connector）：一種小型化的光纖連接器，LC介面具有較小的尺寸和較高的精度。 LC介面可用於單模或多模光纖，廣泛應用於資料中心、電信網路等高密度佈線環境。

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  • MPO（Multi-fiber Push On）：多芯光纖連接器，可同時連接多根光纖。 MPO介面通常用於高密度佈線環境中的平行資料傳輸，例如資料中心內部的伺服器互聯或交換器之間的高速鏈路。

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10.光模組的命名

不同廠商對光模組命名有各自廠商的規則。 IEEE、MSA等組織也對光模組命名提供了規範標準。以100G光模組為例，IEEE 802.3定義的命名規格如下圖所示。

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100G光模組命名各參數取值請參考下表。

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例如，某100G光模組命名為100GBASE-LR4，表示意義為光模組速率為100 Gbps、支援的傳輸距離為10 km、光模組支援4通道。

在實際使用中，一些廠商的光模組命名也包含了封裝類型，如QSFP28-100G-S40K，QSFP28表示封裝類型為QSFP28，100G表示光模組的介面速率，S表示單模，40K表示支援的傳輸距離為40 km。

總之，不同廠商的光模組命名有差異，但命名規則通常包含封裝類型、傳輸速率、光纖類型、傳輸距離、工作波長等資訊。

11.光模組的新技術

光模組製造的核心在於封裝技術。目前，COB（Chip on Board，板上晶片） 為高速光模組的主流封裝方案。

COB透過將裸晶片（光晶片與電晶片）直接貼裝在PCB基板上，並採用引線鍵合實現電氣連接，顯著提升了整合度，同時具備體積小、散熱好、成本低等優勢，廣泛應用於400G、800G等高速模組中。

為滿足網路對更高頻寬和更低功耗的需求，光模組技術正沿著一條清晰路徑不斷演進，主要方向包括以下三種關鍵技術。

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END

目前，隨著AI掀起的算力基礎設施建設的加速，對用於資料中心光互聯的高速光模組需求顯著增長，400G光模組已廣泛應用、800G光模組已規模化商用，而1.6T光模組已進入量產階段。

未來，在AI與算力網路驅動下，光模組必將加速朝向「更高速率、更低功耗、更小體積、更智慧整合」階段發展，CPO與矽光技術或將成為未來光模組發展的核心引擎。