光模塊普及

1. 基礎介紹

光模塊（Optical Modules）是光纖通信系統中的核心器件，它工作在OSI模型的物理層，主要實現光電轉換和電光轉換功能。光模塊主要由光電子器件（光發射器、光接收器）、功能電路和光接口等部分組成。光發射器負責將電信號轉換為光信號，而光接收器則負責將光信號轉換回電信號，從而實現光纖通信。

2. 工作原理

光模塊的工作原理可以分為三個主要過程：

1. 電信號到光信號的轉換：在發送端，輸入的電信號經過驅動芯片處理后，驅動半導體激光器（LD）或發光二極管（LED）發射出相應速率的調制光信號。
2. 光信號傳輸：調制后的光信號通過光纖進行傳輸。
3. 光信號到電信號的轉換：在接收端，光探測二極管將接收到的光信號轉換成電信號，并經過前置放大器后輸出相應碼率的電信號。

3. 性能指標

光模塊的性能指標是衡量其質量和適用性的重要標準，主要包括以下幾個方面：

• 平均發射光功率：指光模塊在正常工作條件下發射端光源輸出的光功率，單位為dBm。發射光功率越大，光信號的傳輸距離通常越遠。
• 消光比：指全調制條件下激光器在發射全“1”碼時的平均光功率與全“0”碼時發射的平均光功率比值的最小值，單位為dB。消光比反映了光信號“1”電平和“0”電平的相對幅度，是衡量光模塊質量的重要參數。
• 中心波長：光信號的中心波長，決定了光信號在光纖中的傳輸特性。常見的中心波長有850nm、1310nm和1550nm。
• 過載光功率：又稱飽和光功率，指在一定的誤碼率條件下，接收端組件所能接收的最大輸入平均光功率。超過這個功率可能會對設備造成損害。
• 接收靈敏度：指在一定的誤碼率條件下，接收端組件所能接收的最小平均輸入光功率。接收靈敏度越高，光模塊對弱信號的探測能力越強。
• 接收光功率：指接收端組件在一定誤碼率條件下能接收的平均光功率范圍，其上限值為過載光功率，下限值為接收靈敏度的最大值。
• 接口速率：光器件所能承載的無誤碼傳輸的最大電信號速率，如125Mbit/s、1.25Gbit/s、10.3125Gbit/s等。

4. 優點

光模塊在光纖通信中具有顯著的優點：

• 高速傳輸：光模塊可以實現高速的數據傳輸，速率可達數十Gbps或更高。
• 長距離傳輸：光模塊支持長距離的數據傳輸，可以覆蓋數公里或更遠的距離。
• 抗干擾性強：光模塊能夠抵御電磁干擾和噪聲干擾，確保通信的穩定性。
• 大容量：光纖通信具有大容量的特點，能夠滿足日益增長的數據傳輸需求。
• 損耗低：光纖的損耗相對較低，有利于信號的遠距離傳輸。
• 保密性強：光纖通信不易被竊聽，具有較高的保密性。

5. 缺點

盡管光模塊具有諸多優點，但也存在一些缺點：

• 易折斷：光纖相對脆弱，容易折斷。
• 連接困難：光纖的連接需要專業的設備和技能，相對復雜。
• 怕彎曲：光纖的彎曲半徑有一定限制，過度彎曲會導致信號衰減或斷裂。
• 光功率限制：雖然理論上光功率越大傳輸距離越遠，但實際上過大的光功率會對激光器的壽命產生不良影響。

6. 發展歷史

光模塊的發展經歷了多個階段：

• 早期階段：光模塊最早產生于1999年，1X9封裝的光模塊產品通常直接固化在通訊設備的電路板上使用。
• 小型化、可插拔方向**：隨后，GBIC和SFP光模塊開始出現，光模塊向小型化、可插拔方向發展。
• 10G模塊的發展**：自2001年起，10G模塊經歷了從XENPAK、X2至XFP的發展，最終實現了僅以SFP尺寸傳輸10G信號的SFP+技術，并逐漸成為10G市場主流。
• 高密度、高速率方向**：近年來，為滿足市場對更高密度的高速可插拔解決方案的需求，QSFP、QSFP+、CFP等光模塊應運而生。QSFP+光模塊具備四個10G通道，傳輸速率可達40Gbps。隨著40G技術的廣泛運用，光模塊速率繼續提升，基于100G技術的CFP/CFP2/CFP4模塊深入發展。QSFP-DD有望成為400G光模塊主流封裝形式。

7. 應用場景

光模塊廣泛應用于各種網絡系統中，主要包括以下幾個方面：

• 數據中心：數據中心的主機房內放置大量網絡交換機、服務器群等，它們之間的連接需要使用光模塊來實現數據的互通。隨著市場對數據傳輸需求的日益增長，不同類型的光模塊（如直連銅纜、有源光纜、光纖跳線等）被廣泛應用于數據中心。
• 移動通信基站：運營商的移動通信基站同樣需要光模塊來實現設備間的互連。在4G網絡中，用于BBU和RRU連接的設備主要是1.25G、2.5G、6G、10G光模塊。
• 無源波分系統：無源波分系統主要用在城域網、骨干網、廣域網中，常用到的是CWDM光模塊和DWDM光模塊。它們通過波分復用技術節約光纖資源，提高傳輸效率。
• SAN/NAS存儲網絡：SAN網絡主要由服務器、光纖通道交換機、存儲設備以及傳輸載體（光模塊、光纖跳線）組成；NAS存儲網絡主要由NAS存儲器、交換機、終端設備（電腦）以及傳輸載體（光模塊、光纖跳線）組成。這兩種存儲網絡都需要光模塊來支持數據的存儲和傳輸。
• 5G承載網：5G承載網絡分為城域接入層、城域匯聚層、城域核心層/省內干線，各層設備之間主要依賴光模塊實現互連。5G前傳網絡主要用到25G SFP28光模塊，5G中回傳則主要用到25G、50G、100G、200G、400G光模塊。

8. 選購技巧

在選購光模塊時，需要考慮以下幾個方面：

• 傳輸距離：根據實際需求選擇合適的傳輸距離。多模光模塊的傳輸距離通常比單模光模塊短，但價格更便宜。建議選用傳輸距離稍超過實際需求的光模塊，以應對可能的衰減和色散問題。
• 傳輸模式：光模塊有單工、半雙工和全雙工三種傳輸模式。全雙工模式允許兩個方向上的數據同時傳輸，效率最高，是優選。
• 傳輸介質：根據應用場景選擇合適的傳輸介質。光口光模塊常用于10G、40G以太網傳輸，傳輸距離遠；電口光模塊則用于百兆和千兆以太網傳輸，價格相對較低。
• 耐熱性：光模塊的工作環境溫度不宜過高，否則可能導致鏈路故障。應選用耐熱性較好的光模塊，以確保系統的穩定運行。
• 品牌與質量：選擇知名品牌、質量可靠的光模塊產品，以確保通信的穩定性和可靠性。
• 技術支持與售后服務：了解供應商的技術支持和售后服務情況，以便在使用過程中遇到問題時能夠及時得到解決。

9. 擴展知識

光模塊的種類繁多，可以根據不同的分類標準進行分類：

• 按傳輸速率分類：如400GE光模塊、100GE光模塊、40GE光模塊、25GE光模塊、10GE光模塊、GE光模塊、FE光模塊等。
• 按封裝類型分類：如QSFP-DD、QSFP28、QSFP+、SFP28、SFP/eSFP、SFP+、CXP、CFP等。
• 按模式分類：分為單模光模塊和多模光模塊。單模光模塊適用于長距離傳輸，中心波長一般為1310nm或1550nm；多模光模塊適用于短距離傳輸，中心波長為850nm。
• 按波長分類：如850nm、1310nm、1550nm的光模塊等。
• 按顏色分類：分為彩光光模塊和灰光光模塊。彩光光模塊承載了若干不同中心波長的光，因此稱為“彩光”；灰光光模塊的中心波長比較單一。

此外，光模塊在命名上也有一定的規則，通過命名可以了解光模塊的基本信息，如傳輸速率、封裝類型、中心波長等。

10. 結論

光模塊作為光纖通信系統中的核心器件，具有高速傳輸、長距離傳輸、抗干擾性強等優點，廣泛應用于數據中心、移動通信基站、無源波分系統、SAN/NAS存儲網絡以及5G承載網等領域。在選購光模塊時，需要考慮傳輸距離、傳輸模式、傳輸介質、耐熱性等因素，以確保選購到合適的產品。隨著技術的不斷發展，光模塊的性能將不斷提升，應用場景也將更加廣泛。