近幾年，由於線上遊戲、隨選視訊、社群網路、雲端計算等需要大頻寬需求的應用不斷的推陳出新，讓全球網路的流量呈現爆炸性的成長。另外，為了支援雲端服務、高速運算等高網路流量的應用，資料中心(Data Center)建置的數量與規模也有非常明顯的成長。
根據Cisco的報告指出，在2015年資料中心的傳輸總流量約為4.7 Zetabytes，並預估到2020年將達到15.3 Zetabytes，將有超過三倍的成長。資料中心的訊息傳輸約有70%流量是發生在資料中心內部的傳輸，約有15%的流量是發生在資料中心之間的傳輸。由此可知大部分的傳輸流量是出現在資料中心內部，所以資料中心內部需要提高資料傳輸速率，同時還需要能夠具備低成本與低功率消耗的特性，而光訊號傳輸是目前唯一可以滿足這些需求的技術。因此，未來在資料中心內部的高速光收發器模組，也將持續有大量的需求；而且光收發器模組的技術發展，也將持續提高傳輸速率。
400G光收發器將成主流
為了實現高速光訊號傳輸，高速小型光收發器模組的開發是其中的關鍵技術，目前資料中心以40Gbps與100Gbps的光收發器模組為主要配備，而目前光收發器模組的生命週期約為三至四年，且有漸漸縮短的趨勢；所以市場預計200Gbps與400Gbps的光收發器模組將很快取代現有的傳輸模組。而隨著未來資料中心之間與內部互連越來越大的傳輸流量需求，估計在不久的將來800Gbps和1.6Tbps的傳輸系統也將會有所需求。
100Gbps光收發器模組的開發最早從2010年開始，當時IEEE 802.3標準提出SR10、LR4和ER4三種標準，分別應用在100m OM3多模光纖、10km單模光纖和40km單模光纖的傳輸；在2015年，提出SR4的標準，應用在100m OM4多模光纖的傳輸。SR10使用10個光發射器與光接收器，每個通道的傳輸速率是10Gbps；LR4、ER4和SR4則使用4個光發射器與光接收器，每個通道傳輸速率為25Gbps。多源協議(Multi-Source Agreement, MSA)也在2014年提出PSM4和CWDM4兩個標準，也是使用四個光發射器與光接收器，每個通道傳輸速率為25Gbps；PSM4應用在500m單模光纖的傳輸，而CWDM4則應用在2km單模光纖的傳輸。表1彙整了目前常用100Gbps光收發器模組的標準與相關特性。
100Gbps光收發器模組的封裝類型常見的有CFP、CFP2、CFP4和QSFP28。CFP-MSA定義熱插拔收發器應用在40Gbps與100Gbps網路傳輸的需求，可以支援在單模與多模光纖上傳輸多種速率，在電氣介面可以支援10×10Gbps高速資料訊號的發射與接收，具有較大的模組尺寸，以及較高的功率消耗約為24W，不適合需要高密度傳輸的資料中心之需求。CFP2光收發器模組的體積是CFP的一半，功率消耗低於9W。CFP4光收發器模組的體積又是CFP2的一半，功率消耗也大約下降一半。CFP、CFP2、CFP4是較早期的型式，而QSFP28延續QSFP的外觀結構，但每個通道傳輸速率達28Gbps，具有比CFP4更小的模組尺寸與更低的功率消耗，所以目前已經成為資料中心100Gbps光收發器模組封裝的主流型式。
在光收發器的訊號調變技術中，若採用四階脈波振幅調變(Four-level Pulse Amplitude Modulation, PAM4)的資料格式，每階振幅可以表示兩個位元的資料，相較於以往採用非歸零(Non-Return Zero, NRZ)的資料格式，每階振幅只能表示位元0或1的資料。因此，PAM4資料格式在相同的頻寬下大約可以提高一倍的資料傳輸速率。因此，在已發布400Gbps光收發器的標準中，PAM4資料格式已被採用，並成為資料傳輸的主要調變格式。從2014年開始，IEEE 802.3便開始研議400Gbps光收發器的標準，一直到2017年12月正式公布標準，提出SR16、DR4、FR8和LR8四種標準。SR16仍使用25Gbps NRZ的資料訊號，以32道並列(16道做為發射，16道做為接收)多模光纖進行傳輸，使用OM4多模光纖可傳輸100m。DR4、FR8和LR8都採用PAM4的資料調變格式，但DR4採用的是100Gbps(50Gbaud)PAM4，而FR8和LR8則採用50Gbps(25Gbaud)PAM4；DR4使用8道並列的500m單模光纖進行傳輸，而FR8和LR8則使用WDM技術分別在2km與10km的單模光纖中傳輸。100G Lambda MSA也在2018年1月提出400G-FR4的標準，採用100Gbps PAM4資料格式，並使用WDM技術在2km單模光纖中傳輸。考量目前技術成熟的光電元件與相關積體電路的操作頻寬，預計400Gbps光收發器模組以8×50Gbps的解決方案將比4×100Gbps更快可以被實現達成。表2彙整了目前400Gbps光收發器模組的標準與相關特性。
資料中心內的光收發器模組技術朝向400Gbps速率發展的方向已是主流趨勢，而對於400Gbps光收發器模組要採用何種封裝型式，成本的考量會是技術轉型的思考重點，需要考量向下的兼容性與向上的發展性。目前400Gbps光收發器模組的封裝類型主要發展有三種，CFP8、QSFP-DD、OSFP。CFP8規範的外觀尺寸比CFP4大，可以支援16×25Gbps NRZ或8×50Gbps PAM4的傳輸介面，最高功耗為24W；由於CFP8的尺寸較大且功率消耗較高，因此資料中心較不考慮採用此類型收發器模組。QSFP-DD模組結構在標準的QSFP四通道電氣介面，多增加一排四通道介面，成為具有八通道的光收發器；QSFP-DD模組可以支援QSFP+和QSFP28標準，所以使用QSFP-DD模組所設計的系統可以向下兼容；功率消耗規範為12W；目前受到Amazon、Facebook和系統設備廠商Cisco的支持。OSFP模組封裝是比較新的外型，尺寸比QSFP-DD略大一些，所以可支援較高的功率消耗達到16W，較容易達成長距離傳輸的設計，但缺少與QSFP28向下兼相性；目前受到Google與Arista Networks等公司支持。如圖1，為CFP8、QSFP-DD、OSFP三種400Gbps光收發器模組封裝型式。
除了前述三種400Gbps光收發器模組封裝型式外，COBO(Consortium of On-Board Optics)也制訂一種400Gbps的介面，將光收發器直接配置在系統的印刷電路板上，其優勢在於可以靈活地放置收發模組，讓光收發器模組可以更接近系統內部的高速積體電路，便於處理訊號完整性的問題。COBO光收發模組安裝在系統電路板上，所以有較大的散熱空間，有助於可以提高模組整體操作功率。目前400Gbps COBO仍為概念性的光收發器模組，商用的產品仍然少見，Microsoft為主要支持廠商之一。
高速光收發器模組的製作成本主要有三大部分：光電元件的成本、訊號處理晶片的成本以及模組光學與機械封裝的成本。
光電元件的成本主要取決於發射器與接收器的所需元件的數量與價格，例如：雷射二極體、光調變器、光二極體、光多工/解多工器等元件。訊號處理晶片的成本主要包含雷射驅動器、轉阻放大器、時脈與資料恢復器等晶片，而對於PAM4訊號的處理目前需要加入前向糾錯(Forward Error Correction, FEC)功能來補償訊號失真，但目前光收發器模組中並不包含可以處理FEC的數位訊號處理晶片。而封裝的成本主要取決於通道的數量，通常光纖數量的需求越多將會增加封裝的成本，可以使用WDM技術來減少光纖數量，但必須加入光多工/解多工器。而模組的功率消耗也應該需要列入成本的評估中，這部分影響實際應用操作時的成本，通常通道數量多的模組會有較高的功率消耗。當然，實際光收發器模組的成本還與模組的使用規模有關，當模組需求量提高，其相關的各類元件或電路晶片的成本將隨著技術成熟及製造規模擴大而降低。
800G/1.6T光收發器驅動矽光子技術
400Gbps光收發器模組之後的下一代，應該是朝向800Gbps和1.6Tbps光收發器模組發展，而要實現800Gbps和1.6Tbps光收發器主要的方式不外乎提高光通道的操作速率，或者是增加光通道的數目。而在訊號調變格式除了目前已在400Gbps模組中使用的PAM4格式之外，相同傳輸速率具有更低頻寬需求的DMT(Discrete Multi-Tone)調變是值得關注技術。根據文獻針對PAM4與DMT傳輸的比較，在長距離單模光纖傳輸，加入色散補償後的PAM4格式的傳輸相較DMT的傳輸仍有較佳的接收靈敏度，但DMT格式傳輸受到色散的影響很小，可以不需進行色散補償。
PAM8與NRZ格式相比，相同的頻寬可提高三倍操作速率，雖然也是被討論的技術之一，但PAM8需要更高的訊號雜訊比才能獲得足夠的誤碼率。目前進行PAM4或DMT格式的調變多是透過光收發器模組外部的數位訊號處理器來進行訊號格式的調變，而這部分將隨著CMOS積體電路技術的進步，可以獲得有更高操作速率與更低功率消耗的電路，這讓數位訊號處理器的性能會越來越好，更有利於未來高階訊號格式調變的處理。而在光通道數目提高的技術方面，將需要有更高度的光學與光電元件整合，所以未來在光收發器模組中引進矽光子技術絕對是必要的。
