光模块的技术原理

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1.1光模块的定义

对于国内外配线系统，一般分为三个阶段：1.双绞线阶段：在这个阶段语音同大规模数据通信不能混用也适应这样的数据通信；2.同轴电缆 +双绞线阶段：它能满足用户的大量数据传输和视频的需求，但需要更多的接入设备，造价相对提高许多，且不易今后的扩展需求；3.光纤阶段：即我们所说的最终阶段，各相应附属设备更完善，数据处理能力更强，扩展性更好。

采用光通信较电通信有明显优势：1.灵敏度高，不受电磁噪声之干扰，2.体积小、重量轻、寿命长、传输介质价格低廉，3.绝缘、耐高压、耐高温、耐腐蚀，适于特殊环境之工作，4.高带宽，通讯量大衰减小，传输距离远，5.保密性高。

光模块又可叫做光纤模块，是光收发一体的热插拔性模块，它是光通信中的核心器件，是交换机、路由器等传输设备之间的传输载体，通过光纤连接，能够完成光信号的光-电/电-光转化过程：信号→物理/模拟转变→模/数变换（电端机）→电/光转换→光纤（信道）→光/电转换→数/模变换→模块/物理变换→信宿；光模块工作在物理层。

光模块一般使用在交换机、服务器、存储设备或路由器等设备，设备通过光模块的金手指给光模块供电以及传输相应信号，光模块在发射端将电信号转换为光信号实现远距离传输，并在接收端再次将光信号转换为电信号，完成信号接收。

1.2光模块的分类1.2.1分类标准

根据不同的标准，光模块有不同的分类方法：

1.根据速率划分：155M、1.25G、10.3125G、103.1G（以上是以太网模块）、2.125G、4.25G、8.5G（光纤通道模块）、2.488G、9.952G（同步数字系列）、3G、6G、12G（视频传输）；

2.按功能划分：发射模块、接收模块、收发一体模块；

3.按封装划分：1X9、SFF、GBIC、SFP、XENPAK、X2、SFP+、SFP28、QSFP28等；

4.按应用领域划分：SDH/SONET、Ethernet、Fiber channel、SDI、PON；

5.按传输模式划分：多模、单模；

光模块的发展有着明显趋势：热插拔、小型化、高速率、低功耗、远距离。

1.2.2不同封装类型光模块介绍1.2.2.1 SFF模块

SFF是Small Form Factor的简称，英特尔将其称为小封装技术。目前广泛应用于EPON系统中。在EPON系统的ONU侧，清一色的采用了SFF光模块，ONU侧采用SFF光模块的主要原因是由于，EPON系统的ONU产品通常放置在用户测，要求固定，而不是热差拔。SFF采用LC头，直接固化在电路板上， 变成了 SFF2X5，或SFF 2X10。SFF与SFP的主要区别在于SFP光模块支持热插拔，SFF是固定式的，不支持热插拔。

1.2.2.2 CBIC模块

GBIC模块，曾经广泛的用于交换机，路由器等网烙产品，老式的Cisco,北电等厂商的交换，路由产品曾广泛的采用GBIC模块, GBIC模块与1X9封装的模块相比，优势非常明显，由于其可支持热插拔的特性，使得GBIC产品作为一个独立的模块，用户可以方便的更新维护光模块，故障定位。然而随着网络的不断发展，GBIC模块的缺点也逐渐显现。主要的缺点的个头太大，导致业务板光口密度较小，板卡上无法容纳足够数量的GBIC，无法适应网络迅猛发展的趋势。

1.2.2.3 SFP模块

SFP是Small form-factor pluggable transceiver的缩写，可以简单的理解为GBIC的升级版本；SFP光模块继承了GBIC的热插拔特性，也借鉴了SFF小型化的优势。采用LC接头，其体积仅为GBIC模块的1/2到1/3,  极大的增加了网络设备的端口密度，适应了网络迅猛发展的趋势，因此得到了最广范的应用，目前主要的设备厂商，无一例外摒弃的GBIC产品，只采用SFP光模块产品。SFP收发器由一个竞争厂商之间的多边协议（MSA）进行规范，由于采用了统一的标准，各厂家的SFP产品可以兼容，SFP产品可作为一种单独的网络设备采购。

SFP收发器有多种不同的发送和接收类型，用户可以为每个链接选择合适的收发器，以提供基于可用的光纤类型（如多模光纤或单模光纤）能达到的"光学性能"。可用的光学SFP模块一般分为如下类别：850nm波长/550米距离的 MMF (SX)、1310nm波长/10公里距离的 SMF (LX)、1550nm波长/40公里距离的EX、80公里距离的ZX，以及WDM、BIDI模块。

SFP收发器也提供铜缆接口，使得主要为光纤通信设计的主机设备也能够通过UTP网络线缆通信。

1.2.2.4 XENPAK模块

Xenpak是光模块产品演进中的重要一步。XENPAK光模块是10 Gigabit Ethernet 中的光收发器（独立于收发光信号的电路和光学元器件的小型装置，用于交换机和路由器的接口部分）的标准规范。由Agere、Agilen、三菱电机有限公司、Pine Photonics、Tyco和Optillion公司组成的XENPAK工作组定义，规定了有关产品的外形尺寸、光插头种类、电气引脚配置和功能等参数。XENPAK光模块在一些比较老款的设备上使用，Xenpak体系结构为媒体访问控制器提供一个XAUI接口，串行器/解串器将10 Gbps 的有效负载和前向纠错系统开销分配给接口的4个通道，将每一条线路的信号传输速率降低到3.125 Gbps。Xenpak与不可热插拔的模块相比很有吸引力，但却不能满足某些重要市场的需求。

1.2.2.5 X2模块

X2是从Xenpak标准演进而来的，其内部功能模块与Xenpak以及在电路板上的应用都基本相同，在实现10G以太网光接口的功能方面都是只使用一个模块即可。由于Xenpak光模块安装到电路板上时需要在电路板上操作比较复杂地开槽，且无法实现高密度应用。而经过改进的X2光模块（其体积只有Xenpak的一半左右）可以直接放到电路板上，因此适用于高密度的机架系统和PCI网卡应用。

X2也使用Xenpak电气接口，但有少数地方例外。X2 提供一个4位端口地址的空间，比Xenpak少一位。 X2 还减少了电源引脚的数目，并使底板和电气接地公用。X2保留了Xenpak的4个厂商专用的引脚。在光技术方面，X2支持10GbE（以太网）、 OC192同步光纤网、10GFC（光纤通道）和其他标准。

1.2.2.6 XFP模块

XFP是10G可插拔光模块的一种主要标准协议。典型波长有850纳米,1310纳米,1550纳米,也支持CWDM,DWDM波分复用的各波长,主要应用在10G的SDH光传输网,10G光纤通道,10G以太网等领域。XFP拥有类似SFF-8472的数字诊断功能,而且功能更加强大,可以支持更多管理工具来实现模块的功能。XFP的多源协议(MSA)直接采用了XFI接口规范来定义电路接口,完全满足SDH光传输网OC-192 / STM-64对9953.28 Mbit/s速率的要求。

1.2.2.7 SFP+模块

SFP+比早期的XFP光模块外观尺寸缩小了约30%，和普通1-4G的SFP光模块外观一样。SFP+只保留了基本的电光、光电转换功能,减少了原有XFP设计中的SerDes，CDR, EDC, MAC等信号控制功能,从而简化了10G光模块的设计,功耗也因而更小。SFP+具有高密度、低功耗、更低系统构造成本等显著优点，产品广泛应用万兆以太网光纤数据通信领域，是万兆模块的主流产品。SFP+模块具有以下优点：SFP+具有比X2和XFP封装更紧凑的外形尺寸(与SFP尺寸相同），可以和同类型的XFP,X2,XENPAK直接连接，成本比XFP,X2,XENPAK产品低。

1.2.2.8 CFP系列模块

CFP MSA是第一个支持40和100Gbe以太网光端机的产业标准。IEEE组织在定义100G标准时，CFP是行业内推荐的光模块封装方式之一，CFP多源协议是为了定义一种热插拔光模块的封装规格，以推动40和100Gbit/s应用，包括下一代高速以太网应用（40和100GbE）和OC-768/STM-256、OTU3、OTU4等。

100G CFP系列光模块其封装类型CFP、CFP2、CFP4。CFP光模块的接口是依照SFP光模块设计，但是在收发方向上分别提供10路10Gbit/s并行数据通道（早期的SR10），具有高达100Gbps的传输速率，而CFP、CFP2和CFP4这三种封装形式的光模块都是100G光模块，只不过体积大小不同。CFP光模块的尺寸最大，CFP2光模块是CFP的二分之一，CFP4光模块是CFP的四分之一，而QSFP28光模块的封装样式比CFP4光模块更小。CFP/CFP2/CFP4光模块不能相互替换使用，但是它们可在同一系统中同时使用。

1.2.2.9 CXP模块

“C”代表十六进制中的12，罗马数“X”代表每个通道具有10Gbps的传输速率，“P”是指支持热插拔的可插拔器；CXP光模块主要应用了850nm VCSEL阵列技术、PIN阵列和集成激光器驱动芯片等技术。VCSEL具有阀值电流低、功耗小、调制速率高、圆形发射光斑易于耦合和易于制造成阵列等特点；而PIN具有灵敏度高、响应速率快、反向偏压低和功耗低等特点；CXP模块适用于12X QDR InfiniBand互联应用场景，该产品同时符合IEEE 802.3ba 对100G以太网100GBase-SR10标准。

1.2.2.10 QSFP+模块

40GQSFP+光模块是一种紧凑型热插拔光模块，它有四个传输通道，每个通道的速率是10Gbps，并且这种光模块符合SCSI、40G以太网、20G/40GInfiniband等多种标准。

QSFP+光模块的两个基本接口规范分别是40GSR4和40GLR4。40GQSFP+SR4光模块符合802.3baD3.2标准，与MPO/MTP光纤连接器一起可以实现40Gbps的光学连接。这种光模块也是通过四个通道进行传输，传输速率通LR4一致。在数据中心，40GSR4 QSFP+光模块可以和多模OM3/OM4光纤一起使用，实现两个以太网交换机间的互连。40G LR4 QSFP+光模块符合802.3ba（40GBASE-LR4）标准，它具有高密度、低成本、高速率、大容量、低功耗等优点。通常用在数据中心和因特网交换点之间，一般与LC接头连接。它有四个相互独立的光信号接收和发射通道，需要利用WDM技术将光信号进行复用和解复用，从而实现光信号在长距离单模光纤上的传输。

1.2.2.11 QSFP28模块

100G市场目前以QSFP28封装的各类产品需求最为旺盛，包括QSFP28 SR4、QSFP28 PSM4、QSFP28 LR4、QSFP28 CWDM4、QSFP28 ER4，全面覆盖从1米到40公里传输距离的应用；以100GBase-SR4标准的100G数据模块为例,此类光模块符合新的标准IEEE802.3bm，采用8芯多模光纤组成的4个通道并行传输,多模OM3与OM4光纤均支持100G应用。接口采用12芯MPO接口，其中中间4四芯光纤不启用，每个通道支持25G；100GBase-LR4/WDM4是基于单模粗波分复用技术的100G传输模块，光纤收发器采用单模激光光源，采用LC双工接口，每芯光纤上支持4个长波段的信号传输，这4个发射窗口分别是1271nm，1291nm，1311nm，1331nm，每个波段传输25G，光纤收发器也是采用QSFP28小型化收发器。