科技的飛速發展，使人們的生活日新月異。5G、大數據、區塊鏈、云計算、物聯網以及人工智能等應用市場快速發展，給數據流量帶來了爆炸性增長，數據中心互聯逐漸發展成為光通信的研究熱點。當前高速光模塊應用場景主要分為互聯網數據中心網絡和城域網光傳送網絡及以5G承載網為代表的電信網絡。

光模塊在數據中心的應用

現在的數據中心已不再僅僅是一座或幾座機房，而是一組數據中心集群。為實現各種互聯網業務和應用市場的正常工作，要求數據中心之間協同運轉。數據中心之間信息實時海量交互，這就產生了數據中心互聯網絡需求，光纖通信則成為了實現互聯的必要手段。

與傳統的電信接入網傳輸設備不同，數據中心互聯要實現信息量更大、更密集的傳輸，就要要求交換設備擁有更高速率、更低功耗，以及更加小型化。而決定這些性能是否能夠實現的一個核心因素，則是光模塊。信息網絡主要以光纖作為傳輸介質，但目前計算、分析還必須基于電信號，而光模塊就是實現光電轉換的核心器件。

數據中心通信光模塊可按照連接類型分為三類：

（1）數據中心到用戶，由訪問云端進行瀏覽網頁、收發電子郵件和視頻流等終端用戶行為產生；

（2）數據中心互聯，主要用于數據復制、軟件和系統升級；

（3）數據中心內部，主要用于信息的存儲、生成和挖掘。根據預測，數據中心內部通信占數據中心通信70％以上的比例，數據中心建設的大發展，也就催生了高速光模塊的發展。

數據流量持續增長，數據中心大型化、扁平化趨勢推動光模塊向兩方面發展：

· 傳輸速率需求提升

· 數量需求增長

數據中心大型化趨勢導致傳輸距離需求提升，多模光纖的傳輸距離受限于信號速率的提升，預計將逐漸被單模光纖代替。而光纖鏈路成本由光模塊和光纖兩部分組成，針對不同的距離，也有不同的適用方案。就數據中心通信所需的中長距離互聯而言，有著誕生自MSA的兩種革命性方案：

· PSM4（Parallel Single Mode 4 lanes）

· CWDM4（Coarse Wavelength Division Multiplexer 4 lanes）

其中，PSM4光纖使用量是CWDM4的4倍，當鏈路的距離較長時，CWDM4方案成本則相對較低。

國內外數據中心光模塊的應用有所區別。

美國數據中心內部交換機互連以單模光纖為主，在100G時代廣泛采用CWDM4/PSM4光模塊， 400G時代目前以DR4為主；服務器與交換機互連大多采用電纜DAC。隨著時間的推移和模塊速率的提升，美國數據中心內部互聯方案中多模光纖和直連電纜DAC的比重將越來越低。

中國數據中心內部交換機互連以多模光纖為主，單模光纖占比逐漸上升。目前國內400G的需求很少，在100G時代采用SR4/CWDM4模塊，服務器和交換機之間的互連大多采用有源光纜AOC。

光纖傳送網中的翹楚：CWDM光模塊

CWDM光模塊采用CWDM技術，可以通過外接波分復用器，將不同波長的光信號復合在一起，通過一根光纖進行傳輸，從而節約光纖資源。同時，接收端需要使用波分解復用器對復光信號進行分解。

CWDM光模塊通常用于CWDM系統內，比DWDM光模塊的成本要低，應用也十分廣泛。在一個CWDM系統內，CWDM光模塊插在交換機里，用跳線將CWDM光模塊和CWDM分解復用器或OADM光分插復用連接進行工作。

CWDM光模塊在CWDM系統內發揮了巨大的作用，成功解決了光纖傳送網中的問題。CWDM光模塊有8大優勢，總結如下：

1、對數據的“透明”傳輸；

2、超大容量，充分利用光纖巨大的帶寬資源；

3、大大節省了光纖資源，降低建設成本；

4、高度的組網靈活性、經濟性以及可靠性；

5、可全光網交換，實現長距離的無電中繼傳輸；

6、簡化的激光器模塊，從而減小了設備的體積，節約機房空間；

7、光層恢復獨立于業務和速率，可對數據進行有效保護；

8、無需半導體制冷器和溫度控制功能，所以可以明顯減小功耗，僅為DWDM的12.5%。

5G承載光模塊應用場景

5G時代即將到來，為光通信領域帶來無限的商機，基于5G基站的光模塊成為近兩年的研究熱點。5G承載網絡一般分為城域接入層、城域匯聚層、城域核心層/省內干線，實現5G業務的前傳和中回傳功能，其中各層設備之間主要依賴光模塊實現互連。

5G前傳網絡條件下25Gb/s（eCPRI/CPRI）速率模塊以SFP28為主，雙纖雙向、單纖雙向、25G WDM（包含Tunable波長可調諧）模塊等方案可減少光纖使用量大幅降低建設成本。

中傳可利用現有成熟的25G光器件，采用PAM4技術將光器件帶寬提升一倍；10km和40km傳輸距離將覆蓋90%以上的應用場景，超過80km的傳輸距離則采用相干技術。

5G光模塊典型應用場景及需求分析如表1所示。

5G前傳的典型應用場景如圖2所示，包括光纖直連、無源WDM和有源WDM/光傳送網（OTN）/切片分組網（SPN）等。光纖直連場景一般采用25Gb/s灰光模塊，支持雙纖雙向和單纖雙向兩種類型，主要包括300m和10km兩種傳輸距離。無源WDM場景主要包括點到點無源WDM和WDM-PON等，采用一對或一根光纖實現多個AAU到DU間的連接，典型需要10Gb/s或25Gb/s彩光模塊。有源WDM/OTN場景，在AAU/DU至WDM/OTN/SPN設備間一般需要10Gb/s或25Gb/s短距灰光模塊，在WDM/OTN/SPN設備間需要N×10/25/50/100Gb/s等速率的雙纖雙向或單纖雙向彩光模塊。

圖2 | 5G前傳典型應用場景

5G前傳應用場景對光模塊的典型要求如下：

（1） 滿足工業級溫度范圍，可靠性要求高：考慮AAU全室外應用環境，前傳光模塊需滿足-40℃~+85℃的工業級溫度范圍，以及防塵等要求。

（2） 低成本：5G光模塊總需求量預計超過4G，尤其前傳光模塊可能存在數千萬量級的需求，低成本是產業對光模塊的主要訴求之一。5G中回傳覆蓋城域接入層、匯聚層與核心層，所需光模塊與現有傳送網及數據中心使用的光模塊技術差異不大，接入層將主要采用25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s等速率的灰光或彩光模塊，匯聚層及以上將較多采用100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等速率的DWDM彩光模塊。

5G承載光模塊發展現狀

目前，國內外標準化組織國際電聯（ITU-T）、電氣和電子工程師協會（IEEE）、光互聯論壇（OIF）、4WDM等多源協議（MSA）、中國通信標準化協會（CCSA）等正在開展5G承載相關的光模塊規范制定，涉及的模塊類型和接口特性各不相同、種類繁雜。前傳光模塊主要包括25Gb/s和100Gb/s兩大速率類型，支持數百m到20km的典型傳輸距離，具體技術現狀如表2所示。

5G中回傳光模塊主要包括25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等多種速率，典型傳輸距離從幾km到數百km，支持CPRI、eCPRI、以太網、OTN等多種接口協議，以及NRZ、PAM4、DMT等調制格式，具體技術現狀如表3所示。

隨著光器件芯片技術、標準和應用需求的發展，未來光模塊類型可能還會增加。過多的產品類型和規格將導致光模塊整體產業市場碎片化，造成產業鏈上下游研發、制造與運維等諸多環節資源浪費。

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