初识光模块之光模块的分类

原创高速先生 2024-12-09 11:49 1074浏览 0评论 0点赞

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公众号 | 高速先生

作者 | 周伟

说到光模块，很多用过光模块的人肯定很清楚光模块有很多种，但还有很多人只是见过或者知道有光模块，但光模块具体怎么分类的，我相信很多人都和我们一开始接触光模块一样都是一知半解，甚至云里雾里的只知道都是光模块，但具体有什么不一样就有点摸不着头脑了。闲话少说，接下来我们就来给大家介绍一下我们今天的主人公吧。

光模块(optical module)由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。简单的说，光模块的作用就是发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。常见的传输方式如下图所示：

从结构组成上看，绝大多数基础性光模块均采用了收发一体形式，其内部主要由光发射组件TOSA(Transmitting Optical Sub-Assembly)、光接收组件ROSA(Receiving Optical Sub-Assembly）、发射驱动电路(激光器芯片)、接收信号处理电路（探测器芯片）构成，另外还有一种将发射组件与接收组件合二为一的BOSA(Bi-Directional Optical Sub-Assembly)组件，形成的单纤双向光模块，BOSA可以看作是TOSA与ROSA的集成体，同时具有光发射与接收的功能。简单的光模块内部构成大致如下图所示：

在发射端，驱动芯片对原始电信号进行处理，然后驱动半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)发射出调制光信号。在接收端，光信号进来之后，由光探测器芯片转换为电信号，经前置放大器后输出电信号。

为什么说光模块很难弄明白呢，主要是它的种类太多，同时可以按照不同的角度去进行分类，通俗来说就是本来同一个东西但有很多种不同的叫法，更BT的是有时同样的叫法可以有很多种不同的东西，所以就经常会被人搞混，云里雾里的。常用的可以按照单口最大传输速率（单口带宽）、接口封装类型、波长、传输模式、传输距离和调制格式等去进行分类，下面我们分别介绍几种常见的分类方式。

按照单口最大传输速率（单口最大传输带宽更合适些）来分：

1、按单口最大传输速率分类：

按照单口最大的传输带宽，也就是一个光口总的传输速率可以分为：3.2Tbps(3.2TE)光模块、1.6Tbps(1.6TE)光模块、800Gbps（800GE）光模块、400Gbps(400GE)光模块、200Gbps(200GE)光模块、100Gbps(100GE)光模块、40Gbps(40GE)光模块、25Gbps(25GE)光模块、10Gbps(10GE)光模块、1.25Gbps(1GE)光模块、FE光模块等。我们说的1.6T光模块，其实指的是这个光模块单口最大的传输速率是1.6Tbps。

2、按单对最大传输速率分类（这种分类一般用的少，主要是设计和仿真人员会关注）

按照光器件所能承载的单对无误码传输的最大电信号速率来进行分类，也就是我们设计和仿真时关心的单对差分信号的传输速率，可以分为：125Mbps、1.25Gbps、10.3125Gbps、25/28Gbps、50/56Gbps、100/112Gbps和200G/224Gbps等光模块。单对差分速率乘以发送或接收对数就决定了上面单口最大的速率，同时也决定了这个光模块每秒可以传输多少数据。如上面的1.6TE光模块一般就是由200G/224Gbps的单对差分速率乘以8对得到的，也就是说我们现在做的1.6TE光模块它的单对差分信号速率最高到了200/224Gbps，这么高速的传输速率在PCB板上传输，对PCB的设计和制板工艺考验巨大，这种情况下就需要在设计过程中通过精确的仿真来确保通道的性能，同时还需要有靠谱的加工才能保证最终产品的落地，哪一个环节都不能出现太大的偏差。

3、按接口封装类型分类（最常见的）

传输速率越高，结构越复杂，由此产生了不同的接口封装类型。常见的光模块封装类型有：SFP（1GE）光模块、SFP+（10GE）光模块、SFP28（25GE）光模块、QSFP+（40GE）光模块、CFP（40GE-100GE）光模块、CFP2 /CFP4（100GE-400GE）光模块、QSFP28（100GE）光模块、QSFP-DD（400GE-800GE）光模块、OSFP(800GE)光模块、OSFP-XD/OSFP224(1.6TE)光模块等。还有早期速率比较低的GBIC，就是Giga Bit-rate Interface Converter(千兆接口转换器)光模块在2000年之前，GBIC是最流行的光模块封装，也是应用最广泛的千兆模块形态。下面可以看看每种具体光模块的介绍。

SFP，全称Small Form Pluggable，即小型可热插拔光模块。它的小，就是相对GBIC封装来说的。SFP的体积比GBIC模块减少了一半，可以在相同的面板上配置多出一倍以上的端口数量。在功能上，两者差别不大，都支持热插拔。SFP支持最大带宽是4Gbps。

XFP，是10-Gigabit Small Form-factor Pluggable的简称，又叫万兆SFP。XFP采用一条XFI(10Gb串行接口)连接的全速单通道串行模块。

SFP+，它和XFP一样是10G的光模块。SFP+的尺寸和SFP一致，比XFP更紧凑(缩小了30%左右)，功耗也更低(减少了一些信号控制功能)。此外，为了增加容量和空间，还会把多个SFP+口做成一个器件，衍生出了zSFP+等。

QSFP，Quad Small Form-factor Pluggable的简称，也即四通道SFP接口，很多XFP中成熟的关键技术都应用到了该设计中。根据速度可将QSFP分为4x10GQSFP+、4x25GQSFP28、8x25GQSFP28-DD光模块等。以QSFP28为例，它适用于4x25GE接入端口。使用QSFP28可以不经过40G直接从25G升级到100G，大幅简化布线难度以及降低成本。和SFP+一样，为了容量和空间考虑，会把多个QSFP接口上下左右堆成多个接口作为一个整体，这样就衍生出了QSFP+、zQSFP+和microQSFP等接口，如下图所示：

QSFP-DD，DD指的是“Double Density(双倍密度)”。将QSFP的4通道增加了一排通道，变为了8通道。它可以与CDFP方案兼容，原先的QSFP28模块仍可以使用，只需再插入一个模块即可。QSFP-DD的电口金手指数量是QSFP28的2倍。QSFP-DD每路采用25Gbps NRZ或者50Gbps PAM4信号格式。采用PAM4，最高可以支持400Gbps速率。

OSFP，Octal Small Form Factor Pluggable的简称，“O”代表“八进制”，它被设计为使用8个电气通道来实现400GbE(8*56GbE，但56GbE的信号由25G的DML激光器在PAM4的调制下形成)，尺寸略大于QSFP-DD，更高瓦数的光学引擎和收发器，散热性能稍好。

CFP，Centum gigabits Form Pluggable的简称，也叫密集波分光通信模块。传输速率可达100-400Gbps。CFP是在SFP接口基础上设计的，尺寸更大，支持100Gbps数据传输。CFP可以支持单个100G信号，一个或多个40G信号。

CFP、CFP2、CFP4、CFP8的区别在于体积。CFP2的体积是CFP的二分之一，CFP4是CFP的四分之一。CFP8是专门针对400G提出的封装形式，其尺寸与CFP2相当。支持25Gbps和50Gbps的通道速率，通过16x25G或8x50G电接口实现400Gbps模块速率。