光模块是什么？贝尔光话机到高锟理论，光电转换靠它

导语

1880年6月3日，亚历山大·格雷厄姆·贝尔做了一次特别的通话实验。他让声音去带动镜面振动，镜面反射的阳光随之发生变化，这些变化的光信号穿过大气，被硒光电池接收并转成电信号，最后经听筒还原成语音。

这台“光话机”（photophone）虽然能通上话，可它太看天气——一朵云飘过去，声音说没就没。贝尔已经摸到了用光传信息的门道，缺的是一条能约束并保护光信号的通路。后来，光纤把这一环补上了。

其实早在19世纪中后期，人们就开始用玻璃棒的全反射现象来导引光线。那时的应用多集中在照明和成像上，损耗和干扰都明显，传输质量和距离都比较有限。

转机出现在1966年。在英国标准电信实验室工作的物理学家高锟提出，光在玻璃里损耗高，主要是杂质造成的；玻璃只要足够纯净，光就有望以较低的衰减跑完长距离。这套理论给现代光纤通信打下了底子，高锟也因此在2009年获得诺贝尔物理学奖。

1970年，美国康宁公司的研究人员拉出了首根损耗低于20分贝每公里的光纤，理论设想由此真正走进工程实践。低损耗光纤一步步商业化，光随之进入电话、有线电视和互联网，把世界各个角落连了起来。

物理学家高锟

康宁公司研究人员展示光纤

说到底，光纤只是一条传输通路。计算机和数据中心里的设备处理的是电信号，没法把数据直接送进光纤。电信号要想走光纤，得先转成光；到了接收端，再把光转回电信号。

干这两次“翻译”的，就是那个只有手指大小的小盒子——光模块。

光电“摩斯密码”

光模块大体由三部分组成：光收发器件、信号处理与控制电路，以及光电接口。

发数据的时候，电路先对电信号做处理和放大，再去驱动激光器，让它产生随数据变化的光。接着，光经过透镜等光学器件，被准确地送进光纤。

收数据时顺序反过来：探测器把光变成微弱的电流，电路再从里面恢复出完整的数据，交回设备的芯片去处理。一只光模块通常能同时担起发送和接收两件事。

那么问题来了，光电之间到底怎么做到信息“互通有无”的？

可以拿摩斯密码来打比方。摩斯密码靠长、短信号的组合来表示不同字母；光通信也一样，得约定一套把信息映射到光信号上的规则，只不过这套规则更复杂。

有个基本前提贯穿整个过程：发送端和接收端必须遵守完全一致的编码规则。发送端用什么方式把数据写进光信号，接收端就得按同样的方式读出来。

计算机里的信息是二进制表示的。举个最简单的例子，光模块可以用不同的光强来对应电信号的0和1：0对应较弱的光，1对应较强的光。接收端检测光强的变化，再照相同的规则把数据还原出来。

长距离光通信还能利用光的相位和偏振变化来编码信息，也可以通过不同波长并行传输数据，让一条光纤的传输能力再往上提。

光进铜退？

“光进铜退”在光通信行业流传很广。听上去像是光纤速度更快，早晚会把铜缆全线替换掉，让铜彻底退出通信网络。真实情况其实更有意思。

光在真空里每秒大约跑30万公里，可一旦进入玻璃就会慢下来。电信号顺着铜缆走，速度跟光纤差不多在同一个量级。

思科一份工程资料给过典型值：光纤和铜缆的传播延迟都落在每公里5至5.5微秒上下。信号从一头到另一头，两者耗时的差距远没有想象中那么大。

真正分出高下的，是一条线路能以多大带宽跑多远，以及为此要搭进去多少功耗、空间和成本。

铜缆在短距离上其实很能打。价格便宜，接起来也简单；服务器内部、相邻设备之间，还有一部分机架内连接，用它照样高效。

麻烦出在速率更高、距离更远的时候。高速电信号沿铜线走得越远，衰减和失真越明显。加信号处理能补回来一些，代价是额外功耗；高速铜缆还会变粗变重，密集布线和散热随之吃紧。

换到这些场景，光通信就从容多了。光信号在光纤里损耗低，不怕电磁干扰，线缆更细更轻，能跨机柜、跨数据中心；一根光纤还能靠多个波长并行传数据，带宽扩展起来更容易。

英伟达布线指南说得明白：机柜内部距离短、对成本敏感，一般用被动铜缆就行；跨机柜连接更多走光纤，因为光纤能覆盖更远，线径也更小。

所以“光进铜退”讲的是通信行业的一种结构性变化：数据量涨上去、传输速率提上来，铜缆能经济覆盖的距离就越缩越短，光纤的综合优势跟着显出来。距离足够短的时候，铜缆依旧便宜、可靠。

封装进化小史

说到光模块，最常见的是U盘那样的可插拔形态。交换机面板上，紧凑的小模块很扎眼。

光模块一开始并不是可插拔的。早期光通信设备里，发射器和接收器直接固定在设备内部。

网络规模一大，问题就来了：有的线路只连楼内设备，有的要跨园区，还有的要伸出数公里。距离不同，用的光纤和光学器件也可能不同。

一旦要改传输距离、换光纤类型、调通信速率，或者光接口坏了，固定式设计可能得连整块板卡、甚至整台设备一起换。

工程师于是把发送和接收塞进同一个外壳，做成可插拔、可替换的标准模块。光模块从此能按距离和速率灵活配置；模块坏了单独换掉就行，不用淘汰整台设备。

20世纪90年代，GBIC（Gigabit Interface Converter，千兆接口转换器）问世，是较早被广泛采用的独立可插拔模块。1995年，多家厂商围绕GBIC制定了多源协议。

但早期GBIC个头还是偏大。交换机面板空间有限，模块越大，能装的端口就越少。

进入21世纪，更小的SFP（Small Form-factor Pluggable，小型可插拔收发器）登场。体积大约只有GBIC的一半，交换机端口密度上去了，同样面积能塞下更多端口。

再往后，QSFP（四通道小型可插拔）、OSFP（八通道小型可插拔）等新封装陆续出现。它们都想在有限的交换机面板上装下更多、更快的连接，把高速网络的规模化部署往前推。

如今，AI的快速扩张又把光模块推到台前。这一回，过去习以为常的可插拔光模块，似乎开始不够用了。

AI大模型训练离不开GPU，可一张GPU很难独自把大模型练完。训练任务会被拆开，交给不同GPU同时算。GPU每算完一轮，还得交换模型参数和中间结果，才能进入下一轮。

只要某一段通信慢下来，后面的GPU就可能停着等。这像一场大型接力赛：每个选手都跑得快，接力棒也得准时送到。哪一棒耽搁了，整支队伍都可能被拖慢。

超大规模生成式AI训练中，往往要数万张GPU长时间协同。比如Meta曾披露，它为生成式AI工作负载建的两座集群，各配24576张H100 GPU。

这些GPU显然装不进一台服务器或一个机柜。它们先被装进服务器，服务器再分散到众多机柜，通过一层层交换机连起来。机架交换机与更高层级的集群交换机之间，就要用到光模块。

不过跟过去比，AI数据中心对光模块提了个新要求：一个端口每秒要扛的数据量猛增，传输速率正由400G、800G往1.6T乃至3.2T走。

传统可插拔方案里，数据出了交换芯片，得先以电信号跑过几厘米到十几厘米的电通道，才轮到变成光。每秒传的数据越多，这段路带来的信号损耗和失真就越扎眼；同时接收端要准确认出数据，系统还得靠能力更强的高速电路去驱动和均衡，功耗和散热压力跟着往上走。

速率继续往上爬，功耗也一路涨，行业于是被逼出一个选择：改光模块的封装和部署方式，让电少走一点、让光更早出现。这看着像回到过去，其实是冲着未来去的。

提速

1976年Cray-1超级计算机问世，长方形机柜被弯成一个巨大的C形，外圈裹着软垫，活像科幻片里的一组环形沙发。这个造型服务的目标很明确：提速度。Cray-1内部导线总长超过60英里，可C形机身把元件拉得彼此靠近，每段导线都不超过3英尺。布局紧凑，信号延迟就短，这也是Cray-1当年性能领先的重要原因之一。

近半个世纪后，AI数据中心撞上了相似的命题：让信号少走一点路。今天大量跨机柜的高速连接里，服务器之间的数据要靠光纤传输。

但进光纤之前，数据仍得先以电信号离开交换芯片，沿电路板走到设备面板上的光模块，再转成光信号。这段以厘米计的距离过去不起眼，如今却开始卡住系统效率。

于是行业重新琢磨光电转换该放在哪：能不能把电信号在电路板上的传输距离压短，让数据出了交换芯片就早点变成光？

光靠近芯片的极致工程

CPO（Co-packed Optics，共封装光学）盯的正是这段距离。它把做光电转换的光引擎挪到交换芯片旁边，收进同一个封装体系。数据刚离开交换芯片，走过一小段电连接就变成光，再由光纤送出设备。CPO常被看作光互连的“终极”形态之一。

它能缩短高损耗的电通道，减少高速信号处理带来的功耗，也有机会压低传输延迟；光引擎不再挤在设备前面板的可插拔模块里，交换机就能装下密度更高的高速端口。更关键的是，AI集群扩到几十万张甚至更多GPU时，网络耗电、端口故障、链路中断都可能变成昂贵算力的闲置。CPO想压下来的，是整个网络在数据传输、散热和信号处理上付的系统成本。

英伟达是积极推CPO落地的企业之一。2025年GTC大会上，它首次发布CPO产品Spectrum-X Ethernet Photonics。据2026年公布的比较数据，英伟达称相比传统可插拔方案，该方案能实现5倍的电源效率，并把AI应用的持续运行时间延长至5倍。

该产品目前已经进入全面量产阶段，甲骨文、微软、Meta、CoreWeave等云服务商及AI基础设施都成了首批客户。

英伟达CPO

可“终极”这个说法也隐约透出CPO并不好做，它还得迈过一道坎：量产。

头一个是精密耦合。光要从芯片进到纤芯直径只有几微米的光纤里，位置稍有偏差，收到的光功率就可能明显掉下来。光纤和端口数量越多，对准的速度、精度和一致性要求就越高。

进了共封装体系，光引擎和昂贵的交换芯片绑得更紧，测试就得往前挪到晶圆、芯片、封装等不同阶段。问题发现得越晚，可能报废的器件就越多。

热管理也躲不开。交换芯片是设备里的发热大户，激光器和部分光学器件偏偏对温度很敏感。一些CPO方案因此把激光器留在封装外，通过光纤往里头的光引擎供光，好让高温少影响光源的寿命和稳定性。

英伟达之所以能率先把CPO推向量产，一方面在于它手里同时攥着GPU、网卡、交换芯片、网络软件和整机架构，另一方面也靠台积电、矽品、天孚通信、Coherent、Lumentum、康宁等产业链企业提前配合。

门槛高，是CPO眼下的真实处境。TrendForce在2026年3月发布的报告预计，今年AI数据中心所用光模块中，CPO的占比约为0.5%。

于是，业界把注意力转向另一条更好落地的折中路线——NPO。

更接地气的折中方案

NPO（Near-packaged Optics，近封装光学）走的也是把光引擎从交换机面板挪进设备内部的路子，位置放在交换芯片旁边，高速电信号在电路板上跑的距离因此变短。

区别在于，光引擎依旧保持独立封装，能借助插座或其他连接结构装上去、拆下来。

两头的价值，NPO都留住了：跟传统可插拔光模块比，电信号传输距离缩短，功耗有下降空间，端口密度也有提升机会；跟CPO比，光引擎可以单独测试，返修、更换都更方便。

NPO市场正处在生态加速建设的阶段，规模化商用从2026年起受到更多关注。市场消息称，谷歌下订的万个NPO产品已从2026年5月起陆续交付，2027年预计实现规模量产。TrendForce预计，CPO与NPO市场规模将在2030年突破390亿美元。

全面放量还要等，但NPO的现实价值已经摆在那里：企业能借此积累近封装光学的生产与运维经验，数据中心对光引擎独立测试、更换和维修的需求也能得到满足。

NPO和CPO背后，都站着同一项关键技术——硅光。

过去的光模块多走分立器件组装的路子，激光器、调制器、探测器、分光器等要一个个装上去，还要逐一 aligned。

硅光则借用了集成电路的制造工艺，把波导、调制器、光探测器等器件做在硅基光子芯片上。器件尺寸能缩小，内部连接能缩短，量产也更适合走晶圆级工艺。

需要说明，硅光不只服务于NPO和CPO，传统可插拔模块同样能用。眼下一些硅光芯片能在平方毫米范围内布置上百个器件，部分研究型芯片的集成规模已达数千甚至上万个。

光通信行业因此出现两条并行的路径：硅光把原本分散的光学器件收进芯片，NPO和CPO则把光引擎往交换芯片跟前推。

芯片集成和封装架构一起变，全球产业链原有的分工也跟着松动。

光通信产业链重排

长期以来，全球光通信产业链是跨国协作的格局，材料、芯片、器件、封装、规模制造各环节，不同地区各有各的长处。

上游主要是光芯片和电芯片。光电转换靠光芯片完成；电芯片管的是驱动光芯片，以及放大、处理高速电信号。

欧美和日本的光芯片行业起步早，相关企业靠先发优势攒下了核心技术和制造工艺。国内企业如今也开始测试、验证国产光芯片，寻找国产化替代，推动这一产业提高自主化水平。

制造部分光芯片，离不开一种关键半导体衬底材料——磷化铟。而磷化铟所需的金属铟，供应高度集中，中国精铟产量占全球总产量的70%。

中游主要是光器件（也有观点把它算进上游）和光模块。

光模块的性能和稳定性，直接受光器件影响，后者是前者的核心组成。高端光器件市场长期被美日厂商把持，不过中国厂商也开始向全球客户供货，天孚通信就已进入英伟达的CPO合作伙伴体系。

光器件封装这一环，要把上游芯片与其他光学器件集成起来，跟芯片设计和制造工艺绑得很紧。Coherent、Lumentum等垂直整合厂商，以及专做光器件、精密封装或系统组装的企业，都是重要参与者。

再往下到光模块，涉及各类光学组件的精密耦合、封装、测试和规模化交付，这是中国企业优势最集中的环节之一。

LightCounting 的榜单显示，若以 2025 年光模块销售额来排座次，中际旭创、新易盛、光迅科技三家分别拿下全球光模块供应商的第一、第二和第四。

需求那头，眼下主要靠两类客户撑着：一类是传统通信运营商，另一类是 AI 带动起来的云服务商和算力基础设施企业。这两类客户订单一多，800G、1.6T 和 3.2T 光互连方案的迭代就跟着提速。而随着光模块往 NPO、CPO 这些新架构走，整条产业链今后可能同时出现两种变化。

一种是 CPO 会把产业链的边界搅得更模糊，上中游尤其明显。原先分工还算清楚的企业，得提前扎进对方的设计和制造环节里去。

另一种是制造体系会愈发区域化。研发和规模化交付的本事仍在中国企业手里，可一部分产能正往海外挪，厂商已经在泰国、马来西亚等地陆续铺开量产工厂。往后全球怎么分工，既要算效率账，也得顾着区域产能和备用供应商。

从可插拔到 NPO 再到 CPO，光一步步往芯片腹地钻，看着是不打算回头。

可插拔其实没打算让位。2026 年的 OFC（光通信大会）上，一个叫 XPO（eXtra-dense Pluggable Optics，超高密度可插拔）的新方案就吸引了不少目光。

它保住了可插拔的老底子，同时把单个模块的带宽、设备前面板的端口密度都往上提，还靠集成冷板压住高功率模块的温度。

问题是，架构仍是可插拔，交换芯片和模块之间照样有一段高速铜互连，电信号衰减得想办法对付。另外 XPO 得配着液冷基础设施用，部署门槛也就跟着抬高了。

XPO

光通信这条路，并不是一眼能望到头的单行道。性能、功耗、成本、可靠性，每个方案都得在这几项之间找平衡。谁先把这种平衡做成能稳定量产的产品，谁在下一阶段就更可能说得上话。

市场也不会只留两三种答案。新的岔路还会冒出来，更多玩家会顺着自己选的方向，添上新的注脚。