光模块，入门指南|信号|光模块|光纤|入门指南|单模|多模|脉冲|调制器

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初涉光收发器领域，很快就会遇到琳琅满目的字母数字组合，令新手眼花缭乱。例如，您可以看看FiberMall的这款光收发器产品页面。

本文将逐步解释这些术语的含义。读完本文后，您将能够像经验丰富的业内人士一样阅读光收发器产品页面。

您在本产品页面看到的命名标准源自 IEEE 以太网工作组，该工作组通过IEEE 802.3 标准定义了物理层 (PHY) 的电气和光学规范。802.3 并非单一标准，而是一个包含多种修订版本的系列标准。

在物理层，其主要目的是定义信号传输中使用的电气和光学特性，例如光功率、链路预算、可接受的误码率和信号编码。例如，计划于 2026 年春季发布的 802.3dj 标准定义了使用 200 Gbps 通道的 200 Gbps、400 Gbps、800 Gbps 和 1.6 Tbps 聚合带宽，该标准也被称为超以太网 (Ultra Ethernet) 。

光互连的定义通常遵循以下格式（大致如此，因为业内并没有严格的定义方式）：[连接器外形尺寸]-[基带速度]-[传输距离][通道数]-[调制方式]-[复用方式]-[光纤模式]-[其他信息]

让我们根据上面所示的模板，对上面示例中的产品名称进行分解：QSFP-DD-400G-FR4 PAM4 CWDM4 2km LC SMF FEC ，并深入探讨其各个方面。

一、小型可插拔 (SFP：Small Form-Factor Pluggable)

产品名称的第一部分对应于容纳光收发器的可插拔连接器的尺寸规格。在上面的例子中，QSFP 代表四通道小型可插拔连接器，其外观如下图所示。

“四通道”指的是它包含四个独立的通信通道。QSFP+ 连接器是 QSFP 的升级版，速度更快。上述光收发器示例中的 DD 代表双倍密度，这意味着它可以在四通道封装中运行八条通道，从而有效地将总带宽翻倍。QSFP-DD 连接器在 400G 网络中应用广泛。

在800G网络中，支持八通道独立通信的“八脚”SFP或OSFP可插拔模块更为常见。随着我们向1.6T或3.2T等更高速度过渡，更长的OSFP-XD（超高密度）版本则更为常用。未来，随着我们向共封装光模块（CPO）过渡，由于大部分收发器功能将与网络ASIC交换机共封装，可插拔模块的尺寸将大幅缩小。

下表是一个方便的参考表，可以快速识别光器件中最常用的 SFP 可插拔模块。

二、总数据速率（Aggregate Data Rates）

“400G”表示总数据速率：400 Gbps。这是包含四条或八条并行通道的整个链路的总吞吐量。在很多情况下，你会看到它被指定为“400GBASE”，这里的“BASE”表示基带传输。它本质上是指信号直接传输，无需调制到载波频率上。为了简洁起见，通常会省略“BASE”。总数据速率最终决定了光互连的速度。

互连速度一直在不断提高，但随着人工智能应用超标量计算机的出现，迫切需要更快的互连速度来跟上计算能力的扩展。

三、有效距离

根据光通信距离，光通信技术可分为九个不同的距离等级——从数据中心单个机架内常用的超短距离 (VSR) 到可传输数百公里的、被戏称为“最佳距离”(ZR) 的互连。不同距离等级之间的界限并不清晰，很大程度上取决于数据速率、调制方式，甚至所用光纤的质量。尽管如此，这些分类对于理解不同的光通信技术仍然很有帮助。

下图在一个易于使用的图表中显示了每个光学距离等级的使用案例、波长、激光技术和光纤类型。

在原例中，FR 指的是前端传输距离（或光纤/远距离/固定传输距离，这些术语都曾被使用），这意味着光收发器的工作范围可达公里，最适用于建筑物之间的联网。

随着传输距离的增加，光学工程的复杂性也随之不断提高。由于光信号长距离传播损耗较大，因此需要根据传播损耗选择不同的波长。激光光源和检测方法在高距离下会变得更加复杂和昂贵。

四、平行通道数量

之前我们只讨论了总数据速率，因为数据几乎总是通过多个并行光链路传输。在单条光链路上传输高数据速率通常不切实际，因为工程设计会变得非常复杂，而且由于需要纠错，相关电路会非常耗电。光高速公路中的并行链路越多，总带宽就越高。

在我们的光收发器示例中，FR 表示前端互连使用四条并行的光连接来提供 400 Gbps 的总带宽。这意味着每条光通道的运行速度是总速度的四分之一，即 100 Gbps。因此，在讨论光互连的速度时，务必明确这些数字指的是“单通道”速度还是“总”速度。

Marvell 的路线图（如下所示）表明，要增加光链路的总带宽，需要提高每条通道的速度并增加并行通道的数量。

五、多路复用方案

将来自独立并行通道的数据合并到一个聚合连接中的方法称为复用方案。在我们最初的示例中，这用 CWDM4 表示，它是 4 波长粗波分复用 (4-wavelength Coarse Wavelength Division multiplexing) 的缩写。这意味着数据在单根光纤上同时通过四个不同的波长（通常在 1310 nm 附近，具体为：1271/1291/1311/1331 nm）进行传输。

实现并行连接的更直接方法是增加更多工作在同一波长的光纤。这称为并行单模 (PSM)，下图展示了多根光纤单波长和单根光纤多波长复用并行通道的实现方式。PSM 的明显缺点是需要管理大量的光纤，并且连接器组件复杂，容易发生故障。折衷方案是提高每根光纤的数据速率，这意味着在相同的总带宽下只需要更少的光纤。

对于超长距离（ZR、ZR+）互连，并行通道的实现变得更加复杂。它们通常采用密集波分复用（DWDM）技术，该技术可在单根光纤上传输100多个波长在1550nm（C波段）附近的信号，并由掺铒光纤放大器（EDFA）进行放大，用于长距离光网络。这种密集复用通常需要大型设备箱来实现。

光纤行业的一大亮点是近期推出的400G-ZR标准，该标准采用紧凑型可插拔连接器，将DWDM技术应用于数据中心互连，并支持400G聚合速率。

六、调制方案

调制是指将电信号 0 和 1 转换为光信号的方法。最简单的方法是使用开关键控 (OOK)：关闭激光器表示 0，打开激光器表示 1。然后，信号以脉冲集的形式传输，并由接收器解码。这种简单的方法在数据速率较低时（例如 50 Gbps 左右）非常有效。

当数据传输速率达到 100 Gbps 及以上时，光纤会造成光信号失真，导致激光器难以快速开关。这还取决于光互连的速度和预期传输距离：更快、更长的互连需要复杂的调制格式和昂贵的、高功耗的数字信号处理 (DSP) 技术。

在这种情况下，会采用不同的调制方案，例如四电平脉冲幅度调制（PAM4，就像我们光收发器示例中那样）。这种方案每次取两个比特——例如 00、01、10 或 11——并将其编码为四个不同的激光亮度级别。

在光收发器中，产生调制信号的基本方法有两种：直接激光调制和外部调制。

直接激光调制

通过将激光驱动电流调节至四个不同的水平，可以获得不同亮度的激光输出。高于特定激光阈值电流的驱动电流越高，产生的光子就越多，激光输出也越亮。在 PAM4 调制中，最低亮度通常并非通过将驱动电流设置为低于激光阈值来关闭激光器，因为开启激光器会产生动态效应，导致信号失真。相反，最低亮度通常是指仍然高于阈值的“微弱”激光输出。下图显示了基于激光二极管驱动（或注入）电流的不同光输出功率水平。

激光源的这种功率电流动态特性通常对温度非常敏感，因此需要始终在反馈传感回路中监测驱动电流的大小，以确保给定调制水平的输出功率保持一致。

外部调制

另一种调制信号的方法是保持激光器输出功率恒定，并使用外部调制器来控制进入光纤的光强。与直接激光调制相比，这种方法通常能获得更好的波形，但如果需要单独的调制设备，也会更加复杂和昂贵。外部调制器是一个引人入胜的话题，我们在此不做深入探讨。简而言之，调制器主要分为三种基本类型，它们的工作原理完全不同：

（1）电吸收调制器：根据所施加的电场，这些调制器会吸收不同强度的光。通过电信号控制吸收强度，可以将不同强度的激光耦合到光纤中，从而产生PAM4信号。

（2）马赫-曾德尔调制器（MZM）：这类调制器将光分成两束平行光，并利用干涉原理将不同强度的光耦合到光纤中。相消干涉会导致微弱的激光输出耦合到光纤中，而相长干涉则会产生明亮的光。

（3）环形调制器：与马赫-曾德尔调制器（MZM）相比，环形调制器结构极其紧凑，非常适合硅光子学应用。其基本原理是在激光信号主路径附近放置一个环。根据环的折射率以及尺寸是否合适，该环可以通过谐振完全“捕获”主路径中的信号，从而提供低输出激光。施加电压可以改变材料的折射率，进而改变环的谐振频率。这意味着主波长不再被环“捕获”，从而产生高亮度输出。同样的原理也可用于生成PAM4的中间亮度级别。

了解光收发器中使用的各种调制方法固然重要，但实际使用的方法通常不会直接体现在名称中。这些调制器的设计和性能背后有很多值得探讨的内容，但这超出了本文的讨论范围。

七、光纤模式

数据中心和任何需要光网络的地方大致使用两种光纤：单模光纤 (SMF) 和多模光纤 (MMF)。

当使用垂直腔面发射激光器（VCSEL）等激光光源时，它们会发射一个宽光束锥，该光束通常耦合到多模光纤（MMF）中。多模光纤通常是直径达数十微米的粗光纤。宽光束锥中的每束光线在光纤中的传播路径都可能不同。有些光线直接穿过光纤，而另一些光线则会在光纤中多次反射，最终到达目标位置。

这意味着，发送到多模光纤 (MMF) 中的脉冲在传播到另一端时会发生“扩散”，因为每种光“模式”到达的时间略有不同。这意味着你不能在多模光纤中发送间隔很近的脉冲，因为它们会扩散并相互融合。光互连距离越远，这些脉冲的扩散就越严重。这种现象带来了两个限制：

（1）如果脉冲不能彼此靠近地发送，那么互连速度就会受到限制。

（2）它们仅适用于短距离互连，且扩散效应不显著的情况。

多模光纤（MMF）的一种变体称为渐变折射率多模光纤（graded-index MMF），其玻璃纤芯的折射率随距中心距离的增加而连续降低。这类光纤被称为OM3/OM4光纤，它们通过允许光沿更长路径以更高的速度传播来最大限度地减少脉冲展宽，从而使脉冲的所有模式几乎同时到达。

另一方面，单模光纤（SMF）要细得多——直径通常小于10微米。这限制了光的传播，使其只能以单一模式进行（它们仍然可以具有不同的偏振态——这是一个需要注意的细微差别），这意味着光的传播扩展将非常小。单模光纤更适合高速光互连以及100米以上的传输距离。但它们的价格也高得多，而且使用细直径单模光纤进行激光器对准也更加困难。

八、其他

光收发器通常包含各种其他信息，这些信息取决于制造商或供应商。例如：