【光电通信】端到端看懂光模块

今日光电 2023-03-31 18:00

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今日光电

有人说，20世纪是电的世纪，21世纪是光的世纪；知光解电，再小的个体都可以被赋能。欢迎来到今日光电！

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1.导语

光模块作为通信网络的核心传输器件，应用领域、技术、品类、术语非常多，新入行的人容易一头雾水。谈起光模块，我们到底在说什么，本文希望从几个角度把市场关注度高的名词遍历一遍，端到端从客户需求的起点开始，采购器件，选择技术路线，确定封装工艺，到一步步生产出一只光模块，从而对光模块有整体的更清晰的认识。

2.需求输入到光模块设计完成

本文描述了从光模块从客户需求、到选择材料、到设计生产的全过程，包含对光模块行业的众多名词、技术和品类逐个进行分析，也对行业发展的趋势进行了简述。

2.1需求分析

客户需求举例：数据中心 500 米传输距离、100G 传输速率，QSFP28接口，考虑整体系统成本。客户简短的需求，关联了光模块设计生产上每一个细节的选择：

选择 1：封装方式及工艺路线：气密性封装（TO-CAN、BOX、蝶形）、非气密性封装（COB、COC 等）；

选择 2：光芯片类型：VCSEL、DFB、EML、窄线宽可调谐；

选择 3：设计路线：单通道、多通道；

选择 4：调制方式：NRZ、PAM4、相干（QPSK/16QAM/64QAM 等）；

选择 5：未来发展：永不满足的速率、外包光引擎、硅光等；

选项分别与产品性能需求的某些指标直接相关，也与最终的产品可靠性、成本强相关。光模块行业的竞争是多个参数组合优化的过程，追求性能（速率、小型化、传输距离）的同时，会带来很大的功耗、散热压力；为解决散热等问题，又会带来成本压力；控制成本又会带来稳定性可靠性等风险。因此，虽然封装，产品外观和电气接口都是标准化的，但是光模块包含了大量设计和工艺的经验，理解客户需求，权衡性能、功耗、成本、可靠性等指标，是一个光模块公司的核心竞争力。

2.2封装选择

2.2.1气密封装

根据客户的需求，在室外、温湿度变化较大等情况下，由于激光器芯片受水蒸气腐蚀以及温度对波长的影响很大，我们考虑采用气密封装的路线，将激光器芯片密封在充满惰性气体的金属+密封窗的管壳中。

根据具体的传输距离、芯片发热量、成本需求、通道数等，还可以具体选择不同的气密封装方式：

1）TO-CAN 封装：激光器安装于小型热沉（散热片），通过金丝与电气引脚连接。其上再封装金属管帽和用于透出激光的密封窗。TO-CAN 封装体积紧凑成本相对较低，但其缺点是体积过小，难以加装更大的散热器件，大功率大电流长距离场景下不太适合，用在电信市场 10km10G/25G 比较合适，比如基站前传、家庭宽带等领域。

做成 TO-CAN 之后，相当于具备了基本的激光器封装，但是激光器发射的光斑直径和光纤还是不一样，还要进一步和透镜、光纤进行耦合对准，把绝大部分能量聚焦到光纤里，全部封装好后就做成了 TOSA（我们只说了激光器发射这一端，另一端就是换成接收器芯片，就叫 ROSA，统称OSA）。

2）蝶形封装：为了解决大功率需求，可以采用蝶形封装，在更大的热沉（有更高温控需求的还可以选配TEC 温控）上安装激光器，透镜、隔离器等光学器件也安装在金属外壳内。蝶形封装相当于激光器+光路全部封装好，从分类上讲，其实一个蝶形封装器件相当于一个 OSA，是比 TO-CAN 更高一级的器件了。

3）BOX 封装：BOX 封装是蝶形封装的一种特殊形式，主要针对多通道需求。多通道的问题我们后面会展开讲，这里简单带过，在一个封装内，集成多个激光器，然后通过一根光纤对外传输，对温度控制、气密性可靠性等有较高要求的情况下，用这种封装就对了！

2.2.2非气密封装

自从数据中心市场开始大规模使用光模块之后，由于数据中心配置了空调、环境监控等设备，整体的工作环境比在室外风吹日晒的电信市场优化了很多，同时光模块用量又很大，对成本控制提出了更高要求，因此逐步发展出非气密封装。非气密封装的技术持续迭代，可靠性快速提升，能够胜任的场景也在逐渐增加。非气密性封装简单说就是将光芯片直接贴/焊在线路板上，通过环氧树脂等胶水进行简单的密封保护，减少了大量辅助器件，节约成本、提高集成度。如COB封装：COB封装即板上芯片封装，简单理解就是将激光芯片粘附在PCB基板上，包括激光阵列和接收器阵列等集成封装在一个小空间内，以实现小型化。因为减少了一些保护措施以及大量的辅件，成本相对低很多。

25G及以下速率光模块多采用单通道TO或蝶形封装的光收发组件焊接到PCB板上组成光模块。但对于40G及以上速率的高速光模块，受激光器速率限制(多为25G)，主要通过多通道并行实现，如40G由4×10G实现，而100G则由4×25G实现。高速光模块的封装对并行光学设计、高速率电磁干扰、体积缩小、功耗增加下的散热问题提出了更高的要求。COB封装可以将TIA/LA芯片、激光阵列和接收器阵列集成封装在一个小空间内，以实现小型化。

小结：气密封装使用金属+玻璃为脆弱的光芯片构建了严密的保护，能够应对各种使用环境，根据不同的器件设计需求有几种具体封装方式，但整体器件较多、需要成本较高的柔性线路板 FPC（俗称“软板”）将高频信号从气密壳中引出，导致成本相对较高。工作环境相对可控、可靠性能够达到要求的情况下，采用非气密封装能够优化成本。

2.3光芯片选择

根据传输距离、调制方式、成本等综合考虑，有多种芯片可供选择。光芯片的选择上还需要考虑供应链情况，部分热门产品早期起量阶段经常缺货，跳票、交货推迟情况很常见。芯片行业规模效应非常显著，所以很多芯片厂优先保大客户供应，作为小厂只能找替代厂商、替代方案等，拿到芯片的价格也差异很大，需求量大的光模块公司拿到的芯片价格可能比小厂低 20-30%，这也是光模块行业重要的竞争因素。

1.VCSEL

VCSEL 芯片是成本最低的芯片种类，代价是发光的角度较大，一般配合比较粗的多模光纤使用，但是多模光纤价格较高，考虑系统总成本，一般在短距离（几米的 AOC 和 100 米左右的 SR 光模块）场景下应用。

2.DFB

DFB 芯片是在原始的 FP 激光器上加工出光栅，实现更精准的波长选择，输出波长精度较高。DFB 芯片的发光角较小，能够实现更高效的光路耦合，因此在中长距离应用较多（500 米、2km 等），成本相对适中。

3.EML

EML 芯片是成本最高的芯片种类之一，由一颗发射芯片（可以是 DFB/DBR 等）加外吸收调制器构成。在工作时，激光器芯片始终处于发光状态，通过控制吸收芯片的开关（简单理解就是透明、不透明），控制 EML 激光器的信号输出。

这里我们要再说明一下光信号传输中发生了什么。

1）不同波长的光在光纤中的传输速度是不同的；

2）激光器芯片加电压开始发光时，在飞秒级别的微观时间维度内，发射的波长有一定的变化（啁啾 zhoujiu）。

基于这两个现象，DFB 芯片收到一个电信号后发出一个激光信号（其中包含一定范围的波长成分），经过光纤长距离传输时会发生色散，也就是不同波长的信号到达接收端的时间差较大，可能形成信号的干扰。如下图所示，DFB 激光器发射端两个脉冲信号，由于不同波长在光纤中传输速度不同，到达接收端的时间有先后，严重的情况下，两个脉冲信号混在一起（码间干扰），导致无法通信。

使用 EML 激光器的优势在于，激光器芯片处于稳定工作状态，发射的波长更加“纯净”，通过外调制器进行调制后，长距离传输后得到的信号质量依然很高。因此 EML 适合长距离（10km、20km、40km 甚至更高）传输应用。但由于增加了外吸收调制器，且面向长距离场景芯片整体质量要求也更高，因此同速率的 EML 芯片成本比 DFB 芯片高 50%甚至高几倍。

另一方面，外吸收调制器的响应速度比DFB 直接调制更高，在某些调制技术领域（如 PAM4，后面会进一步展开），更加适合使用。

4.可调谐窄线宽（简称“可调激光器”）

前文提到长距离传输存在色散问题，EML 能够解决啁啾带来的问题，但是激光器固有的发射波长范围（即“线宽”）依旧存在，在超长距离 ODN（80km、100km 甚至更长）等应用中色散问题依然突出。另一方面，超长距离传输干线需要考虑整体系统成本，从北京到上海铺设大量光纤需要很多成本，因此引入 DWDM（密集波分复用）技术，在一根光纤中传输不同波长的信号，大幅增加单根光纤的传输能力，降低长途干线整体系统成本。这两方面需求，需要通过可调谐窄线宽激光器来满足。

可调谐窄线宽激光器结构较复杂，方案也比较多，有电流控制、温度控制、机械控制等等，以外腔机械控制方案为例，在普通激光器外增加光栅结构，通过机械控制调整输出波长，实现更加精确的波长控制。

可调谐激光器过去应用的领域相对较少，但随着 5G 前传可能引入波分技术，部分厂商也在尝试使用可调谐激光器的可能性，未来需求情况可能有较大的变化。为此，易飞扬提供的Tunable SFP+/XFP 10G DWDM 80 km Optical Transceiver Module 可满足目前的5G 前传波分应用，如下是模块的原理框图。

小结：低成本短距离选用 VCSEL 芯片，中距离选择 DFB 芯片，中长距离以及特殊调制需求下选择 EML 芯片，超长距离以及某些特殊应用选择可调谐窄线宽激光器。

2.4设计线路的选择

我们根据使用环境选择封装形式、根据传输距离和其他性能要求选择了激光器种类，接下来就要根据传输速率，选择通道数和调制方式了。一开头我们讲到了光模块几个不能兼得的关键指标，体现在设计上就有多种组合，芯片等级（性能和成本）、通道数（小型化、散热、封装难度）、调制方式（电芯片成本、可靠性、设计难度），要在这些环节综合取舍最后确定光模块的设计方案。

1.单通道：最简单的设计方式，一个光模块里面装一个激光器一个接收器，一收一发，加上其他一些光学组件、PCB 板上有各种电芯片，就组成了一个单通道的光模块。

常见的比如 1 个 10G 芯片用 NRZ 调制做成 10G 光模块、1 个 10G 芯片用超频调制做成 25G 前传光模块、1 个 50G 芯片用PAM4 调制做成 100G DR1 数据中心光模块，都是这样单通道的设计路线。

2.多通道：由于激光器芯片升级的难度很大，现在成熟的最高就是单波 50G 速率的，但是客户对带宽需求的渴望增长很快，400G 甚至 800G 都提上了日程，我们就想出了用多个激光器和多个接收器拼在一起做成更高传输速率的光模块，也就是多通道设计方案。

多通道方案又面临一个问题，怎么跟光纤连接来传输呢？

1）多纤方案：最简单的就是每个激光器连一根光纤直接对外传输。这样做好处是光模块内部结构简单，器件相对较少，成本较低。问题是传输需要 4 根光纤，如果距离比较长，1km 光纤也要好几十块钱的成本， 4 根光纤就上百的成本，用量大的话还是有不小的成本压力。所以多纤方案大多用在中短距离场景。比如易飞扬提供的400G QSFP-DD PLR4、几米到几十米短距离的 AOC/SR8 等。

2）单纤方案：如果传输距离较长，就要考虑减少光纤用量，我们可以提供单纤方案给客户选择。单纤方案利用波分复用 CWDM 原理，通过 4 个不同波长的激光器，用合波器件（MUX）合并到一根光纤进行传输，再用分波器件（DeMUX）分离出 4 个不同的波长分别检测。

这里又有两种技术路线，第一种是用 TFF 滤波片的方式，比如易飞扬提供的 100G CWDM4 方案，四个不同波长的激光器前安装对应波长的滤波片；另一种技术路线使用 AWG 的方式，比如易飞扬提供的四颗不同波长的激光器，通过 AWG 芯片合分波，之后耦合到一根光纤进行输出的 100G CWDM4 方案。

这两种细分方案各有特点，AWG 器件对温度比较敏感，需要较高的温控能力，附带的成本相对较高（同等良率和出货量情况下），但生产设计环节相对简单。TFF 方案对温度敏感性没那么高，但是器件设计和生产制造难度较大，需要较高的设计、镀膜、耦合对准等技术能力。

2.5 调制方式的选择

调制方式的选择和前文设计路线是相辅相成的，我们这里就直接针对主要的调制方式进行一个比较，以及实现这些调制方式需要增加的额外电芯片进行一个比较。

1.NRZ 调制：传统光模块调制以 NRZ（not return to zero）为主，激光器高/低功率分别对应二进制的 1 和 0 信号。NRZ 原理很容易理解，举一个例子，假设要发送一段二进制信号：100111，则激光器实际发射的光功率如下图，功率超过上面虚线则判定为 1，低于下面的虚线则判定为 0。NRZ 模式下光模块中只需要基础的驱动芯片（driver）、放大器（TIA、LA）、时钟修复（CDR）及主控芯片（MCU 或 ASIC）等简单的电芯片即可。

2.PAM4 调制：为实现更高速率，由于光芯片直接升级难度和成本较高，因此引入 PAM4 调制技术。PAM4 光信号功率的判决分为 4 个阈值，低于最低阈值判定为 00、最低到中间阈值之间判定为 01、中间到高阈值之间判定为 10，超过高阈值判定为 11。通过更密集的功率判定设计，使得相同的时间内能够传输 2 倍的数据量。还是刚才的例子，要发送数字信号：100111，激光器发射的光功率变成下图的样子。

这里就要强调一下大家经常混淆的两个概念，我们说激光器芯片的速率一般指波特率，也就是真实的一秒钟能发送多少个完整脉冲（比如 25G EML 芯片，一秒钟发送 25*10^9 个脉冲，实际更多一些，还有链路开销等这里就忽略了）；但是通过高阶调制技术一个脉冲可能代表几位二进制数据，则实际传输的数据量称作比特率（比如 1 个 25G EML 芯片 PAM4 调制之后做成了单通道 50G 的光模块，那我们直接说50G PAM4 光模块，意思就是比特率是 50G，波特率是 25G）。

由于 PAM4 调制需要对功率精确的控制，判定阈值也更窄，对光纤色散导致的信号干扰要求更严格，因此大部分需要使用 EML 激光器。同时，在 NRZ 电芯片的基础上，还增加信号处理的 DSP 芯片（将数字信号两个一组，转换成模拟信号）。

3.超频方案：为降低成本，开发出了超频技术，用设计速率（还记得波特率吗？）较低的芯片，传输较高速率（还记得比特率吗？）的信号，比如 5G 前传中用 10G 波特率光芯片，“强行”加给他一个 25G 速率的信号。激光器发光不是一上电压就满负荷运转的，中间有一个爬坡的过程，我们说 10G 速率的芯片，指的是 1 秒钟能够发射完完整整的 10*10^9 个脉冲。但是超频的思路很简单，还是这个 10G 芯片，我就非要给你通一个 25G 的信号让你 1 秒钟发射 25*10^9 个脉冲，那连续的一个“1”一个“0”信号过来，激光器功率爬坡还没来得及爬到顶点就又开始下坡，最终表现就是超频的信号质量劣化，识别阈值降低。

目前 25G 光模块有主要两种光芯片组成方式：25G 光芯片和 10G 光芯片超频。相较于 10G 光芯片超频，25G 光芯片具有可靠性好和稳定性高的特点，但其量产工艺要求高，供货渠道主要是海外（易飞扬坚持使用25G 光芯片，虽然在前期使用上差别不大，但后期可靠性方面表现突出）。