長：1897 寬：105 高：1052   

武漢光模塊生產(chǎn)商，價格美麗，直接聯(lián)系，降低溝通成本，雙贏，你想要的都有光模塊是一種高性能、緊湊型、熱插拔的光電轉(zhuǎn)換器件，廣泛應用于各種網(wǎng)絡設備，如交換機、路由器、服務器和存儲區(qū)域網(wǎng)絡（SAN）中，用于實現(xiàn)電光/光電轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在光纖和銅纜之間的傳輸。SFP光模塊因其體積小、功耗低、通用性強等特點，成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心、局域網(wǎng)（LAN）和廣域網(wǎng)（WAN）中ue的組成部分。

SFP光模塊的工作原理

當SFP光模塊插入網(wǎng)絡設備的SFP端口中時，它可以自動檢測并適應設備的傳輸速率和模式。模塊內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換芯片負責將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，或?qū)⒔邮盏降墓庑盘栠€原為電信號，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在光纖和網(wǎng)絡設備之間的傳輸。這一過程涉及編碼、調(diào)制、解碼和解調(diào)等一系列復雜的技術(shù)操作，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院蜏蚀_性。

特點與優(yōu)勢

標準化設計：SFP光模塊遵循MSA（Multi-SourceAgreement）規(guī)范，這意味著它們可以在不同廠商生產(chǎn)的設備中互換使用，大大增加了靈活性和互操作性。

熱插拔功能：無需關閉網(wǎng)絡設備電源即可隨時插入或移除SFP模塊，方便快捷地進行配置更改和故障排查，降低了停機時間和維護成本。

緊湊尺寸：相較于早期的GBIC模塊，SFP模塊的體積更小，有助于提高設備的端口密度，節(jié)省寶貴的機架空間。

多種傳輸距離：根據(jù)不同的應用場景，SFP光模塊可以支持從幾米到數(shù)百公里不等的傳輸距離，涵蓋短距、中距和長距等各種光纖通信需求。

廣泛的接口類型：SFP模塊支持多種接口標準，包括單模光纖、多模光纖、銅纜等，滿足多樣化的連接需求。

應用領域

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接：用于服務器、交換機和存儲設備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

局域網(wǎng)和城域網(wǎng)：在企業(yè)園區(qū)、學校、醫(yī)院等局域網(wǎng)環(huán)境下搭建高速光纖網(wǎng)絡。

廣域網(wǎng)通信：實現(xiàn)城市間、國家間的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，支撐長途通信和互聯(lián)網(wǎng)服務。

電信基礎設施：為固定電話、寬帶接入、移動基站等電信服務提供可靠的網(wǎng)絡支持。

1、光模塊應用場景

光模塊是實現(xiàn)光信號傳輸?shù)年P鍵組件，作用就是完成電信號到光信號的轉(zhuǎn)換(電轉(zhuǎn)光，光轉(zhuǎn)電)。

光模塊的典型應用場景

光模塊主要完成物理層中的PMD功能：光電/電光轉(zhuǎn)換(PMA：串行/解串，serdes；PCS：編碼/解碼，64b/66b編碼)

2、光模塊的命名

100G Base-LR4：速率100Gbps，4路1310nm波長的信號進行傳輸，Zui大傳輸距離10km，編碼機制：64b/66b；

光模塊命名

3、光模塊的組件

3.1、光發(fā)射和光接收組件(TOSA/ROSA)

TOSA主要包含光源、調(diào)制器等，用于實現(xiàn)發(fā)送電信號到光信號的轉(zhuǎn)換和耦合;

ROSA主要包含把輸人光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電二極管(PD)、把光電二極管檢測到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的跨阻放大器(TransimpedanceAmplifier,TIA)、驅(qū)動電路等。

根據(jù)不同的應用，TOSA和ROSA內(nèi)部還可能包括用于多路波長復用的Mux或De-MUX器件及用于光纖耦合的透鏡等器件。

光模塊內(nèi)部的電芯片主要用于接收主機發(fā)送給光模塊的電信號，并經(jīng)放大后驅(qū)動光源；或者接收光電二極管和跨阻放大器輸出的電信號，并經(jīng)放大驅(qū)動后發(fā)送給主機。

根據(jù)不同的應用場合，電芯片還可能包含用于補償電通道serdes傳輸損耗的均衡器、用于恢復時鐘并減小鏈路抖動的時鐘恢復電路(CDR)，甚至做復雜信號編碼和處理的DSP模塊等。

光模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2、光源

3.2.1、LED：發(fā)光二極管，制造成本低且非常可靠,驅(qū)動電路比較簡單,特性受溫度影響小,發(fā)射功率和驅(qū)動電流基本呈現(xiàn)比較好的線性關系。但是LED光源的波束比較發(fā)散(和光纖的耦合效率低,或者需要專門的透鏡進行耦合,不適合芯徑較小的單模光纖應用)，因此只應用于一些低速(<100Mbps)、短距離(<100m)的通信場合。

半導體光源

3.2.2、VCSEL：采用垂直腔設計的半導體激光源，可以認為它結(jié)合了LED光源簡單可靠以及激光器光束窄、純凈度好的優(yōu)點。這種激光的諧振腔垂直于半導體的晶圓,從芯片的頂部表面發(fā)出光。

成本低,、耦合容易，光束比LED窄，比較容易耦合到光纖中、調(diào)制簡單，VCSEL的諧振腔很短，當激光器關閉后很快就沒有光了，所以能以比較高的速率進行直接調(diào)制。

目前能夠商用的用于通信的VCSEL激光器主要工作在750~980nm波長附近，在光通信中主要是配合多模光纖應用于500m以下的傳輸場合。

3.2.3、FB、DFB激光器

FB激光器:FB激光器是一種半導體激光器,用激光二極管(LaserDiode,LD)作為光源，由兩塊內(nèi)表面具有高反射率的平行玻璃板構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔。由于譜線寬度較寬，F(xiàn)B激光器不能應用于DWDM系統(tǒng)(典型信道間隔為0.4nm或0.8nm)，在CWDM系統(tǒng)中的應用也不太普遍(典型信道間隔為5nm或20nm)。

DFB激光器：為了改善FB激光器的光譜特性，一種常用的方法是在諧振腔內(nèi)刻上衍射光柵，以衰減掉不需要的頻率成分,這種激光器就是DFB(Distributed FeedbackLaser,分布反饋式)激光器。DFB激光器的譜寬、方向性、功率、調(diào)制帶寬都非常適合高速信號的遠距離傳輸，生產(chǎn)成本也比較高，是遠距離光傳輸(>10km)的主流激光器技術(shù)。在O波段、C波段、L波段的波長窗口附近都有可用的DFB激光器,是目前25Gbps及以上速率的高速光通信中Zui普遍使用的單模激光器光源。

采用激光器作為光源的缺點主要是設計和生產(chǎn)制造成本比較高。其激光器的波長和功率對于溫度比較敏感，所以必須有相應的溫度反饋或者控制電路，以提高其波長和功率的穩(wěn)定性，同時在生產(chǎn)階段也需要對其波長和功率進行校正。

激光器的輸出光功率與輸入電信號間并不是完全線性的(電流超過一定閾值后光功率突然增大)。非線性對于廣泛使用的2電平數(shù)字調(diào)制(NRZ)信號問題不是太大,但不太適合現(xiàn)在200G/400G通信中的4電平數(shù)字調(diào)制(PAM-4)。如果需要線性的輸出關系，通常需要選擇激光器線性度比較好的工作區(qū)域并使用線性放大器(Linear Amplifier)，或者采用額外的外部調(diào)制器進行信號調(diào)制(外調(diào)制)。

光源比較

3.3、光調(diào)制器

3.3.1、DML(Directly ModulatedLaser,直接調(diào)制激光器)

通過改變DFB激光器驅(qū)動電流來對光強度進行調(diào)制。DML的調(diào)制實現(xiàn)方式簡單,成本也比較低，但是這種調(diào)制方式的調(diào)制帶寬會受限于激光器自身的弛豫振蕩(激光在打開建立穩(wěn)定的光功率輸出前會有功率的振蕩)，這就制約了其能支持的Zui高數(shù)據(jù)速率；DML目前主要用于速率30Gbps以下、傳輸距離小于10km的應用場合。

3.3.2、EML(Electro-absorptionModulated Laser,電吸收調(diào)制激光器)

為了進一步提高調(diào)制速率和調(diào)制質(zhì)量,可以通過外部調(diào)制器對光信號進行調(diào)制。EML是在DFB光源基礎上增加了一個外部的EAM(Electro-absorptionModulator,電吸收調(diào)制器)。對于一些更高性能的場合,還會使用MZM(Mach-ZehnderModulator,馬赫-曾德調(diào)制器)，簡稱 MZ調(diào)制器。

集成DFB和EAM的EML器件

以EAM調(diào)制器為例，此時激光的光源一直工作在打開狀態(tài),其工作電流和輸出功率是穩(wěn)定的。電調(diào)制信號通過控制EAM上的電壓，進而改變對光的吸收比例來實現(xiàn)對光信號功率的調(diào)制，這樣避免了弛豫振蕩和波長漂移的影響。只要EAM器件的調(diào)制帶寬、線性度、消光比等性能可以提升,就可以提供比較高的調(diào)制質(zhì)量。EML激光器的調(diào)制帶寬可以做到30GHz以上，而且波長穩(wěn)定度很高，因此常用于10km以上高速率信號的光傳輸場合。但是EML激光器由于增加了EAM器件,其實現(xiàn)成本比較高。

3.3.3、MZ調(diào)制器(Mach-ZehnderModulator,馬赫-曾德調(diào)制器)

對于更高速率(比如>50GBaud)或者更遠傳輸距離(>40km)的應用中，還可能會用到MZ調(diào)制器。MZ調(diào)制器通常用鈮酸鋰(LiNbO)材料制成，MZ調(diào)制器的成本較高，溫度和偏置控制復雜,所以主要用于需要高性能調(diào)制信號的場合。

3.4、光探測器

在光通信系統(tǒng)的接收一側(cè),需要把光信號轉(zhuǎn)換為電信號進行恢復和處理,其中實現(xiàn)光信號到電信號轉(zhuǎn)換Zui關鍵的器件就是光電探測器(Photodetector,PD)，光電探測器通常是一個反向偏置的光電二極管(Photodiode)。

3.4.1、PN(Positive-Negative)

Zui簡單的光電二極管就是一個PN結(jié),在特定的偏置電壓情況下,流過PN結(jié)的電流會隨著照射到PN結(jié)上光照強度的變化而變化,這樣就實現(xiàn)了光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。

光電二極管電流與偏置電壓關系

PN結(jié)反向偏置情況下，電流隨光強的變化更加明顯也更加線性，所以用于光探測的光電二極管一般都工作在反向偏置電壓條件下。當光照強度增加時，因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度增多，光電二極管的反向電流隨光照的增加而上升，從而實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)化。

3.4.2、PIN(Positive-Intrinsic-Negative)

普通PN結(jié)二極管的P型半導體區(qū)和N型半導體區(qū)之間加入一個寬的、未摻雜的本征(intrinsic)半導體區(qū),因此得名PIN。

3.4.3、APD(Avalanche PhotoDiodes,雪崩二極管)

APD器件通常由Si(針對可見光波長或近紅外)、Ge(針對紅外波長)、InGaAs(紅外波長,低噪聲)等材料制成，與PIN相比，APD工作在更高的反向偏置電壓，并且對溫度非常敏感,因此會需要專門的高壓電路以及溫度特性修正電路；同時,雪崩效應也意味著其輸出是非線性的，在對線性度要求高的場合還需要進行非線性修正。

PIN & APD光電探測器結(jié)構(gòu)

3.4.4、TIA(transimpedanceamplifier,跨阻放大器)

PIN是把輸入的光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，在0dBm的輸入光強度下，典型PIN的輸出電流在幾百μA。為了把電流信號轉(zhuǎn)換為更方便處理的電壓信號，通常會在PIN 探測器的后面連接跨阻放大器，跨阻放大器是一個電流量到電壓量轉(zhuǎn)換的低噪聲放大器，其跨接電阻R通常為1k~5k。調(diào)整跨阻放大器的跨接電阻大小可以調(diào)節(jié)電流到電壓量的轉(zhuǎn)換增益，但增益過大也會增加檢測系統(tǒng)的噪聲。

PIN配合TIA用于光電探測

4、光模塊封裝

單獨的光芯片或者電芯片是無法直接使用的,通常會把一組實現(xiàn)特定功能的光芯片和電芯片組裝在PCB的基板上,配合透鏡、光柵、光纖等光路,Zui后再加上相應的保護外殼,就做成了光模塊(Optical TransceiverModule),這個組裝過程就是光模塊的封裝(Packaging)。

光模塊封裝

根據(jù)不同的速率和應用場合,光模塊會加工制造成不同封裝形式(Form-factor)使用,具體的封裝形式取決于尺寸、電口標準、功耗等要求。現(xiàn)在使用更多的是SFP、SFP+、SFP28、QSFP+、QSFP28、、OSFP、CFP2、CFP4等,另外還有一些新型封裝如SFP-DD、DSFP、SFP-112、800等出現(xiàn)。

4.1、SFP(Small Form-factorPluggable,小型可插拔)

 Zui高支持到4.25Gbps數(shù)據(jù)速率,是早期GBIC封裝的升級版本,它具備了GBIC的熱插拔特性,但其體積僅為GBIC模塊的1/2,尺寸為56.5mm×13.4mm×8.5mm,大大提高了網(wǎng)絡設備的端口密度。目前SFP主要用于4G或以下速率的光模塊上(GE光模塊/千兆光模塊)

4.2、SFP+(Enhanced SmallForm-factor Pluggable,增強型小型可插拔)

10G光模塊封裝標準，其物理尺寸與SFP一樣，都是采用20pin的電連接器，但在保持引腳盡量兼容的情況下增加了對10G模塊電口的電氣規(guī)范、測試點、IC管理接口等的定義。SFP+模塊的電口采用收發(fā)各一對差分線。目前，SFP+封裝形式廣泛用于FiberChannel、10G以太網(wǎng)、OTN等10Gbps左右速率的光模塊(10GE光模塊/萬兆光模塊)

4.3、SFP28(Small Form-factorPluggable 28)

隨著25G以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起來的。SFP28在機械尺寸上與SFP與SFP+相同，但通過改進的電口特性可以支持到25~28Gbps的高速信號傳輸,是目前數(shù)據(jù)中心服務器做25G接入Zui普遍使用的接口(25G光模塊)

4.3、SFP56/SFP-DD/DSFP/SFP-112

為了支持更高的數(shù)據(jù)速率，SFP28還有速率升級的版本，分別是SFP56、SFP-DD、DSFP、SFP-112等。

隨著400G以太網(wǎng)標準中 PAM-4(4-LevelPulse AmplitudeModulation)技術(shù)的成熟，IEEE也成立了專門的802.3cd工作組，以利用成熟的PAM-4來簡化50G、100G的連接成本。

SFP56的封裝尺寸與SFP28完全一樣,但通過采用PAM-4的信號調(diào)制格式在幾乎不增加信號波特率的情況下提升了1倍的信號有效傳輸速率(NRZ：Non-return-to-zeroCode，不歸零編碼即2電平編碼)。

SFP-DD(Small-form FactorPluggable Double Density) 或 DSFP(Dual Small Form-factorPluggable)是另一種速率升級方式,其高度和寬度與SFP28一樣，但是通過對原來引腳的重新定義額外增加了一組電通道(serdes，TX+/-、RX+/-)以支持50G速率的光模塊。

如果2個電通道都采用PAM-4的調(diào)制方式,更是可以支持到100G速率。除此以外,Zui新的SFP-112的標準也在制定過程中,其速率相對于SFP56又提升了1倍，單通道的電口速率可以提高到112Gbps。

SFP56與SFP-DD/DSFP光模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.4、QSFP+(Quad SmallForm-factor Pluggable)

支持40G接口傳輸?shù)墓饽K。為了在不提高接口波特率的情況下提升端口帶寬，IEEE協(xié)會在10G以太網(wǎng)的后續(xù)接口標準上提出了用4路10G信號傳輸40G信號的40G以太網(wǎng)標準。QSFP+模塊由于增加了更多的高速電口信號(4對差分發(fā)送,4對差分接收),所以電口采用了更寬的38pin連接器,相應模塊的尺寸也增加到72.4mm×18.35mm×8.5mm,比SFP+模塊更寬也更長一些。

QSFP+的電口引腳定義

4.5、QSFP28(Quad SmallForm-factor Pluggable 28)

封裝標準是為了支持100G以太網(wǎng)而發(fā)展起來的，可以認為是QSFP+的速率升級版，也是采用4路電信號通道，但數(shù)據(jù)速率提升到25Gbps或28Gbps,可以支持以太網(wǎng)、FiberChannel、InfiniBand、SAS 等多種協(xié)議標準。

QSFP28光模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.6、CFP(C Form-factorpluggable)

封裝Zui早由CFP MSA協(xié)會發(fā)布，用于支持早期的100G光模塊(“C”在拉丁字母中代表100)。CFP模塊尺寸較大,可以提供和主機間10×10G或者4×25G的電口連接,支持Zui大功耗24W。后來隨著芯片技術(shù)的發(fā)展,又推出了更小封裝尺寸和更高性能的CFP2(12W)、CFP4(6W)和CFP8(24W)標準。CFP8封裝于2017年推出,是為了支持早期的400G光模塊,其可以支持16路25G的NRZ信號以實現(xiàn)400G傳輸,但逐漸被更小的OSFP和封裝替代。

4.7、OSFP(Octal SmallForm-factor Pluggable)

封裝是由OSFPMSA組織推出的400G模塊封裝標準。這種封裝支持8組高速電收發(fā)通道,可以提供到400Gbps(8×50GPAM-4)的連接接口。

OSFP的模塊有4個3.3V的V電源連接腳,在1.0規(guī)范版本中可以支持到15W的功耗，在2.0版本規(guī)范中提高到了21W左右，因此OSFP模塊在支持的功耗和散熱能力上都比較有優(yōu)勢，也為未來800G模塊的應用留下了尺寸和功耗的空間。

4.8、(DoubleSFP,雙密度 QSFP封裝)

封裝是在QSFP28封裝的基礎上增加了雙倍的PCB電連接引腳，因而可以支持8個連接到主機的高速電收發(fā)通道，由于每個通道通過PAM-4調(diào)制可以支持到53~56G的數(shù)據(jù)速率,因此總共可以支持400G的連接速率。

的插槽內(nèi)可以插入100G的QSFP28封裝的模塊,已經(jīng)成為400G光模塊的主流封裝模式,其典型模塊功耗在12W以下。Zui近的升級是800,通過把電通道的數(shù)據(jù)速率提高到112G，可以支持800G的光模塊。 

典型光模塊速率