一文读懂光模块

随着人工智能（AI）技术的飞速发展，AI数据训练及应用往往涉及到海量的数据传输和实时交互，对算力和网络的需求正呈现爆发式的增长。

光模块作为网络中设备之间传输数据的“快递员”，为“算力高速公路”承载着海量数据的收发，其重要地位愈发凸显。

今天文档君带你一文读懂光模块。

1什么是光模块

光模块是一种将电信号与光信号互转的器件，其主要作用是在发送端将电信号转换成光信号，通过光纤传送后，再在接收端将光信号转换成电信号。

通过光模块，可以实现各类型设备间的无缝连接和协作，例如网络上的路由器、交换机、服务器和存储设备等都离不开光模块的互联，光模块的应用非常广泛。

2光模块的组成

光模块通常主要由光发射组件、光接收组件、光接口、底座、电路板和电接口金手指等组成。

3光模块的速率

光模块接口速率指每秒传输比特数，单位有Mbps、Gbps及Tbps。

目前光模块的主要传输速率有：1Gbps、10Gbps、25Gbps、 40Gbps、100Gbps、200Gbps、400Gbps、800Gbps等。

4光模块的封装

封装可以简单理解为光模块的外观和接口形式。

封装标准由标准化组织确定，封装标准的确定，使得各个厂商生产的光模块得以兼容、互联互通。光模块行业中使用最多的标准化组织是IEEE（电气与电子工程师学会）和MSA（Multi-Source Agreement，多源协议）。MSA实际是一种多供应商规范，是对IEEE标准的补充。

当前标准化组织所规范的常见光模块封装有：GBIC、SFP、SFP+、SFP28、QSFP+、QSFP28、CFP、CFP2、CFP4、CFP8、QSFP-DD、OSFP等。

SFP

Small Form-Factor Pluggable，小封装可热插拔。

GBIC是由MSA定义的首个光模块封装标准协议，SFP光模块可以理解为GBIC光模块的升级版本。SFP光模块支持热插拔，模块体积比GBIC光模块减少一半。SFP光模块支持千兆和百兆速率。

SFP+

Small Form-factor Pluggable Plus，增强型小封装可热插拔。

SFP+和SFP光模块具有相同外观尺寸，区别是SFP+光模块功耗更小、速率更高，SFP+支持万兆速率。

SFP28

Small Form-factor Pluggable 28，小封装可热插拔28。

SFP28是SFP+升级版，与SFP+相同的外观尺寸，SFP28光模块可支持单通道25Gbps速率。

QSFP+

Quad Small Form-factor Pluggable Plus，四通道增强型小封装可热插拔。

QSFP+光模块同时支持4通道传输，单通道可支持10Gbps速率，通过4通道传输实现40Gbps速率。

QSFP28

Quad Small Form-factor Pluggable 28，四通道小封装可热插拔28。

QSFP28光模块同时支持4通道传输，单通道可支持25Gbps到40Gbps速率，通过4通道传输实现超100Gbps速率。

QSFP28与QSFP+具有相同的外观尺寸，但是速率不同。

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

C Form-factor Pluggable，C型可插拔。

CFP光模块传输速率范围为100Gbps~400Gbps。CFP是在SFP基础上设计，但比SFP具有更大的外观尺寸。

CFP的单通道可支持10Gbps速率，通过4×10Gbps和10×10Gbps，实现40Gbps和100Gbps速率。

CFP2的尺寸是CFP的二分之一，通过4×25Gbps和8×25Gbps，实现100Gbps和200Gbps速率。

CFP4的尺寸是CFP的四分之一，通过4×10Gbps和10×10Gbps，实现40Gbps和100Gbps速率。

CFP8是针对400G的封装类型，通过16×25Gbps和8×50Gbps，实现400Gbps速率。

QSFP-DD

Quad Small Form-factor Pluggable-Double Density，双密度四通道小型可插拔封装。

QSFP-DD封装可兼容QSFP+/QSFP28等QSFP封装，将QSFP的4通道增加了一排通道，变为同时支持8通道传输，单通道速率可达25Gbps、50Gbps、100Gbps，因此QSFP-DD光模块可支持200Gbps、400Gbps或800Gbps速率。

OSFP

Octal Small Form-factor Pluggable，八通道小型封装热插拔。

OSFP光模块具有8个高速电气通道，每个通道速率可达100Gbps，总带宽可支持200Gbps、400Gbps、800Gbps以及1.6Tbps速率，尺寸比QSFP-DD略大。

随着光模块的性能和传输带宽逐渐提升，光模块的封装方式也在持续演进，以更高传输速率、更小的尺寸、更低的功耗与更高密度作为方向发展。

5光模块的传输距离

光模块的传输距离分为短距、中距和长距三种。一般认为2 km及以下的为短距离，30 km及以上的为长距离。

实际使用中，光模块可传输的距离会受到限制，主要是因为光信号在光纤中传输时会有一定的损耗和色散。

损耗

是指光信号在光纤介质中传输时，强度逐渐减弱的现象。单位以dB/km表示。

光信号的损耗主要来源包括光纤材料吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗以及连接器/接头损耗等。通常，单模光纤相对多模光纤损耗较小。

色散

是指不同频率或不同模式的光信号在光纤中传播速度不同，导致光脉冲展宽，从而引起信号失真的现象。单位以ps/(nm·km)表示。

色散会使相邻脉冲重叠引起误码率升高，限制光纤的最大传输速率和无中继传输距离。

6光模块的传输模式

根据光信号在光纤中的传输模式，光纤可以分为单模光纤（SMF）和多模光纤（MMF）。为了适用不同类别的光纤，光模块也分单模光模块、多模光模块。

单模光模块

单模光模块与单模光纤配套使用。单模光纤的纤芯较细，使用光的单一模式传送信号，传输过程中色散较小，传输容量大，通常用于长距离传输。

多模光模块

多模光模块与多模光纤配套使用。多模光纤的纤芯较粗，使用光的多种不同模式传送信号，传输过程中色散较大，传输性能比单模光纤差，但成本低，适用于较小容量、短距传输。

7光模块的中心波长

中心波长指光信号传输所使用的光波段，单位nm（纳米）。中心波长越长，光信号在光纤中的损耗越小，传输距离越远。

常用的光模块的中心波长主要有三种：850 nm波段、1310 nm波段以及1550 nm波段。

除上述三种波段外，还有用于波分系统的CWDM和DWDM波段。

无论是CWDM还是DWDM，这些波长在设备上呈现为“彩光”光模块。这些光模块通过不同颜色的光（即不同波长）来传输数据，每个颜色代表一个独立的数据通道，从而在单根光纤上实现多个波长信号的传输。这种技术极大地提高了光纤的传输容量和效率。

与此相对，850 nm、1310 nm和1550 nm波段由于中心波长相对单一，也称为“灰光”或“黑白光”。与彩光光模块不同，灰光光模块并不采用复杂的波分复用技术，而是专注于提供稳定可靠的单一波长传输。这种特性使它更适合用于短距离、低成本的网络连接，例如IP网络场景。

8光模块的光功率

光模块光功率是衡量光模块性能的核心参数之一，包括发送光功率、接收光功率、过载光功率和接收灵敏度等指标，直接影响光纤通信系统的稳定性与传输质量。

发射光功率：指光模块发送端光源发出的光强度，单位为dBm，发射光功率需保持稳定以确保信号传输质量。

接收光功率：表示接收端可识别的平均光功率范围，其下限为接收灵敏度最大值，上限为过载光功率，单位为dBm。

过载光功率：又称为饱和光功率，指光模块接收端能承受的最大输入光功率，单位为dBm，当接收光功率大于过载光功率时会导致误码，甚至设备损坏。

接收灵敏度：指光模块在满足一定误码率条件下的最小可接收光功率，单位为dBm。

9光模块的接口类型

指光模块对接光纤时的物理连接器类型，常见的连接器类型有SC、LC、MPO等。

SC（Square Connector）：一种标准的方形光纤连接器，具有良好的稳定性和耐用性。SC接口最初设计用于接入网络中的用户端设备，但现在也广泛应用于各种网络环境中。

LC（Little Connector）：一种小型化的光纤连接器，LC接口具有较小的尺寸和较高的精度。LC接口可用于单模或多模光纤，广泛应用于数据中心、电信网络等高密度布线环境。

MPO（Multi-fiber Push On）：一种多芯光纤连接器，可以同时连接多根光纤。MPO接口通常用于高密度布线环境中的并行数据传输，如数据中心内部的服务器互联或交换机之间的高速链路。

10光模块的命名

不同厂家对光模块命名有各自厂家的规则。IEEE、MSA等组织也对光模块命名提供了规范标准。以100G光模块为例，IEEE 802.3定义的命名规范如下图所示。

100G光模块命名各参数取值参见下表。

例如，某100G光模块命名为100GBASE-LR4，表示含义为光模块速率为100 Gbps、支持的传输距离为10 km、光模块支持4通道。

在实际使用中，一些厂家的光模块命名还包括了封装类型，如QSFP28-100G-S40K，QSFP28表示封装类型为QSFP28，100G表示光模块的接口速率，S表示单模，40K表示支持的传输距离为40 km。

总之，不同厂家的光模块命名有差异，但命名规则通常包含封装类型、传输速率、光纤类型、传输距离、工作波长等信息。

11光模块的新技术

光模块制造的核心在于封装技术。目前，COB（Chip on Board，板上芯片）为高速光模块的主流封装方案。

COB通过将裸芯片（光芯片与电芯片）直接贴装在PCB基板上，并采用引线键合实现电气连接，显著提升了集成度，同时具备体积小、散热好、成本低等优势，广泛应用于400G、800G等高速模块中。

为满足网络对更高带宽和更低功耗的需求，光模块技术正沿着一条清晰路径不断演进，主要方向包括以下三种关键技术。

当前，随着AI掀起的算力基础设施建设的加速，对用于数据中心光互联的高速光模块需求显著增长，400G光模块已广泛应用、800G光模块已规模化商用，而1.6T光模块已进入量产阶段。

未来，在AI与算力网络驱动下，光模块必将加速向着“更高速率、更低功耗、更小体积、更智能集成”阶段发展，CPO与硅光技术或将成为未来光模块发展的核心引擎。