光模塊學(xué)習(xí)總結(jié)

作者：曹世宏

光模塊簡介

什么是光模塊：

光模塊(Optical Module)作為光纖通信中的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能的光電子器件。

準(zhǔn)確來說，光模塊是幾種類別的模塊的統(tǒng)稱，具體包括：光發(fā)送模塊Transmitter、光接收模塊Receiver、光收發(fā)一體模塊Transceiver和光轉(zhuǎn)發(fā)模塊Transponder。通常我們所說的光模塊，一般是指光收發(fā)一體模塊（下同）。

工作原理：

光模塊工作在OSI模型的物理層，是光纖通信系統(tǒng)中的核心器件之一。它主要由光電子器件（光發(fā)射器、光接收器）、功能電路和光（電）接口等部分組成，主要作用就是實(shí)現(xiàn)光纖通信中的光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能。

圖：光模塊原理圖

基本原理：發(fā)送接口輸入一定碼率的電信號，經(jīng)過內(nèi)部的驅(qū)動芯片處理后由驅(qū)動半導(dǎo)體激光器（LD）或者發(fā)光二極管（LED）發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號，通過光纖傳輸后，接收接口再把光信號由光探測二極管轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)過前置放大器后輸出相應(yīng)碼率的電信號。

光模塊關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)

光模塊的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)主要包含：發(fā)送光功率、接收光功率、過載光功率、接收靈敏度最大值、消光比。

接收光功率：發(fā)送光功率指光模塊在正常工作條件下發(fā)送端光源輸出的光功率，可以理解為光的強(qiáng)度，單位為W或mW或dBm。其中W或mW為線性單位，dBm為對數(shù)單位。在通信中，我們通常使用dBm來表示光功率，0dBm的光功率對應(yīng)1mW。

接收光功率：接收光功率指光模塊在一定的誤碼率（BER=10-12）條件下，接收端組件能接收的平均光功率范圍。上限值為過載光功率，下限值為接收靈敏度最大值。

過載光功率： 又稱飽和光功率，指的是在一定的傳輸速率下，維持一定的誤碼率（BER=10-12）時接收端組件所能接收的最大輸入平均光功率，單位：dBm。

需要注意的是，光探測器在強(qiáng)光照射下會出現(xiàn)光電流飽和現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)此現(xiàn)象后，探測器需要一定的時間恢復(fù)，此時接收靈敏度下降，接收到的信號有可能出現(xiàn)誤判而造成誤碼現(xiàn)象，而且還非常容易損壞接收端探測器，在使用操作中應(yīng)盡量避免強(qiáng)光照射，防止超出飽和光功率。

接收靈敏度最大值： 接收靈敏度指的是在一定的傳輸速率下，維持一定的誤碼率（BER=10-12）時接收端組件所能接收的最小平均輸入光功率，單位：dBm。

一般情況下，速率越高接收靈敏度越差，即最小接收光功率越大，對于光模塊接收端器件的要求也越高。

消光比：消光比（Extinction Ratio，EXT）是用于衡量光模塊質(zhì)量的重要參數(shù)之一。它是指全調(diào)制條件下激光器在發(fā)射全“1”碼時的光功率P1與全“0”碼時發(fā)射的光功率P0的比值，單位為dB。消光比反應(yīng)了光信號“1”電平和“0”電平相對幅度。光模塊中影響消光比的因素是偏置電流（Bias）與調(diào)制電流（Mod），消光比可看作為EXT=Bias/Mod的值。

消光比的值并非越大光模塊越好，而是消光比滿足IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的光模塊才好。

交換機(jī)上光模塊信息示例：

華為設(shè)備接口光模塊信息：

?

[huawei]?display??interface??100GE??1/0/0??transceiver?verbose??

?100GE1/0/0?transceiver?information:
-------------------------------------------------------------------
?Common?information:
???Transceiver?Type??????????????????????:100GBASE_CWDM4
???Connector?Type????????????????????????:LC
???Wavelength?(nm)???????????????????????:1301
???Transfer?Distance?(m)?????????????????:2000(9um/125um?SMF)
???Digital?Diagnostic?Monitoring?????????:YES
???Vendor?Name???????????????????????????:XXX
???Vendor?Part?Number????????????????????:XXXX
???Ordering?Name?????????????????????????:
-------------------------------------------------------------------
?Manufacture?information:
???Manu.?Serial?Number???????????????????:XXXXX
???Manufacturing?Date????????????????????00
???Vendor?Name???????????????????????????:FINISAR?CORP.
-------------------------------------------------------------------
?Alarm?information:
????Non-Huawei-Ethernet-Switch-Certified?Transceiver
-------------------------------------------------------------------
?Diagnostic?information:?
???Temperature?(Celsius)?????????????????:38.64
???Voltage?(V)???????????????????????????:3.25
???Bias?Current?(mA)?????????????????????:40.23|36.02??(Lane0|Lane1)
??????????????????????????????????????????36.68|36.97??(Lane2|Lane3)
???Bias?High?Threshold?(mA)??????????????:55.00
???Bias?Low?Threshold?(mA)???????????????:25.00
???Current?RX?Power?(dBm)????????????????:-1.05|-1.02??(Lane0|Lane1)??????????????????????????????????????????
??????????????????????????????????????????0.14|0.01????(Lane2|Lane3)
???Default?RX?Power?High?Threshold?(dBm)?:3.50
???Default?RX?Power?Low?Threshold?(dBm)??:-16.00
???Current?TX?Power?(dBm)????????????????:0.72|-0.14???(Lane0|Lane1)?????????????????????????????????????????
??????????????????????????????????????????-0.48|0.55???(Lane2|Lane3)
???Default?TX?Power?High?Threshold?(dBm)?:5.50
???Default?TX?Power?Low?Threshold?(dBm)??:-8.00
-------------------------------------------------------------------

?

個參數(shù)詳細(xì)說明：

華三設(shè)備接口光模塊信息：

?

#?查看接口光模塊信息
[H3C]display?transceiver?interface??HundredGigE??6/0/1??
HundredGigE6/0/1?transceiver?information:
??Transceiver?Type??????????????:?100G_CWDM4_FEC_QSFP28
??Connector?Type????????????????:?LC
??Wavelength(nm)????????????????:?1301
??Transfer?Distance(km)?????????:?2(SMF)
??Digital?Diagnostic?Monitoring?:?YES
??Vendor?Name???????????????????:?XXXX
????

#查看接口光模塊診斷信息
[H3C]display?transceiver?diagnosis?interface?HundredGigE?6/0/1?
HundredGigE6/0/1?transceiver?diagnostic?information:
??Current?diagnostic?parameters:
[module]??Temp.(oltage(V)??
??????????31?????????3.31????????
[channel]?Bias(mA)??RX?power(dBm)??TX?power(dBm)??
????1?????39.71?????-0.91??????????-0.72??????????
????2?????36.20?????-0.97??????????-0.39??????????
????3?????36.22?????-0.49??????????0.65???????????
????4?????36.45?????-0.74??????????0.02???????????
??Alarm?thresholds:
??????????Temp.(oltage(V)??Bias(mA)??RX?power(dBm)??TX?power(dBm)??
????High??75?????????3.63????????55.00?????3.50???????????5.50???????????
????Low???-5?????????2.97????????25.00?????-16.00?????????-8.00?

?

銳捷設(shè)備接口光模塊信息：

?

Ruijie#?show?interface?hundredGigabitEthernet??0/49?transceiver
??Transceiver?Type????:??100GBASE-SR4-QSFP28
Connector?Type??????:??MPO
Wavelength(nm)??????:??850
Wavelength?tolerance(nm):??(+/-)10
Transfer?Distance???:?
????50/125?um?OM3?fiber
????????--?70m
????50/125?um?OM4?fiber
????????--?100m
Digital?Diagnostic?Monitoring??:?YES
Vendor?Serial?Number???????????:?XXXX

Current?diagnostic?parameters[C1:Channel-1?C2:Channel-2?C3:Channel-3?C4:Channel-4?AP:Average?Power]:
Temp(Celsius)???Voltage(V)??????Bias(mA)????????????RX?power(dBm)???????TX?power(dBm)
47(OK)??????????3.34(OK)????????7.70(OK)[C1]????????-0.42(OK)[C1/AP]????-1.90(OK)[C1]
????????????????????????????????7.70(OK)[C2]????????-0.19(OK)[C2/AP]????-1.80(OK)[C2]
????????????????????????????????7.70(OK)[C3]????????-0.18(OK)[C3/AP]????-1.90(OK)[C3]
????????????????????????????????7.70(OK)[C4]????????-0.08(OK)[C4/AP]????-2.46(OK)[C4]

Transceiver?current?alarm?information:
None

?

思科設(shè)備接口光模塊信息：

?

Cisco#?show?int?ethernet??1/50?transceiver???details??
Ethernet1/50
????transceiver?is?present
????type?is?QSFP-100G-SR4
????name?is?XXXX
????part?number?is?XXX
????revision?is?1A
????serial?number?is?XXXX
????nominal?bitrate?is?25500?MBit/sec?per?channel
????Link?length?supported?for?50/125um?OM3?fiber?is?70?m
????cisco?id?is?17
????cisco?extended?id?number?is?204

Lane?Number:1?Network?Lane
???????????SFP?Detail?Diagnostics?Information?(internal?calibration)
??----------------------------------------------------------------------------
????????????????Current??????????????Alarms??????????????????Warnings
????????????????Measurement?????High????????Low?????????High??????????Low
??----------------------------------------------------------------------------
??Temperature???45.25?C????????75.00?C?????-5.00?C?????73.00?C???????-3.00?C
??Voltage????????3.24?V?????????3.63?V??????2.97?V??????3.46?V????????3.13?V
??Current????????7.38?mA???????14.99?mA?????3.00?mA????12.99?mA???????4.49?mA
??Tx?Power??????-0.31?dBm???????3.39?dBm??-10.40?dBm????2.39?dBm?????-8.41?dBm
??Rx?Power??????-0.06?dBm???????3.39?dBm??-12.36?dBm????2.39?dBm????-10.31?dBm
??Transmit?Fault?Count?=?0
??----------------------------------------------------------------------------
??Note:?++??high-alarm;?+??high-warning;?--??low-alarm;?-??low-warning

?

光模塊的分類與封裝

按速率分類：

目前常見光模塊種類如下：

400GE光模塊

200GE光模塊

100GE光模塊

40GE光模塊

25GE光模塊

10GE光模塊

GE光模塊

FE光模塊

按封裝類型分類：

傳輸速率越高，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，由此產(chǎn)生了不同的封裝方式。有SFP/eSFP、SFP+、SFP28、QSFP+、CXP、CFP、QSFP28等。

SFP（Small Form-factor Pluggable）光模塊：小型可插拔。SFP光模塊支持LC光纖連接器。

eSFP（Enhanced Small Form-factor Pluggable）光模塊：增強(qiáng)型SFP，指的是帶電壓、溫度、偏置電流、發(fā)送光功率、接收光功率監(jiān)控功能的SFP，當(dāng)前所有的SFP都帶，所以也就把eSFP都統(tǒng)一叫SFP了。

SFP+（Small Form-factor Pluggable Plus）光模塊：指速率提升的SFP模塊，因?yàn)樗俾侍嵘?，所以對EMI敏感，殼子上面的裙片做的多了，配對的籠子也相對縮緊了。

XFP（10GB Small Form-factor Pluggable）光模塊：“X”是羅馬數(shù)字10的縮寫，所有的XFP模塊都是10GE光模塊。XFP光模塊支持LC光纖連接器。相比SFP+光模塊，XFP光模塊尺寸更寬更長。

SFP28（Small Form-factor Pluggable 28）光模塊：接口封裝大小與SFP+相同，支持速率為25G的SFP28光模塊和10G的SFP+光模塊。

QSFP+（Quad Small Form-factor Pluggable）光模塊：四通道小型可熱插拔光模塊。QSFP+光模塊支持MPO光纖連接器，相比SFP+光模塊尺寸更大。

CXP（120 Gb/s eXtended-capability Form Factor Pluggable Module）光模塊：是一種可熱插拔的高密并行光模塊標(biāo)準(zhǔn)，在發(fā)送和接收（Tx/Rx）方向各提供12個通道，僅適用于短距離多模鏈路。

CFP（Centum Form-factor Pluggable）光模塊：長×寬×高尺寸定義為144.75mm×82mm×13.6mm，是一種高速的可以熱插拔的支持?jǐn)?shù)據(jù)通信和電信傳輸兩大應(yīng)用的新型光模塊標(biāo)準(zhǔn)。

QSFP28（Quad Small Form-factor Pluggable 28）光模塊：接口封裝大小與QSFP+相同，支持速率為100G的QSFP28光模塊和40G的QSFP+光模塊。

按模式分類：

纖分為單模光纖、多模光纖。為了使用不同類別的光纖，產(chǎn)生了單模光模塊、多模光模塊。

單模光模塊與單模光纖配套使用。單模光纖傳輸頻帶寬，傳輸容量大，適用于長距傳輸。

多模光模塊與多模光纖配套使用。多模光纖有模式色散缺陷，其傳輸性能比單模光纖差，但成本低，適用于較小容量、短距傳輸。

中心波長指光信號傳輸所使用的光波段。目前常用的光模塊的中心波長主要有三種：850nm 波段、1310nm 波段以及 1550nm 波段。

850nm 波段：多用于≤2km 短距離傳輸

1310nm 和 1550nm 波段：多用于中長距離傳輸，2km 以上的傳輸。

按傳輸距離分類：

根據(jù)光模塊傳輸距離的不同，大體可以分為：

短距離光模塊，一般認(rèn)為2km及以下為短距離。

中距離光模塊，10～20km為中距離。

長距離光模塊：一般指傳輸距離為30Km以上的光模塊。

光模塊的傳輸距離受到限制，主要是因?yàn)楣庑盘栐诠饫w傳輸時會有一定的損耗和色散。

損耗是光在光纖中傳輸時，由于介質(zhì)的吸收散射以及泄漏導(dǎo)致的光能量損失，這部分能量 隨著傳輸距離的增加以一定的比率耗散。

色散的產(chǎn)生主要是因?yàn)椴煌ㄩL的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時速度不等，從而造成光信號 的不同波長成分由于傳輸距離的累積而在不同的時間到達(dá)接收端，導(dǎo)致脈沖展寬，進(jìn)而無 法分辨信號值。

其他光模塊：

彩色光模塊：

彩色光模塊與其它類型的光模塊的最大的區(qū)別是中心波長不同，一般的光模塊的中心波長有850nm、1310nm和1550nm。彩色光模塊承載了若干不同中心波長的光。彩色光模塊分為粗集波光模塊（CWDM）和密集波光模塊（DWDM）兩種。在同一波段下，密集波光模塊的種類更多，所以密集波光模塊對波段的資源利用更充分。中心波長各異的光在同一根光纖中可以互不干涉的傳輸，因此，通過無源合波器將來自多路彩色光模塊不同中心波長的光合成一路進(jìn)行傳輸，遠(yuǎn)端則通過分波器根據(jù)不同的中心波長將光分出多路，有效的節(jié)省了光纖線路。彩色光模塊主要應(yīng)用于長距離的傳輸線路。

使用長距光模塊，其發(fā)送光功率一般大于過載光功率，因此需要關(guān)注光纖長度，保證實(shí)際接收光功率小于過載光功率。如果光纖長度較短，使用長距光模塊時需要配合光衰使用，注意不能燒壞光模塊。

光電模塊

光電模塊通常稱為電模塊，又叫做光轉(zhuǎn)電模塊、RJ45模塊，與光模塊不同，電模塊不進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。通過電模塊的轉(zhuǎn)接，可以用網(wǎng)線將兩個光接口連接起來。目前華為只提供GE電模塊，接口為RJ45接口，使用5類網(wǎng)線，支持1000BASE-T（IEEE 802.3ab）標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸距離為100m。

光模塊的命名規(guī)則

100G光模塊命名規(guī)則：

100G光模塊的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)組織主要有兩個，IEEE和MSA，兩者之間互補(bǔ)而又互相借鑒。其中100GBASE開頭的標(biāo)準(zhǔn)都是IEEE802.3提出的，命名規(guī)則如下：

圖：光模塊命名規(guī)則

每個字段具體規(guī)則如下：

第一個字端：XXX，表示速率，速率標(biāo)準(zhǔn)；100就是指100GE。

m：表示傳輸距離，常見距離有如下幾種：

KR：表示傳輸距離為10cm級，K即backplane，為背板之間的信號傳輸距離。

CR：表示傳輸距離為米級，C即copper，高速線纜連接。

SR：表示傳輸距離為10m級，S級short，短距離傳輸，一般為多模光纖。

DR：表示傳輸距離為500m。PSM4是500米傳輸，但是不屬于IEEE的標(biāo)準(zhǔn)體系。

FR：表示傳輸距離為2km。通常是CWDM單模

LR：表示傳輸距離為10km，L即Long。單模光纖

ER：表示傳輸距離為40km，E即Extended。

ZR：表示傳輸距離為80km。

n：表示通道數(shù)量，表示100GE占用的SerDes通道數(shù)量。

4：表示占用4個SerDes通道，即4*25GE。

10:表示占用的10個SerDes通道，即10*10GE。

除了以上規(guī)則，一般在后面還會有封裝類型。

光模塊的演進(jìn)歷程

以太網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)歷了1Mbit/s、10Mbit/s、100Mbit/s（FE）、1Gbit/s(GE)、10Gbit/s（10GE）到40Gbit/s(40GE）、100Gbits(100GE)的迅速變遷，隨著大數(shù)據(jù)、智慧城市、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算等業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)流量已經(jīng)呈現(xiàn)指數(shù)增長。對帶寬持續(xù)增長的渴求將需要更高的帶寬速率，光模塊也將快速發(fā)展。

在當(dāng)前主流數(shù)據(jù)中心的物理架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，普遍遵循Spine-Leaf（Clos網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）架構(gòu)。通常以10GE接口作為接入側(cè)服務(wù)器對接，Leaf側(cè)上的上行鏈路則普遍采用40GE接口。在大型數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中心，已經(jīng)普遍使用25G作為主流接入，100G上行鏈路。在需要高計算，高帶寬的場景中，使用RDMA技術(shù)，GPU服務(wù)器等已經(jīng)使用了100GE，甚至200GE接入的。數(shù)據(jù)中心交換機(jī)互聯(lián)正在向大規(guī)模400GE互聯(lián)演進(jìn)。

Clos網(wǎng)絡(luò)可參考：Clos網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

25GE標(biāo)準(zhǔn)：

25GE標(biāo)準(zhǔn)方案的誕生是在2014年的IEEE北京會議中，微軟率先提出了25GE的立項(xiàng)需求，用于制定TOR與Server互聯(lián)場景，但I(xiàn)EEE大會以25GE會分散業(yè)內(nèi)投資、不利于行業(yè)發(fā)展為理由拒絕了25GE標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)需求。由于25GE方案能夠解決服務(wù)器網(wǎng)卡從10Gbit/s遷移至40Gbit/s帶來的CPU性能提升、PICE位帶寬匹配等一系列問題，微軟、高通等廠商自主成立了25GE以太網(wǎng)聯(lián)盟，投入25GE方案的研究。IEEE不希望25GE游離于組織標(biāo)準(zhǔn)外而成為事實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，在同年7月通過了25GE項(xiàng)目。隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，事實(shí)證明25GE規(guī)范能夠經(jīng)濟(jì)高效地擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)帶寬，為新一代的服務(wù)器和存儲方案提供更好的支撐，將來會覆蓋更多的互聯(lián)場景。

25GE標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)目前主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器接入。將從以下幾個方面來解讀為什么數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的接入速率是25Gbit/s，而不是已有的40Gbit/s。

一、技術(shù)實(shí)現(xiàn)的天然優(yōu)勢。

提及25GE標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，就必須提到SerDes（串行器/解串器）。SerDes被廣泛地應(yīng)用在各種電路與光纖通信技術(shù)中，從計算機(jī)內(nèi)部使用的PCIe到網(wǎng)卡、交換機(jī)內(nèi)部芯片之間的互聯(lián)，全部采用SerDes連接?？梢哉f，所有的高速器件都是使用SerDes的串行組件連接，轉(zhuǎn)化為最終接收器的數(shù)據(jù)**。一個交換機(jī)端口所需要的SerDes連接數(shù)量稱為“通道數(shù)（Lane）**”。

經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，SerDes速度可以達(dá)到25Gbit/s，也就是說，從25Gbit/s網(wǎng)卡出來，經(jīng)過交換機(jī)傳輸?shù)搅硪欢说?5Gbit/s網(wǎng)卡，端到端的所連接全都只需要使用一條25Gbit/s速率的SerDes連接通道即可，而40GE端口則采用QSFP封裝類型，利用4個并行的10GE鏈路構(gòu)成（每個10GE利用12.5GHz SerDes），需要4個SerDes通道。

另外，在匯聚層和骨干層已經(jīng)成為主流的100GE端口，在前期的探索中已經(jīng)有了成熟的IEEE 100Gbit/s 以太標(biāo)準(zhǔn)，它包括4個通道的25 Gbit/s電子信號，通過在4根光纖或者銅纜對上運(yùn)行4個25Gbit/s的通道（IEEE 802.3bj）來實(shí)現(xiàn)，為了25GE標(biāo)準(zhǔn)方案的誕生奠定了一定的基礎(chǔ)。而且100GE端口通過一條QSPF28轉(zhuǎn)SFP28的一分四線纜，即可轉(zhuǎn)換成4個25GE端口，從端口匹配來比較，相較于40GE也有明顯的優(yōu)勢。

二、交換機(jī)性能提升

如果說40GE是10Gbit/s速率時代的產(chǎn)物，那么25GE則是技術(shù)上的大勢所趨，單通道的25GE相比現(xiàn)有的10GE解決方案，將性能提升了2.5倍。同時，相對于機(jī)架服務(wù)器連接的40GE解決方案而言，25GE擁有更高的端口密度。

25GE標(biāo)準(zhǔn)與40GE標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)對比如下：

三、現(xiàn)有拓?fù)淦交葸M(jìn)，降低成本

資本支出（CapEx）是采用任何新數(shù)據(jù)中心技術(shù)都需重點(diǎn)考慮的因素之一。企業(yè)最關(guān)心數(shù)據(jù)中心部署的一個方面是布線。很多工作工程師認(rèn)為數(shù)據(jù)中心管理中最復(fù)雜的、最困難的部分就是布線，大多數(shù)工程師在安裝一次線纜后都希望不再觸碰它們。

40GE交換機(jī)上使用的是QSFP+封裝的光模塊，機(jī)柜內(nèi)部或者相鄰機(jī)柜的連接可以采用QSFP+的DAC線纜，而更遠(yuǎn)的連接就必須使用QSFP+光模塊配合MPO光線纜進(jìn)行傳輸，QSFP+光模塊普遍采用12芯光纖，相比10GE接口，兩芯LC接口光纖的成本大大提高，而且完全不能兼容。如果考慮基于現(xiàn)有10GE升級到40GE的話，則全部的光纖線纜都要廢棄，并且采用MPO光纜進(jìn)行重新布線。

25GE交換機(jī)上使用的SFP28封裝類型的光模塊，與10GE SFP封裝類型的光模塊一樣，僅采用單通道連接，可以兼容現(xiàn)有拓?fù)涞腖C連接頭類型的光纖。相較于從10GE升級到40GE而言，如果升級到25GE的話，支持從10GE以太網(wǎng)無縫遷移，無需重新規(guī)劃拓?fù)湟约爸匦虏季€，設(shè)備升級或者更換為25GE光模塊后，可以即插即用，省心省力。

相較于機(jī)架服務(wù)連接的40Gbit/s解決方案而言，25GE標(biāo)準(zhǔn)方案不僅可以利用當(dāng)前10GE的拓?fù)淦交葸M(jìn)，還可以大幅度降低TOR交換機(jī)和線纜的采購支持，減少了電力、散熱和占地空間的需求。

100GE標(biāo)準(zhǔn)：

提到100GE標(biāo)準(zhǔn)，就得說一說光模塊的標(biāo)準(zhǔn)化組織。在光模塊產(chǎn)業(yè)剛剛起步的時代，產(chǎn)業(yè)鏈較為混亂，每家廠商有各自的封裝結(jié)構(gòu)類型，尺寸外觀也是五花八門。IEEE作為一個官方組織，IEEE 802.3工作組對光模塊標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一起到了關(guān)鍵作用。區(qū)別于官方組織IEEE，MSA（Multi Source Agreement，多源協(xié)議）算是一個非官方的組織形式，作為產(chǎn)業(yè)內(nèi)企業(yè)聯(lián)盟行為，針對不同光模塊的標(biāo)準(zhǔn)形成一致協(xié)議，定義統(tǒng)一的光模塊結(jié)構(gòu)封裝（封裝類型、外觀尺寸、引腳分配等）。

IEEE早在2006年就成立了以研究下一代高速以太網(wǎng)100GE標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)的工作組，并與2012年發(fā)布了關(guān)于100GE的多個標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足不同距離的100GE上行場景需求，IEEE與MSA定義的100GE標(biāo)準(zhǔn)超過了10種，如下表所示，下面主要是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中主流的幾種標(biāo)準(zhǔn)。

100GBASE系列標(biāo)準(zhǔn)都是由IEEE 802.3制定的，具體命名規(guī)則已經(jīng)在光模塊命名那節(jié)已列出。

光纖的傳輸特性和光模塊的制造成本決定了不同的應(yīng)用場景，多模常用于短距離傳輸，單模常用于長距離傳輸。由前面總結(jié)可知，IEEE的100GBASE系列標(biāo)準(zhǔn)足以覆蓋長短距離的數(shù)據(jù)中心傳輸，100GBASE-SR4和100GBASE-LR4是IEEE定義的最為常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。但在大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)場景中，100GBASE-SR4支持的距離過短，100GBASE-LR4的成本過高。MSA提出的PSM和CWDM4標(biāo)準(zhǔn)則完美解決了中距離傳輸場景中的成本問題。

CWDM4是通過光學(xué)器件MUX和DEMUX將4條并行的25Gbit/s通道波峰復(fù)用到一條100Gbit/s光纖鏈路上，這一點(diǎn)與LR4類似，區(qū)別如下。

通道間隔不同：

CWDM4定義的是20nm的通道間隔，而LR4定義的是4.5nm的LAC-WDM間隔。通道間隔越大，對光學(xué)器件的要求越低，成本也隨之降低。

激光器不同：

CWDM使用的是DML（Direct Modulated Laser，直接調(diào)制激光器），是單個激光器。而LR4使用的EML（Electro-absorption Modulated Laser，電吸收調(diào)制激光器）是由DML和EAM組成的器件。

控溫要求不同：

由于LR4的通道間隔為4.5nm，激光器需要放置TEC（Thermo Electric Cooler，半導(dǎo)體熱電制冷器）Driver芯片。

總結(jié)以上3點(diǎn)，100GBASE-LR4標(biāo)準(zhǔn)的光模塊成本相較于100G WDM4成本更高。除了CWDM之外，PSM4也是中距離傳輸?shù)囊环N選擇方案。100G PSM4規(guī)范定義了8根單模光纖（4發(fā)4收）的點(diǎn)對點(diǎn)100Gbit/s鏈路，每個通道以25Gbit/s的速率發(fā)送，每個信號方向使用4個相同波長且獨(dú)立的通道。

由于CWDM4使用了波分復(fù)用器，所以光模塊成本高于PSM4。但在收發(fā)信號時，只需要兩根單膜光纖，遠(yuǎn)少于PSM4要求的8根單膜光纖。隨著傳輸距離的增加，PSM4的成本隨之增加。

完整的光模塊解決方案不僅僅包括光模塊的光電接口標(biāo)準(zhǔn)，還需要配套的結(jié)構(gòu)封裝。如下表，最早被提出應(yīng)用的封裝格式時CFP，但由于尺寸問題，隨著光模塊集成度的提高，CFP得以演進(jìn)到CFP2、CFP4，再到盛行的QSFP28，光模塊的總體發(fā)展呈現(xiàn)出高速率、高密度、低成本、低功耗的趨勢。

下表是100GE光模塊封裝格式演進(jìn)趨勢：

經(jīng)過幾代的發(fā)展，100GE光模塊的發(fā)展已經(jīng)成熟。針對一些新技術(shù)應(yīng)用和新的發(fā)展方向，不斷有新的100G MSA成立和形成規(guī)范，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)發(fā)展。對于網(wǎng)絡(luò)來講，更高帶寬、更低時延時我們面臨的永無止境的挑戰(zhàn)。

400GE標(biāo)準(zhǔn)：

400GE以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)仍然由IEEE 802.3負(fù)責(zé)，自2013年起IEEE就實(shí)現(xiàn)了400GE標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)，啟動了學(xué)習(xí)小組階段性地對400GE的規(guī)格進(jìn)行探討。經(jīng)過多次技術(shù)競爭和方案會議，400GE和200GE標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3bs正式發(fā)布，其中關(guān)鍵技術(shù)在于層次化結(jié)構(gòu)定義、FEC規(guī)范以及物理光接口傳輸機(jī)制。400GE標(biāo)準(zhǔn)主要采用的物理層技術(shù)方案和傳輸距離如下表所示。

其中，基于多模光纖的SR16基本無人問津，基于PAM4電信號的調(diào)制技術(shù)的DR4、FR8和LR8成為矚目的焦點(diǎn)。區(qū)域于之前100GE標(biāo)準(zhǔn)普遍采用的NRZ信號傳輸技術(shù)（采用高、低兩種電平表示數(shù)字邏輯信號0和1），PAM4采用4個不同的信號電平進(jìn)行傳輸，每個時鐘周期可以傳輸2bit的邏輯信息（即00、01、10、11）。因此，在同一的波特率的條件下，PAM4的傳輸效率是NRZ信號的2倍。正式因?yàn)镻AM4高效的傳輸效率，IEEE將其規(guī)范為400GE標(biāo)準(zhǔn)的電信號標(biāo)準(zhǔn)。

前面提到，SerDes速度可以達(dá)到25Gbit/s，通過PAM4調(diào)制可以使對應(yīng)比特率為50Gbit/s，所以通常將IEEE 802.3 400GE/200GE接口中的編碼技術(shù)成為50Gbit/s/lane PAM4編碼技術(shù)。

400GE光模塊封裝格式綜合比較：

以上三種400G光模塊封裝結(jié)構(gòu)，目前市場對OSFP-DD的支持力度相對最大，其生態(tài)圈也是最為成為。主流光模塊廠商所生產(chǎn)的400G光模塊，最常見的就是OSFP-DD封裝，同時也包括主流交換機(jī)，主流商業(yè)PHY芯片等都對OSFP-DD的支持最為廣泛。OSFP-DD和OSFP都是電口支持8 * 50G PAM4信號，光口最高可支持8路并行，能耗較低，CFP8電口支持16 * 25G NRZ信號，光口最高支持16路并行，功耗相對較高。

相較于400GE標(biāo)準(zhǔn)，200GE雖然起步較晚，但從目前情況來看，各廠家均比較傾向于采用4 * 56 Gbit/s PAM4方式， 光器件即可采用現(xiàn)有的28Gbit/s器件。從應(yīng)用角度來看，200GE光模塊的實(shí)現(xiàn)難度低，在數(shù)據(jù)中心場景中的應(yīng)用可能早于400GE，為自身的定位保留的窗口的可能。但隨著單波100GE技術(shù)研究的不斷深入，短距400GE光模塊在數(shù)據(jù)中新場景中將會得到更多的青睞。

更高速率800GE，1.6T：

面對新的應(yīng)用，以太網(wǎng)的速率也在不斷增長，如下圖所示，從最初的10M,100M到最近標(biāo)準(zhǔn)化的400G,接口速率已經(jīng)翻了4萬倍。進(jìn)一步應(yīng)對數(shù)據(jù)中心每兩年交換機(jī)容量翻一倍的需求，于2018年，以太網(wǎng)聯(lián)盟就已經(jīng)明確了在未來的幾年內(nèi)，將推出下一代以太網(wǎng)速率，800G和1.6T。

光模塊提升帶寬的方法有兩種：

提高每個通道的比特速率

增加通道數(shù)。

10G到40G，提升的是通道數(shù)。從40G到100G，提升的是單通道的波特率（10G->25G）。

光模塊主要廠家

光器件及芯片是光通信企業(yè)最核心的技術(shù)競爭力，尤其以光通信芯片為最。而我國光器件 及芯片企業(yè)整體實(shí)力較弱，產(chǎn)品主要集中在中低端領(lǐng)域，在 10G 以上速率的有源器件和 100G 光模塊還需突破。

國內(nèi)芯片供不應(yīng)求態(tài)勢仍將持續(xù)。中國光器件廠商普遍規(guī)模偏小、實(shí)力偏弱，難以單獨(dú)承 受高端器件及芯片高額的研發(fā)費(fèi)用。極少能研發(fā)高端芯片的廠商也面臨核心專利被國外壟斷 的風(fēng)險。即使在門檻較低的接入網(wǎng)市場，其芯片也難以自給自足，需要向外采購。

在芯片層面仍然主要依賴國外芯片廠商。

光模塊產(chǎn)業(yè)鏈：

產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步向中國集中，國內(nèi)光模塊供應(yīng)商開始主導(dǎo)全球市場，市場份額有望超 50%。 LightCounting 最近一期調(diào)查報告指出，來自中國的中際旭創(chuàng)、海信、光迅科技、華工 正源和新易盛等 5 家光模塊廠商有望在 2020 年進(jìn)入全球前十，主導(dǎo)全球光模塊市場， 對比 2010 年時只有一家中國企業(yè)進(jìn)入前十。中際旭創(chuàng)有望在 2020 年終結(jié) Finisar 的“連 冠”記錄，登頂光模塊前十排行榜。

光模塊廠商份額：

光模塊生產(chǎn)廠家世界前幾大巨頭：

Finisar(菲尼薩)，總部位于美國硅谷，F(xiàn)inisar 是光通信領(lǐng)域的全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，是全球最大的光通信器件產(chǎn)品的供應(yīng)商。

JDSU（捷迪訊），總部位于美國，目前全球最大光纖零件供應(yīng)商，

光通訊領(lǐng)域巨頭之一。

Oclaro(合并Opnext)

Avago（安華高科技）。

Oplink，總部美國，為全球著名企業(yè)美國科氏（Koch）工業(yè)集團(tuán)下屬莫仕（Molex）公司之全資企業(yè)，致 力于為各種應(yīng)用提供創(chuàng)新型光纖集成解決方案。分公司-光聯(lián)通訊（珠海）有限公司則是全 球最重要的光無源和有源通訊器件、模塊及子系統(tǒng)供應(yīng)商之一。

Source Photonics （索爾思）EML，是一家領(lǐng)先的光通信產(chǎn)品供應(yīng)商，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電信系統(tǒng)和 數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)。

國內(nèi)目前具備一定影響力的廠商：

Netphotonics新飛通（深圳），總部，美國。光電元器件、光電通訊系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品等。

光迅（Accelink）（WTD），武漢，全球領(lǐng)先的光電子器件廠商。

海信（HISENSE）

旭創(chuàng)（InnoLight），蘇州。

飛博創(chuàng)（FIBERXON），總部，美國。以技術(shù)和市場為主導(dǎo)，剝離生產(chǎn)環(huán)節(jié)的典型硅谷高科技公司。

亦飛揚(yáng)（Gigalight），光網(wǎng)絡(luò)中間件，致力于全球光網(wǎng)絡(luò)中間件最優(yōu)秀的提供商和設(shè)計大成者。

新易盛，點(diǎn)對點(diǎn)光模塊，一直專注于光模塊的研發(fā)。

華工科技，光電器件。

天孚通信，連接細(xì)分行業(yè)，光纖連接細(xì)分行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。

劍橋科技

光模塊失效的原因以及故障處理

光模塊失效的主要原因：

光口污染和損傷引起光鏈路損耗變大，導(dǎo)致光鏈路不通。光口污染和損傷的原因主要有：

光模塊的光口暴露在環(huán)境中，光口有灰塵進(jìn)入而污染。

使用的光纖連接器端面已經(jīng)污染，光模塊的光口被二次污染。

帶尾纖的光接頭端面使用不當(dāng)，比如：端面劃傷等。

使用了劣質(zhì)的光纖連接器。

這種情況下，對于污染的光口請用光口清潔棒等專用工具輕輕擦拭，對于損壞、劃傷的尾纖請直接更換。

在日常處理故障鏈路過程中：

常見鏈路故障原因，由光模塊引起的主要有：

以下情況：是個人在日常工作中通過解決大量故障鏈路總結(jié)而來。

發(fā)現(xiàn)無法識別的光模塊，可重新插拔或者更換光模塊。

發(fā)現(xiàn)接口抖動的情況，可能原因是光模塊有問題，導(dǎo)致接口有錯誤包，或者光纖有問題。解決辦法：首先查看兩邊收發(fā)光是否正常，其次判斷兩邊接口下是否有error包，crc包，丟包等。一般是入方向有error包，crc包，此時可通過更換對端光模塊嘗試解決。

一般情況下，如果發(fā)現(xiàn)接口出方向有丟包，可通過更換光模塊嘗試解決。

鏈路down的情況，可查看是否是err-down，這種情況一般是是有錯誤包過多導(dǎo)致的，或者光纖問題。如果有錯誤包，可直接更換光模塊嘗試恢復(fù)。err-down的端口，在更換光模塊后一般需要手動shutdown，no/undo shutdown才能恢復(fù)。

RX / TX low的情況導(dǎo)致接口不up的情況：

如果TX low：是本端沒發(fā)光，現(xiàn)判斷本端端口是否關(guān)閉，如果沒有關(guān)閉，插拔或者更換光模塊嘗試解決。

如果RX low：是收光低，可能是對端光模塊發(fā)光低，也可能是光纖問題，或者本端光模塊可能也有問題。需要通過更換嘗試解決。

通過將兩個端口自環(huán)測試，可確定是光模塊問題還是交換機(jī)端口有問題。

光模塊對接問題

光模塊對接時主要考慮以下原則：接口標(biāo)準(zhǔn)類型相同理論上即可對接，但實(shí)際使用時要注意下收發(fā)光功率范圍和傳輸距離。

影響光模塊對接的主要因素：

　　審核編輯：湯梓紅