光通信器件指应用于光通信领域的光电子器件以及配套集成电路。光通信器件 按照在信息流中的不同作用可以分为五大类，包括光信号的产生、调制、传输、处 理以及探测。光收发模块在信息流中对应着光信号的产生、调制和探测；光分路器 和光放大器对应着信号处理。光通信器件按照物理形态的不同分为芯片、光有源器 件、光无源器件、光模块与子系统四类。其中有源光收发模块的产值在光通信器件 中占比最高，其性能主导着光通信网络的升级换代。

光模块是实现光信号输入过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件。所有信息通信信号初始状态都是电信号（模拟/数字），否则 IC 芯片无法处理。要实现光 纤通信，信号发射端需要将电信号转换为光信号，通过光纤传输到远端。信号接收 端，光探测器接收到光信号，并转化成可处理的电信号。光模块可按照速率、距离、 封装方式等多种类型进行分类。从封装来看，光模块有多种封装形式，适配不同尺 寸、功耗和速率需求。目前光模块的封装以可插拔形式为主，具备小尺寸、低功耗 的优势，部分长距高速相干领域追求高性能，仍采用不可插拔形式。随着交换容量 增大、端口密度变大、功耗增加等挑战日益严峻，LPO/CPO 成为行业重要的技术创 新。

光模块的结构使得其具备光电转换的功能。光模块通常由光发射器件（TOSA， 含激光器）、光接受器件（ROSA，含光探测器）、功能电路、光（电）接口、导热架、 金属外壳等部分组成。从发射端来看，驱动芯片对原始电信号进行处理，然后驱动 半导体激光器（LD）发射出调制光信号；从接受端来看，光信号进入接收端端后， 由光探测二极管（PD）转变为电信号，经前置放大器后输出。功能电路集成了时钟、 数据恢复芯片以及激光器驱动芯片等。

电芯片、主控芯片、TOSA、ROSA 在光/电转换过程中起着重要的作用。以 4x25Gps 光模块通信方案为例，通过 MCU 控制芯片与电接口利用 I2C 引脚进行数据 交互，将 4 路速率高达 25Gbps 的电信号传送给时钟和数据恢复芯片 CDR；然后 MCU 控制芯片将经过 CDR 处理后的 4 路电信号发送给驱动激光器，使得 4 通道的驱动激 光器能够驱动 TOSA 组件，从而让 TOSA 组件发出一路速率为 100Gbps 的光信号； 通过光纤传输达到光接口的 100Gbps 光信号进入到 ROSA 组件中；MCU 控制芯片与 电接口进行数据交换，让 ROSA 组件将这一路 100Gbps 光信号转换成 4 路 25Gbps的电信号发送给 TIA；TIA 将这 4 路电流信号处理成一定幅度的电压信号，经过 CDR 处理后通过电接口输出。

（1）微控制单元 MCU

MCU 是主打控制功能的单片机，负责对光模块的芯片进行调控。MCU 把 CPU 的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器 (Timer)、USB、A/D 转换、UART、 PLC、DMA 等周边接口，甚至 LCD 驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的 计算机。CPU 内核通过存储器的程序控制外设，外设通过中断系统联系 CPU 内核， 二者通过总线传输信号、数据以及地址等信息。存储器通常包括 ROM 和 RAM，外 设部分包括串口控制模块、SPI 模块、I2C 模块、A/D 模块等。

MCU 的工作原理是逐条执行预存指令的过程，不同类型的单片机有不同的指令 系统。为了让一个单片功能自动完成某项具体任务，需要将所要解决的问题编成一 系列的指令，并且这些指令必须是由一个单独的函数来识别和执行的。一系列指令 的集合就变成了程序，这些程序需要预先储存在内存中。MCU 在执行程序时要将这 些指令逐个提取并执行，必须拥有能够跟踪指令所在存储单元的功能，这个部分就 是程序计数器 PC。当程序开始运行时，PC 将会被分配到程序中每一条指令的存储 单元，并一一执行该项指令。PC 中的内容自动增加，增加量由这个指令长度决定， 每一条都指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。

（2）通用数字信号处理器 DSP

DSP 相对 MCU 更侧重于运算和数字信号处理，而 MCU 侧重于多种数据的处理控制。DSP 的实时运行速度可达每秒数千万条复杂程序指令，比 16 位 MCU 单指 令执行时间快 8-10 倍。DSP 为了提高信号处理算法的效率，加入了很多指令，在设 计结构上将数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个空间。 DSP 在光模块中的作用是对模拟信号进行采样、量化，把模拟信号转换成数字 信号，去除光纤链路中的色度色散、偏振模色散，完成载波频偏估计、载波相位恢 复等功能，具有强大的信号恢复能力，但是成本较高、延迟大、功耗高、发热明显。 随着工艺节点逐步变薄，DSP 芯片的设计成本愈发高昂。2020 年 7nm 产品推出时， DSP 芯片设计成本已达 2.5 亿美元左右；预计 5nm 节点时，芯片设计成本将达到 4.5 亿美元。在高资本投入的背景下，市场竞争格局向寡头垄断演化，目前全球份额主 要集中于 Inphi、Broadcom 以及华为海思三家。功耗方面，由于 DSP 引入了 ADC 与 算法，功耗远高于传统的 CDR 芯片。以 400G 光模块为例，其所用 7nm DSP 功耗约 为 4W，占模块整体功耗的 50%。而 DSP 降低功耗的方法有限，主要依赖于流片工 艺的提升。

DSP 技术是相干通信的重要支撑，是其产业化应用的基础。当光传输速率达到 50G 以上，光纤偏振模色散影响加剧，严重影响链路有效传播距离与信号质量，此 时 DSP 对抗和补偿作用就愈发凸显。而传统的非相干通信通过光路补偿器件进行色 散补偿，其效果远差于 DSP。DSP 技术的成熟导入，省去了系统中原有的色散补偿 模块，使得长距离传输的链路设计更加简单，降低传输成本。

相干和非相干光通信的核心区别在于发送端使用的调制方式以及接收端使用的 检测方式。调制方式方面，相干通信更加多元化，增强了信息的承载能力。非相干 采取简单的强度调制方式，通过电流大小改变激光强度产生 0-1。而相干系统借助外 调制的方式，可以进行频率调制或相位调制，如 PSK、QPSK 等，拓展了信息传输 的容量。检测端，相干通信直接在接收端对微弱的信号进行混频放大，而非相干则 依赖于在传输过程中使用大量的放大器。相干通信利用一束本振光与输入信号光在 混频器中混频，得到与信号光频率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号，实现 信号的放大。由于本振光的功率远大于信号光功率，因此经过相干混合后的输出光 电流大幅增加，提升了检测的灵敏度。凭借更加多元的调制方式以及 DSP 技术的应 用等，相干光通信具有传输距离远、传输容量大的优势，应用场景包括 DCI 互联、 5G 中回传以及城域网等。

（3）时钟和数据恢复芯片 CDR

CDR 在光模块中的主要作用是从接收到的信号中提取出数据序列，并且恢复出 与数据序列相对应的时钟时序信号，从而还原接收到的具体信息。时钟数据恢复主 要完成两个工作，分别是时钟恢复和数据重定时，让接收端的信号与发射端信号保 持一致。在光互连场景中，当单通道数据速率达到 25G 时，无论是在接收端和发射 端都需要采用 CDR 电路从高损耗的信号里恢复出高质量的数据，再通过驱动电路将 数据加载到光波上。 CDR 的基本组成部分包括鉴相器、电荷泵（CP）、环路滤波器、压控振荡器（VCO） 等。通常 CDR 是一个有振荡器的反馈环路，通过环路调节振荡时钟的相位来跟踪输 入数据中的嵌入时钟。鉴相器通过用 VCO 的输出时钟对输入数据进行采样来获得控 制信号，控制信号输出到电荷泵产生控制电压来调节 VCO 的振荡频率。由此恢复高 质量的时钟信号和数据。CDR 带宽是 CDR 的重要指标，主要影响光模块的数据锁 定时间、抖动指标，在一定程度上决定着光模块的关键性能。若 CDR 带宽的取值较 大，光模块的数据锁定时间则较短，但是抖动性能会变差；若 CDR 带宽的取值较小， 此时抖动性能会变好，但是锁定时间会变长，甚至会导致个别系统单板上数据失锁。

（4）激光器驱动（调制）器 LDD

激光器驱动（调制）器的“驱动”体现在为激光器提供电流，同时对电流进行 调制，把 1010的信号用有光无光或光的幅度/相位来表征。LDD 将 CDR 的输出信号， 转换成对应的调制信号，驱动激光器发光。根据调制方式的不同，可以划分为外调 制（EML）和直接调制（DML）。直接调制下，通过电路里的开关直接控制电流的 开通和关断，激光器的光功率和驱动电流呈正比。其优点是结构简单、体积小、工 艺难度低等，但缺点是带宽的利用率较低，并且会有特殊的啁啾效应，难以应用于 长距离传输。外调制将电路开关移动至激光器外面，主要有 EA 电吸收和 MZ（马 赫-曾德尔调制）两种方式。MZ 是调制发射光的相位，电吸收则是通过材料完成调 制功能。外调制能够有效解决激光器的啁啾效应，可用于骨干网长距离传输。

直调通过输入端的电压 0-1 信号控制开关切换，从而完成电信号向光信号的转 换。在直接调制的 LDD 中存在两个电流源，分别是控制平均光功率的偏置电流源和 控制消光比 ER 的调制电流源。当调制信号为 1 时，输入到激光器的电流为偏置电流 和调制电流源，电流大，激光器的输出振幅大、能量高。当调制信号为 0 时，流过 激光器的电流是偏置电流，电流小，光强度较弱。 直接调制结构在短距离传输时具有优势，但出于调制带宽的限制不太适应于高 速率长距离的传输。直接调制通过直接注入电流来实现信号调制，注入电流的大小 会改变激光器有源区的折射率，造成波长漂移从而产生色散，限制了传输距离。并且直接调制的带宽有限，调制电流过大时激光器容易饱和，难以实现较高的消光比。

（5）光发射组件 TOSA

TOSA 主要由激光器（LD）、光隔离器、耦合透镜、MPD、多路复用器（MUX） 等构成。激光器驱动器将电信号发送给 LD，LD 将电信号转换为光信号后通过光隔 离器、透镜等光器件，将光信号耦合至光纤中，实现电光信号转换。为了节约成本， MPD、隔离器和 MUX 不是必备项，其中 MUX 仅在需要波分复用的光模块中搭载。

LD 的发光原理依赖于二极管的异质结构。LD 由本征、P 型和 N 型半导体组成。 N 型半导体掺杂了 5 价原子，自由电子数量多于空穴；P 型半导体掺杂了 3 价原子， 空穴数量多于自由电子，是多数载流子。在 P 区和 N 区之间会形成一个空间电荷区， 即 PN 结。基于材料的发光特性，LD 主要使用砷化镓掺杂构成。普通二极管的半导 体层多由砷化镓或者硅半导体掺杂组成，但由于硅二极管在能量的复合过程中释放 的不是光，因此 LD 主要为砷化镓二极管。LD 产生相干光束的原理是光吸收、光自 发发射以及光受激发射三种现象。当 LD 被外部能源刺激时，自由电子会从 N 层移 动到 P 层。一部分直接与低能级的价电子相互左右，使价电子受激到高能级状态。 另一部分与低能级的空穴复合，释放光子。光通过 LD 反射端溢出形成窄光束激光。

LD 按照出光结构可进一步分为面发射芯片和边发射（EEL）芯片。面发射芯片 包括 VCSEL 芯片，边发射芯片包括 FP、DFB 和 EML 芯片。EEL 在芯片两侧镀光 学膜形成谐振腔，光子经谐振腔选模放大后，将沿平行于衬底表面的方向形成激光， 最终激光从侧面发出。VCSEL 在芯片上下两面镀光学膜形成谐振腔，腔体与衬底垂 直，光子经选膜放大后垂直于芯片表面发射激光。谐振腔主要起到储存、提纯激光的作用，通常由两块反射镜构成，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。光子在反 射镜之间来回反射，不断在增益介质中引起受激辐射，产生高强度的激光。

FP 主要应用于低速率短距离传输，结构和制造工艺简单，成本较低。DFB 以 FP 为基础，布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中，在谐振腔内形成选模结构， 实现单纵模输出，主要用于高速中长距离传输。EML 集成了 EAM（光吸收调制器） 和 DFB，属于外调制激光器，具有大调制带宽、低频率啁啾的特点，更好地解决了 色散的问题，信息传输质量高，能够实现高速率长距离传输。

衡量 TOSA 性能的主要参数为光发射功率和消光比。发射光功率影响信号传输 距离。激光器将电信号转换为光信号，用 MUX 复用器合波成一束高速光信号，通过 适配器传输至发射光纤，该光信号的强度为光功率。光功率越高，表明发射机性能 越好，光信号能传输更远的距离。消光比影响误码率。TOSA 发出的光信号有两种 状态：逻辑 1 为高光功率，逻辑 0 为低光功率，消光比为高电平的平均功率与低电 平的平均功率比值。消光比越大，在接收端就能更好的区分 0、1 电平，从而接收到 的光信号质量就越好。

（6）光接收组件 ROSA

光接收组件（ROSA）主要由 PD（Photo Diode）、TIA（跨阻放大器）、LA（限 幅放大器）、耦合透镜、光学接口、电气接口以及金属外购组成。解复用器 DEMUX 将收集的光信号进行分波处理，不同波长的光将会被 PD 转换为电信号，再经过 TIA 和 LA 放大整型后发送给外部控制芯片。由于 PD 产生的电流较小，需要利用 TIA 将其输出的电流放大成功能电压，方便后续的电信号处理。TIA 因接收的电流大小不 同，导致电压的增幅值不同，为了保证后续电信号的稳定，需要通过 LA 进行信号整 形，将 TIA 输出的不同幅值电压处理成等幅的电压信号。 根据 PD 结构的差异，可以进一步划分为 PIN 和 APD 型光电探测器。PIN 二极 管通过在 P 型和 N 型半导体之间增加一层轻掺杂的 N 型本征层，以展宽耗尽层，提 高转换效率。APD 相较 PIN 具有更高的接收灵敏度。通过在 PIN 二极管结构中增加 雪崩区，使得光生载流子以碰撞电离的方式在其耗尽区内激发出新的电子-空穴对， 新产生的载流子通过内电场加速，导致更多的碰撞电离产生，最终获得雪崩效应。

衡量 ROSA 性能的核心指标是灵敏度和接收光功率。灵敏度。保证误码仪在一 定误码的条件下，接收端所能接收到的最小光功率称为灵敏度。在高速率传输中， 灵敏度越小，光模块性能越强。接收光功率。在一定的误码条件下，接收端能够接 收到从光源发出光信号的强度，称为接收端光信号。 从成本角度来看，光模块成本受光/电芯片以及控制芯片的影响较高。根据华拓 光通信的数据，光器件占光模块成本的比重为 73%，具体包括光器件元件（46%） 和 DFB/APD 芯片（27%）。控制芯片占光模块成本的比重为 18%，仅次于光器件。 光器件的成本结构中，DFB 占比最高，达 48%；其次为 APD/TIA，合计占比 32%。