光模塊（Optical Module），也稱為光收發模塊，是光通信設備中的關鍵組件，主要用于光電信號的轉換。光模塊能夠將電信號轉換成光信號進行傳輸，并將接收到的光信號轉換成電信號。隨著數據中心和高性能計算（HPC）系統在AI智能設備中的廣泛應用，光模塊的作用愈加重要。本文將介紹光模塊在AI智能設備中的具體應用，并詳細說明這些光模塊對晶振頻率和性能參數的具體要求。

光模塊的分類

光模塊根據功能可分為光收發一體模塊（Transceiver）、光接收模塊（Receiver）和光發送模塊（Transmitter）；根據傳輸距離可分為短距離模塊（SR）、中距離模塊（LR）和長距離模塊（ER、ZR）；根據傳輸速率可分為1Gbps、10Gbps、25Gbps、40Gbps、100Gbps、400Gbps等。

AI智能設備中光模塊的應用

在AI智能設備中，光模塊主要用于數據中心和高性能計算系統，提供高速、大容量的數據傳輸服務。隨著AI計算量的急劇增加，數據中心內部和不同數據中心之間的數據傳輸需求也迅速增長。光模塊在這些場景中的主要應用包括：

1. 高速互聯：AI訓練需要在大量服務器之間進行高速數據交換，光模塊提供了10Gbps、25Gbps、40Gbps、100Gbps甚至更高的帶寬，滿足數據中心內部節點之間的高速互聯需求。
2. 低延遲傳輸：AI模型訓練和推理對數據傳輸的實時性要求較高，光模塊能夠提供低延遲的數據傳輸，保證數據的快速交互。
3. 高可靠性：光模塊具有較高的傳輸穩定性和抗干擾能力，適應數據中心復雜的電磁環境，提高系統的可靠性。

光模塊對晶振頻率和參數性能指標的具體要求

光模塊內部通常需要使用晶振來提供穩定的時鐘信號。不同速率和應用的光模塊對晶振頻率和相關參數有不同的要求：

1. 頻率準確度和穩定性：光模塊需要高精度的晶振，通常要求頻率誤差在幾十ppm（百萬分之一）以內，以保證數據傳輸的準確性和穩定性。
2. 相位噪聲和抖動：低相位噪聲和抖動是確保高速信號傳輸質量的關鍵。高性能光模塊需要使用低抖動的晶振，通常在幾ps（皮秒）范圍內。
3. 溫度穩定性：光模塊通常在寬溫度范圍內工作（如-40℃到85℃），晶振需要在此范圍內保持良好的頻率穩定性。
4. 功耗和體積：由于光模塊的集成度較高，晶振的功耗和體積需要盡可能小，以節省電力和空間。

具體例子：數據中心中的100Gbps QSFP28光模塊

1. 光模塊介紹

QSFP28（Quad Small Form-factor Pluggable 28）光模塊是目前數據中心中常用的100Gbps高速光模塊，廣泛用于數據中心內部和不同數據中心之間的高速數據傳輸。

2. 應用場景

在一個大型數據中心中，有大量的服務器、存儲設備和網絡設備，它們之間需要高速互聯。例如，在AI訓練任務中，數千個GPU服務器需要進行海量數據的實時交換，這時候需要使用100Gbps的光模塊來確保數據的高效傳輸。

3. 晶振頻率要求

QSFP28光模塊內部通常會使用25.78 GHz的高速晶振。這些晶振用于生成發送端和接收端所需的時鐘信號，以確保數據傳輸的同步和準確。

4. 具體性能指標

• 頻率準確度和穩定性：晶振的頻率誤差需要控制在±20ppm以內，這樣才能保證信號的穩定性和準確性，避免數據傳輸過程中的頻率漂移。
• 相位噪聲和抖動：QSFP28光模塊要求晶振具有非常低的相位噪聲，典型值在-130dBc/Hz @ 10kHz offset。抖動需要控制在1ps RMS以內，以確保高質量的信號傳輸。例如FCom富士晶振系列——FCO-5P-UJ
• 溫度穩定性：晶振需要在-40℃到85℃的溫度范圍內保持穩定的工作頻率，這是因為數據中心環境溫度變化較大，晶振的穩定性直接影響光模塊的性能。
• 功耗和體積：QSFP28光模塊內部空間有限，要求晶振具有較小的封裝尺寸（如5mm x 3.2mm）和低功耗（如1.8V供電下，功耗不超過10mW）。例如FCom富士晶振系列——FCO-5P-PJ

具體例子：25Gbps SFP28光模塊

1. 光模塊介紹

SFP28（Small Form-factor Pluggable 28）光模塊用于25Gbps的數據傳輸，廣泛應用于數據中心的服務器和交換機之間，提供更高的帶寬以適應AI計算和數據處理的需求。

2. 應用場景

在數據中心內的服務器架構中，每臺服務器需要通過25Gbps的鏈路與頂層交換機連接，這時候使用SFP28光模塊可以提高連接帶寬，減少延遲。例如，在AI推理任務中，服務器之間需要快速傳輸大量的模型數據和推理結果。

3. 晶振頻率要求

SFP28光模塊通常需要參考時鐘頻率為25MHz或156.25MHz的晶振，具體使用哪種頻率取決于光模塊設計和協議要求。例如FCom富士晶振系列——FCO-5C

4. 具體性能指標

• 頻率準確度和穩定性：晶振的頻率誤差需要控制在±25ppm以內，確保傳輸信號的精確性。
• 相位噪聲和抖動：SFP28光模塊要求晶振具有低相位噪聲和低抖動特性，典型的抖動值控制在1ps以內，以保證高速信號的完整性。例如FCom富士晶振系列——FCO-3P-UJ
• 溫度穩定性：晶振需要在-40℃到85℃的溫度范圍內工作，確保在數據中心各種溫度環境下保持頻率穩定。
• 功耗和體積：由于SFP28光模塊通常安裝在密集的服務器機架中，晶振的封裝尺寸和功耗要求較高，通常要求體積在3.2mm x 2.5mm以內，功耗不超過5mW。例如FCom富士晶振系列——FCO-3P-PJ

結論

光模塊是AI智能設備中實現高速數據傳輸的關鍵組件，對晶振的頻率、準確度、相位噪聲、抖動和溫度穩定性等有著高要求。通過QSFP28和SFP28光模塊的具體例子可以看出，這些性能指標的優化直接影響光模塊的整體性能和數據中心的運行效率。未來，隨著AI和大數據技術的進一步發展，光模塊的需求和性能要求將不斷提高，相關技術也將不斷進步。