Apr. 28, 2022

大數據通訊與電信網路的關鍵橋樑 – 光模組(Optical Module)

人類在古代時就懂得使用狼煙，飛鴿傳書等的方式來傳送信息，而工業革命後出現了電報，直到現代的網絡，通信技術不斷進化發展。

在資料中心(Data Center)不斷增長的互聯網流量需求的推動下，目前發展的主流已是400Gbps。這個資訊流量爆發的年代，可以預期 800 Gbps或 1600 Gbps 的發展距離不會離我們太遠。

乙太網路(Ethernet)，IEEE組織的IEEE 802.3制定了乙太網路的技術標準。從1997年的1 Gbps到2004年的10 Gbps，2002到2006年間完成10Gb乙太網路協議之後，出現了長時間的停滯。經過了8年，新一代的40GbE與100GbE才於2010年標準化。

早期的網路通信方式是使用電作信號的傳遞，用導線作為信號傳遞的媒介，但不管是什麼類型的導體都有阻抗存在，阻抗愈大訊號容易被衰減且資料愈容易丟失，導致傳輸的距離會有所侷限。西元1966年高錕做出突破性的實驗，利用光在石英基玻璃纖維可以做長距離傳遞信息，打破早期玻璃纖維在早期只能短距離傳輸的理論，也建立了未來使用光纖傳輸的開端。

圖一、乙太網路發展演進圖（圖片來源 : Ethernet Alliance）

光纖相較於銅線具有傳輸容量大、損耗小、傳輸距離長與保密性好等許多優點

表一、導線與光纖的比較表

如表一所示，導線本身特性無法實現高速信號的長距離傳輸，限制了它的進一步發展。用電傳輸信號，隨著傳輸距離增加損耗愈大，信號衰減愈厲害，會造成接收端的判斷錯誤，導致通信失敗。為了克服這個限制，光模組因此出現。

光模組一開始不像Type-C，HDMI等常見的接頭外觀形式較單一容易分辨，跟隨者傳輸的速度或是距離有著不同的規格如SFP、SFP+、SFP28、QSFP+和QSFP28等等，讓人眼花撩亂。

目前較廣泛使用在光纖傳輸的封裝規格是QSFP(Quad Small Form-factor Pluggable)，QSFP是為了滿足對更高密度的高速熱插拔需求而誕生。

光模組的種類雖然有很多種，外觀結構也不盡相同，但其功能都是相同的，都是負責把電信號轉成光信號，再藉由光纖傳輸，傳到信號接收端後再轉成電信號解析，實現光信號傳輸過程中的電子器件。

圖二、光模組的作用

封裝(Form Factor)

封裝(Form Factor)是區分光模組的最主要方式。剛接觸光通信的人可能會因為規格太多而眼花撩亂，之所以會存在如此多的封裝標準，主要是因為光纖通信技術的發展速度突飛猛進。

速率不斷提升，體積不斷縮小，以至於每隔幾年，就會出現新的封裝標準。新與舊的封裝標準，通常也很難彼此相容。

因此MSA(Multi-source agreements) 和 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)訂製了規範標準，保證不同品牌廠商的光模組保有相同的外形和功能。這樣做不僅可以確保相容性，還可以防止光模組市場被更大的製造商壟斷，最終降低用戶的成本。

依據傳輸速度的演進可分為下列幾種

QSFP : 傳輸速率為4×1Gbps，相較SFP(small form-factor pluggable)每通道1Gbps傳輸速率，QSFP支援四通道同時傳輸實現4Gbps傳輸速率。
QSFP+ : 傳輸速率為4×10Gbps，相較SFP+每通道10Gbps傳輸速率，QSFP+支援四通道同時傳輸實現40Gbps傳輸速率。
QSFP28 : 傳輸速率為4×25Gbps，可使用於100Gbps網路傳輸。QSFP28產品類型眾多，實現100G傳輸的方式各有不同，如4×25Gbps或是2×50Gbps。
QSFP56 : QSFP56是QSFP28的升級版。它使用與之前QSFP28相同的物理規格，最大的改進是調變技術。使用PAM4替代 QSFP28的NRZ。
QSFP-DD : DD指的是Double Density(雙倍密度) ，將QSFP的4通道增加了一排，變成8通道。若採用NRZ資料格式，傳輸速率可達200Gbps；若採用PAM4資料格式，每個通道傳輸速率可達50Gbps(或25Gbuad)，可實現400Gbps的傳輸