跟PCB工程師聊聊光模塊之光（guāng）模塊的分類

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跟PCB工（gōng）程師聊聊（liáo）光模塊之光模塊的分類

發布時間：2024-12-09 14:44:04

最近我們（men）連續做了幾款1.6T的光模塊設計和仿真，很多人表示不太理解1.6T到底代表什麽，單對（duì）差分速率最高是多少，用的什麽接口等，本（běn）期（qī）開始咱們也給寶子們普及一下光模塊的一些基礎知識吧。

高速先（xiān）生成員--周偉

說到光模塊，很多用過光模塊的人（rén）肯定很（hěn）清楚光模塊有很多種，但還有很（hěn）多人（rén）隻是見過或者知道有光模塊，但光模塊具（jù）體怎麽分類的，我相信很多人都和（hé）我們一（yī）開始接觸光模塊（kuài）一樣都是一知半解（jiě），甚至雲裏霧（wù）裏的隻知道都是光模塊，但具體有（yǒu）什麽不一（yī）樣就有點摸不著頭腦了。閑話少說，接下（xià）來我們就來給大家（jiā）介紹一（yī）下我們今天的主人公吧（ba）。

光模（mó）塊(optical module)由光電（diàn）子器件、功能電路和光接（jiē）口等組成，光電子器件包括發射和接收兩部分。簡單的說，光模塊的作用就（jiù）是（shì）發送端把電（diàn）信號轉換成光信號，通過光纖傳送後，接（jiē）收端再把光（guāng）信號轉換成（chéng）電信號。常（cháng）見的傳輸方式如下圖（tú）所示。

從結構組成上看，絕大多數（shù）基礎性光模塊（kuài）均采用了收發一體形式，其內部主要由光發射組件TOSA(Transmitting Optical Sub-Assembly)、光接收（shōu）組件ROSA(Receiving Optical Sub-Assembly）、發（fā）射驅動電路(激光器芯（xīn）片)、接收信號（hào）處理電路（探測器芯片）構成，另外還有一（yī）種將發射組件與接收（shōu）組件（jiàn）合二為一的BOSA(Bi-Directional Optical Sub-Assembly)組件，形成的單纖雙向光模塊，BOSA可以看作是TOSA與ROSA的集成體，同時具有光發射與接收的功能。簡單的光模（mó）塊（kuài）內部構成大致如下圖所示（shì）。

在發射端，驅動芯片（piàn）對原始電信號進行處理，然後驅（qū）動半導體激光器(LD)或發光二極（jí）管(LED)發射出調製光信號。在接收端，光信（xìn）號進來之後，由光探測（cè）器芯片轉換為電信（xìn）號，經前置放大器後輸出電信號。

為什麽說光模塊（kuài）很難弄明白呢，主要是（shì）它的種類太多，同時可以按照不（bú）同的角度（dù）去進行分類，通俗來說就是本來同（tóng）一個東西但有很（hěn）多種不同的叫（jiào）法，更BT的（de）是有時同樣（yàng）的叫（jiào）法可以有很多（duō）種不同的東西，所以就經常會被人（rén）搞混，雲裏霧裏的。常用的可以按照單口（kǒu）最大傳輸速率（單口帶寬）、接口封裝類型、波（bō）長、傳輸模式、傳輸距離和調製格式等去進行分類，下麵我（wǒ）們分（fèn）別介紹幾種常見的分類方（fāng）式。

按照單口最（zuì）大傳輸（shū）速率（單口最大傳輸帶寬更合適些）來分：

1、按單口最大傳輸速率分類:

按（àn）照單口最大（dà）的傳輸帶寬，也就是一（yī）個光口總的傳輸速率可以分為：3.2Tbps(3.2TE)光模塊、1.6Tbps(1.6TE)光模塊、800Gbps（800GE）光模塊、400Gbps(400GE)光模塊、200Gbps(200GE)光模塊、100Gbps(100GE)光模塊、40Gbps(40GE)光模（mó）塊、25Gbps(25GE)光模塊、10Gbps(10GE)光模塊（kuài）、1.25Gbps(1GE)光模塊、FE光模塊等。我（wǒ）們說的1.6T光模（mó）塊，其實指的是這個光模塊單（dān）口（kǒu）最大的傳輸速率是1.6Tbps。

2、按單（dān）對（duì）最大傳輸速率分類（這種分類一般用的少，主要是設計和仿真人員會（huì）關注）

按照光器件（jiàn）所能承載的單對無（wú）誤碼傳輸的最大電信號速率來進行分類，也就是我們設計和仿真時關心的單對差分信號的傳輸速（sù）率，可以分為：125Mbps、1.25Gbps、10.3125Gbps、25/28Gbps、50/56Gbps、100/112Gbps和200G/224Gbps等（děng）光（guāng）模塊。單對（duì）差分速（sù）率乘（chéng）以發送（sòng）或接收對數就決定了上（shàng）麵單口最大（dà）的速（sù）率，同時也決定了這個光模塊每秒可以傳（chuán）輸多少數（shù）據。如上麵的1.6TE光模塊一（yī）般就是由200G/224Gbps的單對差分速（sù）率乘以8對得到的，也就是（shì）說我們（men）現（xiàn）在做（zuò）的（de）1.6TE光模塊它的單對差分信號速率最高到（dào）了200/224Gbps，這麽高速的傳輸速率在PCB板上傳輸，對PCB的設計和製板工（gōng）藝考驗巨大，這種情況下就需要在設計過程（chéng）中通過（guò）精確（què）的仿真來確保（bǎo）通道的性能，同（tóng）時還需要有靠譜的加工才能保（bǎo）證最終產品的落地，哪一個環節都不能出現太大的偏差。

3、按接口封裝類型分類（最常見的）

傳（chuán）輸速率越（yuè）高，結構越複雜，由此產生（shēng）了不同的接口封裝類型（xíng）。常見的（de）光模（mó）塊（kuài）封裝類型有（yǒu）：SFP（1GE）光模塊、SFP+（10GE）光（guāng）模塊、SFP28（25GE）光模塊、QSFP+（40GE）光模塊、CFP（40GE-100GE）光模塊、CFP2 /CFP4（100GE-400GE）光模塊、QSFP28（100GE）光模塊、QSFP-DD（400GE-800GE）光模塊、OSFP(800GE)光模塊、OSFP-XD/OSFP224(1.6TE)光模塊等。還有早期速率（lǜ）比較低的GBIC，就是Giga Bit-rate Interface Converter(千兆接口轉換器)光模塊在2000年之前，GBIC是最流（liú）行的光（guāng）模塊封裝，也是應用最廣泛的千（qiān）兆模塊形態。下麵（miàn）可以看看（kàn）每種具體（tǐ）光模塊的（de）介紹。

SFP，全稱Small Form Pluggable，即小型可熱插拔光模塊。它的小，就是相對GBIC封裝來說（shuō）的（de）。SFP的體積比GBIC模塊減少了一半，可以在相同的麵板上配置（zhì）多出一倍以（yǐ）上的端口數量。在功能上，兩（liǎng）者差別不大，都支持熱插拔。SFP支持最（zuì）大帶寬（kuān）是4Gbps。

XFP，是10-Gigabit Small Form-factor Pluggable的簡稱，又叫萬兆SFP。XFP采用一條XFI(10Gb串行接口)連接的（de）全速單通道串行（háng）模塊。

SFP+，它和XFP一樣是10G的光模（mó）塊。SFP+的（de）尺寸和SFP一致（zhì），比XFP更緊湊(縮小了（le）30%左右)，功耗也更低(減少了一（yī）些信號控製功能)。此外（wài），為了增（zēng）加容量和空間，還會把多個SFP+口做成一個器件，延生（shēng）出了zSFP+等。

QSFP，Quad Small Form-factor Pluggable的簡稱，也即四通道SFP接口，很多XFP中成熟的關鍵技術（shù）都應用到了該設計（jì）中。根據速度可將QSFP分為4x10GQSFP+、4x25GQSFP28、8x25GQSFP28-DD光模塊等。以QSFP28為例，它適用於4x25GE接入端口。使用QSFP28可以不經過40G直（zhí）接從25G升（shēng）級到100G，大幅簡化布（bù）線難度以及（jí）降低成本。和SFP+一（yī）樣，為了容量和空間考慮，會把多個（gè）QSFP接口上下左右堆成多個（gè）接口（kǒu）作為一個整體，這樣就衍生出了QSFP+、zQSFP+和microQSFP等接口，如（rú）下圖所示。

QSFP-DD，DD指的（de）是“Double Density(雙倍密度)”。將QSFP的4通道增加了一排通道，變（biàn）為了8通道。它可以與CDFP方案兼容（róng），原先的QSFP28模塊仍可以使用，隻需再插（chā）入一個模塊即可。QSFP-DD的電口金手指數量是QSFP28的2倍。QSFP-DD每路采用25Gbps NRZ或者50Gbps PAM4信號格式。采（cǎi）用PAM4，最高可以支持400Gbps速率。

OSFP，Octal Small Form Factor Pluggable的簡稱，“O”代表“八進製（zhì）”，它被設計為使用8個電氣通道來實現400GbE(8*56GbE，但56GbE的信號由25G的DML激光器在PAM4的調製下形成（chéng）)，尺寸略（luè）大（dà）於QSFP-DD，更高瓦數的光學引擎和收發器，散熱性（xìng）能稍好。

CFP，Centum gigabits Form Pluggable的簡稱（chēng），也（yě）叫密集波分光通信模塊。傳輸速率可（kě）達100-400Gbps。CFP是在SFP接口基礎上設計的，尺寸更大，支持100Gbps數據傳輸。CFP可（kě）以支持（chí）單個（gè）100G信號，一個或多個40G信號。

CFP、CFP2、CFP4、CFP8的區別在於體積。CFP2的體積是CFP的二分之一，CFP4是CFP的四分之一（yī）。CFP8是（shì）專門針對400G提出的（de）封裝（zhuāng）形式，其尺（chǐ）寸（cùn）與CFP2相當。支持25Gbps和50Gbps的通道速（sù）率，通過16x25G或8x50G電接口實現400Gbps模塊速率。