光模块：定义与组成

article/2025/9/18 22:00:58

光模块是光纤通信系统中的核心器件，是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件。按照分层划分的话，它属于OSI模型的物理层。

那么光模块主要应用在哪里呢？基本上所有的网络传输环节都会与光模块打交道，其应用场景我简单梳理如下：

光模块其实最主要应用在电信市场和数通市场，出货量都在百万千万级别以上，而且更新迭代的速度比较快。

因此，这些场景下光模块的结构与设计不尽相同，以满足不同客户的需求。下面我们来看一个比较典型非气密封装的光模块结构，如下图，它主要由光电子器件（光发射器、光接收器）、功能电路和光接口等部分组成。

在这些光器件内部，封装方式主要包括气密性封装和非气密性封装。其封装内部的如下元器件主要有如下一些：

LD-激光器
PD-探测器
放大器（TIA\LA\AGC）
CDR-时钟数据恢复
Driver-驱动芯片
Mux&DeMux（多通道光模块）

我用思维导图梳理如下：

我们先来看看封装方式，考虑光模块的应用环境不同。在容易受到水蒸气腐蚀以及温度影响较大的地方，采用气密封装，即将光芯片密封在充满惰性气体的金属和密封窗的管壳中。在温控环境较好的室内机房中，则使用成本较低的非气密性封装方式。TO-CAN封装

英文全称是Transistor outline can，其中Transistor是晶体管，Can是罐子的意思。CAN作为这一个容器，用来安装光芯片，如VCSEL/PIN之类的。

在上图中，激光器(光电二极管)安装于热沉（散热片）上，通过金丝与电气引脚连接。其上再封装金属管帽和用于透出激光的玻璃盖片密封窗。TO-CAN封装的成本较小，但难以承载较大散热器件，一般用于FTTH以及无线接入的前传场景中。蝶形封装

顾名思义，其封装形式像蝴蝶。主要是为了解决散热问题，可以提供更大的热沉，同时也可以加配带温度控制的TEC温控模块，内部还有陶瓷基块、芯片、热敏电阻、背光监控等。因此，其实一个蝶形封装器件相当于一个OSA，是比 TO-CAN 更高一级的器件。

蝶形封装有一种特殊的封装形式，叫BOX封装。即在一个封装空间中集成了多个激光器，主要是用于多通道并行的需求。25G及以下速率光模块多采用单通道TO或蝶形封装，40G以及上速率多采用多通道的封装设计。由于机房环境温控设施的改进，随着DC数据中心市场中光模块大量的使用，对成本的要求越来越高。上面谈到的气密性封装需要金属等配套来为脆弱的光芯片构建了严密的保护，成本相对较高。因此，在温控较好的机房环境中发展出非气密性封装以节约成本。下面简单介绍非气密性COB封装。COB封装简单理解就是将激光芯片粘附在PCB基板上，包括激光阵列和接收器阵列等集成封装在一个小空间内，以实现小型化。因为减少了一些保护措施以及大量的辅件，成本相对低很多。

在光芯片方面，我们先来看看发射端的激光器。

下面来简单看看几种光纤通信中最常发射激光器件。LED和VCSEL垂直腔面发射激光器，是面发光，只是谐振腔结构不同。VCSEL激光器的发光角度相比LED要小，但相对后面的FP/DFP-LD的发光角度要大，但它是成本最低的芯片种类，一般配合比较粗的多模光纤使用。

FP-LD和DFB-LD激光二极管也是比较常用的半导体光发射器件。它们都是边缘发光，谐振腔结构不同。DFB是在FP激光器的基础上加工出光栅格，以实现更精准的波长选择，因引其波长精度较高。

这里的LD(Laser Diode)是一个电光器件，当通过它的正向电流超过阈值电流(Ilth)时它就发光。因此，为了使LD高速开关工作必须对它加下大于阈值电流的直流偏置电流 IBIAS 。

EML(externally modulated laser)外部调制激光器与上面的激光器的调制方式不一样，我们将在下面细说。由一颗发射芯片(如DFB)+外吸收调制器(EA)构成。

EML激光器始终处于发光状态，通过控制电吸收芯片的开关（透光和不透光），控制激光器的信号输出。由于EML激光器可以处于比较稳定的工作状态，发射的光也相对比较纯洁，因此它比较适合长距离传输使用，但是它的成本要比上面的DFB贵很多。根据上面的思维导图，我们知道，光模块的调制方式为为两种：直接调制和外调制。其中外调制激光器又有两种主要调制方式：EA调制和MZ调制。上面的DFP-LD是一种典型直接调制激光器，即是直接利用电信号的 " 1 " 和 " 0 " 来控制激光器的电流大小。电流小电信号为" 0 " 比较节省能量。

而外调制中的EA调制也是利用电信号 " 1 " 和 " 0 " 作用于电吸引调制器来控制出光的大小。它的激光器一直处于发光状态。

外调制中的MZ调制的激光器也一直是发光的。不过它是利用光经过一个 Y 型波导分束器分光的两束相位相等且一样的光信号，通过电信号来控制两个干涉臂电级，使两束光产生不同的相位，然后再经过 Y 型合束器。

其效果是：当 " 1 " 信号时，相位相同进行叠加，" 0 " 信号时相位差180度，光信号则抵消。除了上面的几种激光器，还有一种“可调谐窄线宽激光器”，它在DWDM密集波分传输网络中频繁使用。这种激光器芯片可以通过电流、温度以及机械方式来控制输出不同的波长。也这造成了它的结构比较复杂，可以说是成本最高的激光器类型。发现内容太多一篇也写(学习)不完，后面再继续码字，下面简单总结一下以收尾：