“網絡”，對於大部分當代人來說已經成為了“必需品”。大家也常有對於這一現象的調侃，比如以下這個“被與時俱進”的馬斯洛需求層次理論：
這樣便利的網絡時代之所以能夠到來，“光纖通信技術”可謂是功不可沒。
1966年，英籍華人高琨提出了光導纖維的概念，在全世界範圍內掀起了發展光纖通信的高潮。1978年工作於0.8μm的第一代光波系統被正式投入商業應用，而早期採用多模光纖的第二代光波通信系統，也很快在20世紀80年代初問世。到1990年，工作於2.4Gb/s，1.55μm的第三代光波系統，則已能提供商業通信業務了。
光纖
“光纖之父”高琨，因在“有關光在纖維中的傳輸以用於光學通信方面”做出了突破性貢獻，其被授予了2009年的諾貝爾物理學獎。
圖片來源：tupian.baike.com
光纖通信如今已成為現代通信的主要支柱之一，在現代電信網中起著舉足輕重的作用。也被看作是世界新技術革命的重要標誌，以及未來信息社會中各種信息的主要傳送工具。
近年來，大數據、雲計算、5G、物聯網以及人工智能等應用市場快速發展，將要來臨的無人駕駛應用市場，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。
谷歌大型數據中心內部
目前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，數據中心互聯需要實現信息量更大、更密集的傳輸，就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，則是其中的光收發模塊。
關於光收發模塊的一些基礎知識
信息網絡主要以光纖作為傳輸介質，但目前計算、分析還必須基於電信號，光收發模塊是實現光電轉換的核心器件。
光模塊的核心組件由Transimitter（光發射次模塊）/Receiver（光接收次模塊）或Transceiver（光收發一體模塊）、電芯片，另外還包括透鏡、分路器、合束器等無源器件及外圍電路組成。
在發射端：電信號通過Transimitter轉換為光信號，再由光適配器輸入到光纖；在接收端：光纖中的光信號通過光適配器被Receiver接收並轉變成電信號，並輸送到計算單元進行處理。
光收發模塊示意圖
伴隨著光電集成技術的發展，光收發模塊的封裝形式也經歷了一些變化。在光模塊行業成型之前，早期由各大電信設備製造商各自開發，接口五花八門，不能通用，這樣導致光收發模塊不能互換。為了行業的發展，最終“多源協議（MSA，Multi Source Agreement）”應運而生。有了MSA標準之後，獨立專注於開發Transceiver的公司開始嶄露頭角，隨之行業興起。
光收發模塊按封裝形式可分為SFP、XFP、QSFP、CFP 等：
· SFP(Small Form-factor Pluggable)是一種緊湊型、可插拔的收發器模塊標準，用於電信和數據通信應用，最高可支持10Gbps傳輸速率。
· XFP(10 Gigabit Small Form Factor Pluggable)是10G速率的小型可插拔收發器模塊標準，支持多種通信協議，如10G 以太網、10G 光纖通道和SONETOC-192。XFP收發器可用於數據通信和電信市場，並提供比其他10Gbps 收發器更好的功耗特性。
· QSFP(Quad Small Form-factor Pluggable)是一種緊湊型、可插拔的收發器標準，主要用於高速數據通信應用。根據速度可將QSFP 分為4×1G QSFP、4×10GQSFP+、4×25G QSFP28光模塊等。目前QSFP28已廣泛應用於全球數據中心。
· CFP(Centum gigabits Form Pluggable)是基於標準化的密集波分光通信模塊，傳輸速率可達100-400Gbps。CFP模塊的尺寸比SFP/XFP/QSFP更大，一般用於城域網等長距離傳輸。
應用於數據中心通信的光收發模塊
數據中心通信可按照連接類型分為三類：
（1）數據中心到用戶，由訪問雲端進行瀏覽網頁、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，主要用於數據複製、軟件和系統升級；
（3）數據中心內部，主要用於信息的存儲、生成和挖掘。根據思科預測，數據中心內部通信佔數據中心通信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
目前全球數據中心光模塊需求已經由10/40G光模塊向100G光模塊更迭。中國阿里雲宣傳2018年將成為100G光模塊大規模應用元年，預計2019年進行400G光模塊的升級。
阿里雲光模塊演進路徑
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於信號速率的提升，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。從下面的表格，我們就可以看到數據中心100G光模塊方案的比較：
如今，400G光模塊的實現技術成為了業界關注的重點。400G光模塊的主要作用是能夠提高數據的吞吐量，能最大限度的提高數據中心的帶寬與端口密度。其未來的趨勢是實現寬增益、低噪聲、小型化和集成化等性能，滿足下一代無線網絡與超大規模數據中心通信的應用需求。
早期的400G光模塊使用的是16路25G NRZ（Non-Returnto Zero，不歸零碼）信號調製的方式，採用CFP8的封裝。其優點是可以借用在100G光模塊上成熟的25G NRZ信號調製技術，但缺點是需要16路信號進行並行傳輸，功耗和體積都比較大，不太適合數據中心的應用。目前的400G光模塊中，主要使用的是8路53G NRZ或者4路106G PAM4（4 Pulse Amplitude Modulation, 4級脈衝幅度調製）信號調製的方式，來實現400G的信號傳輸。
模塊封裝方面，採用的則是OSFP或QSFP-DD，這兩種封裝形式都可以提供8路電信號接口。相較來說，QSFP-DD封裝尺寸更小，更適合數據中心應用；OSFP封裝尺寸稍大一些，功耗更大，更適合電信應用。
解析100G/400G光模塊的“芯”力量
我們已經簡單介紹了100G和400G光模塊的實現方式，以下可以看到100G CWDM4方案、400G CWDM8方案和400G CWDM4方案的原理圖：
100G CWDM4原理圖
400G CWDM8原理圖
400G CWDM4原理圖
光模塊中，實現光電信號轉化的關鍵是光電探測器。想最終滿足以上這些方案，從“芯”出發，需要滿足怎樣的需求呢？
100G CWDM4方案需要4λx25GbE實現，400G CWDM8方案則需要8λx50GbE實現，而400G CWDM4方案則需要4λx100GbE實現。與調製方式相對應，100G CWDM4和400G CWDM8方案採用NRZ調製方式，分別對應調製速率25Gbd和53Gbd的器件；400G CWDM4方案採用PAM4調製方式，同樣需要器件具有53Gbd以上的調製速率。
將器件調製速率和器件帶寬對應，對於1310nm波段100G光模塊來說，帶寬25GHz InGaAs探測器或探測器陣列則可滿足需求。
100G光模塊中的濱松探測器
濱松可為100G光模塊提供具備低暗電流、高靈敏度、高可靠性特性的一整套系列完整的單點/陣列（前照式/背照式）InGaAsPIN探測器。
接下來，我們將來重點聊聊滿足1310nm波段400G光模塊需求的器件。
毫無疑問，相較100G，400G光模塊需要探測器具有更高的帶寬，而探測器的帶寬主要受到其終端電容的影響，終端電容越小帶寬越高。那怎樣才能將它做小呢？很“簡單”，探測器的芯片面積縮小就可很大程度上助攻了。不過注意了，這裡的“簡單”是打了個雙引號的。
上文我們提到了，數據中心通信是中長距的互聯。光模塊的一個重要參數——Minimum Sensitivity很大程度上將決定模塊可實現的傳輸距離，與之相關的，光模塊的探測器則必須保證高靈敏度、低暗電流的性能。也就是說，探測器芯片面積的縮小，需要在保證靈敏度的前提下進行。這無論對於半導體材料還是工藝而言，都有著極高的要求。
克服了一系列難題，針對1310nm波段的400G光模塊，濱松也於近年陸續推出了單點/陣列 調製速率56Gbd的InGaAs PIN探測器。其中，在單點產品中，除了前照式外，針對10km及更長距離的傳輸應用，濱松還可提供背照式的產品。而背照式探測器要實現高靈敏度和較好的光耦合效率，其光敏面需要一個透鏡來達到目的。而此透鏡是直接生長在芯片上的，產品良率 為一個很大的問題。利用自有的獨特半導體材料生長工藝，對此，濱松可以給予極大的保障，全方位滿足數據中心中長距通信的應用需求。
400G光模塊中的濱松探測器
作為一家擁有60餘年的光電企業，濱松在光通信器件和InGaAs探測器的研發和生產上，有著豐富的經驗。濱松InGaAs探測器通過掌握核心技術——晶圓生長，芯片刻蝕，芯片切割，芯片測試，實現了所有的生產工序和測試均在內部工廠完成，保證了產品的品質，不斷地為世界提供優質的產品。接下來，我們也希望通過不斷精進自身的技術，為光通信和數據中心通信光模塊的發展提供更好地可能。
2017年建成的濱松都田製作所第3棟
專門用於化合物半導體的研發和生產
400G-FR4 Technical Specification-100G Lambda MSA Group
400G CWDM8 MSA 2 km Technical Specifications, Revision 1.0
100G CWDM4 MSA Technical Specifications-2kmOptical Specifications
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