跟PCB工程師聊聊光（guāng）模（mó）塊之光模塊的分（fèn）類

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跟PCB工程師（shī）聊聊光模塊之光模塊的分類

發布時（shí）間（jiān）：2024-12-09 14:44:04

最近我們連續做了幾款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（shí）麽，單對差分速率最高是多少（shǎo），用的什麽接口等，本期開始咱們也給寶子們普（pǔ）及一下光模塊（kuài）的一些基礎知識（shí）吧。

高速先生成員--周偉

說到光模塊，很多用過（guò）光模塊的（de）人肯定很清楚光模塊有（yǒu）很多種（zhǒng），但還有很多人隻是（shì）見過或者知道有光模塊，但光模（mó）塊具體（tǐ）怎（zěn）麽分類（lèi）的，我相（xiàng）信很多人都和（hé）我們一開始接觸光模塊一樣都是一知半解（jiě），甚至雲裏霧裏的隻知道都是光模塊，但具（jù）體有什麽不（bú）一樣就有點（diǎn）摸不著頭腦了。閑（xián）話（huà）少說，接下來我（wǒ）們就來給大家介紹一下（xià）我（wǒ）們今天（tiān）的主人公（gōng）吧。

光模塊（kuài）(optical module)由（yóu）光電子器件、功能電路和光接口等組成，光電子器件包（bāo）括發射和接收兩部分（fèn）。簡單的說，光模塊的作用就是發送端把電信號轉換成光信號（hào），通過光纖傳送（sòng）後，接收（shōu）端再把光信號轉換成電信號。常見的傳輸方式如下圖所示。

從結構組成（chéng）上看，絕大多數基礎性光模塊均采用了收發一體（tǐ）形式，其內部主要由光發射組件TOSA(Transmitting Optical Sub-Assembly)、光接收組件ROSA(Receiving Optical Sub-Assembly）、發射驅動電路(激光器芯片)、接收信號處理電路（探測器芯片）構成（chéng），另外還有一種將（jiāng）發射組件與接收組件合二為一的BOSA(Bi-Directional Optical Sub-Assembly)組件（jiàn），形成的單纖雙向光（guāng）模塊，BOSA可以（yǐ）看作是TOSA與ROSA的集成體（tǐ），同時具有光（guāng）發射與接收的功能。簡單的光模塊內部構成大致如下圖所示。

在發射端，驅動芯片對原始電信號進（jìn）行處（chù）理，然（rán）後驅動半（bàn）導體激光器(LD)或發光二極管(LED)發（fā）射出調製光信號。在接收端（duān），光信號進來之後，由光探（tàn）測器芯片轉換為電信號，經前置放大器後（hòu）輸出電信號。

為什麽說光模塊很難弄明白呢，主要是它的種類太多，同時可以按照不（bú）同的角度（dù）去進行分類，通俗來說就是（shì）本（běn）來同一個東西但有很多種（zhǒng）不同的叫法，更BT的是有時同樣的叫（jiào）法（fǎ）可以有很多種不同的東西，所以就經常會被人搞混，雲裏霧裏的。常用的可以按照單口最大傳（chuán）輸速率（lǜ）（單口帶（dài）寬）、接口封裝類型、波長、傳輸模式（shì）、傳輸距離和調製格式等去（qù）進行分類，下麵我們分別介紹（shào）幾種常見的分（fèn）類方（fāng）式。

按照單口最（zuì）大傳輸速率（單口最大傳輸帶寬更合適些）來分：

1、按單口最（zuì）大傳輸速率分類:

按照單（dān）口（kǒu）最大的傳輸帶寬，也就是一個（gè）光口總的（de）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（guāng）模塊、100Gbps(100GE)光模塊、40Gbps(40GE)光模塊、25Gbps(25GE)光模塊（kuài）、10Gbps(10GE)光模塊、1.25Gbps(1GE)光模塊、FE光模塊（kuài）等。我們說的1.6T光模塊，其實指的是這個光模塊單口最大的傳輸速率是1.6Tbps。

2、按單對最大傳輸速率分類（這種分類一般用（yòng）的少，主（zhǔ）要是（shì）設計和仿真人（rén）員會（huì）關注）

按照光器件所能承載的單對無誤碼傳輸的最（zuì）大電信號速率來（lái）進行分類，也就是我們（men）設計和仿真時關心（xīn）的單對差分信號的傳輸速率，可（kě）以分為：125Mbps、1.25Gbps、10.3125Gbps、25/28Gbps、50/56Gbps、100/112Gbps和200G/224Gbps等光（guāng）模塊。單對（duì）差分速率乘以發送或（huò）接收對數就（jiù）決定了（le）上麵（miàn）單口最（zuì）大的速率，同時也決定了這（zhè）個光模塊每秒可以傳輸多少（shǎo）數據。如上麵的1.6TE光模塊一般就是由200G/224Gbps的單對差分速率乘以8對得到的，也就是（shì）說我們現在做的1.6TE光模塊它的單對差分信號速率（lǜ）最高到了200/224Gbps，這麽高速的傳輸速率在PCB板上傳輸，對PCB的設計和製板工藝考驗巨大，這種情況（kuàng）下就需要在設（shè）計過程中通過精確的仿真來確（què）保通道的性能，同時（shí）還需要有靠譜的加（jiā）工才能保證（zhèng）最（zuì）終產品的落地，哪一個環節都不能出現太大的偏差。

3、按接（jiē）口封（fēng）裝類型分類（lèi）（最常見的）

傳（chuán）輸（shū）速率越高，結構越複雜，由此產生了不同的接口封裝類型。常見的光模塊封裝類型有：SFP（1GE）光模塊、SFP+（10GE）光模塊、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（mó）塊、OSFP(800GE)光模塊、OSFP-XD/OSFP224(1.6TE)光模塊等。還有早期速率比較低的GBIC，就是Giga Bit-rate Interface Converter(千兆接口轉換器)光模塊在（zài）2000年（nián）之前，GBIC是最流行的光模塊（kuài）封裝（zhuāng），也是應用最廣泛的千兆模塊形態。下麵可以看看每種（zhǒng）具體光（guāng）模塊的介紹。

SFP，全稱Small Form Pluggable，即小型可熱插拔光模塊。它的小，就是相對GBIC封裝來說的。SFP的體積比GBIC模塊減少了（le）一半，可以在相同的麵板上配置多出一倍以上的端口數量。在功能上，兩者（zhě）差別不大，都支持熱插拔。SFP支持最大帶寬是4Gbps。

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

SFP+，它和XFP一樣是10G的光模塊。SFP+的尺寸和SFP一致（zhì），比XFP更緊湊(縮小了（le）30%左（zuǒ）右)，功耗也更低(減少了一些信號控製功能)。此外，為了增加容量（liàng）和空間，還會把多個SFP+口做成一個器件，延生出（chū）了zSFP+等。

QSFP，Quad Small Form-factor Pluggable的簡稱，也即四通道SFP接口，很多XFP中（zhōng）成熟的關鍵技術都應用到了該設計中。根據速度可將QSFP分為4x10GQSFP+、4x25GQSFP28、8x25GQSFP28-DD光模塊等（děng）。以QSFP28為例，它適用（yòng）於4x25GE接入端口。使用QSFP28可以不經過40G直接從25G升級（jí）到100G，大幅簡化（huà）布線（xiàn）難度以及降低成本。和（hé）SFP+一樣，為了（le）容量和空間考慮，會把多個QSFP接口上下左右（yòu）堆成多個接口作（zuò）為一個整體，這樣就衍生出了QSFP+、zQSFP+和microQSFP等（děng）接口，如下圖所示。

QSFP-DD，DD指的是“Double Density(雙倍密度)”。將QSFP的4通道增加了一排通道，變為了8通（tōng）道。它可以與CDFP方案兼容，原先的（de）QSFP28模塊仍可以使用，隻需再插入一個模塊即可（kě）。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。采用PAM4，最高可以支持400Gbps速率。

OSFP，Octal Small Form Factor Pluggable的（de）簡稱，“O”代表“八進製”，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（diào）製下形成)，尺寸略大於QSFP-DD，更高瓦數的光（guāng）學引擎和收發器，散熱性能稍好。

CFP，Centum gigabits Form Pluggable的簡稱，也叫密集波分光通信模塊。傳輸速率可達100-400Gbps。CFP是在SFP接口基礎上設計的（de），尺寸更大，支持100Gbps數據傳輸。CFP可以支持單個100G信（xìn）號，一個或多個40G信號。

CFP、CFP2、CFP4、CFP8的區別在於體（tǐ）積。CFP2的體積（jī）是CFP的二分之一，CFP4是（shì）CFP的四分之一。CFP8是（shì）專門針對400G提出的封裝形式，其尺寸與CFP2相當。支持（chí）25Gbps和50Gbps的通道（dào）速率，通過16x25G或8x50G電接口實現400Gbps模（mó）塊速率。