應用于高速收發(fā)模塊的并行光學和WDM波分光學技術(shù)

光模塊的傳輸距離分為短距、中距、長距。通常短距離傳輸是指2km以下的傳輸距離，中距為10-20km。≥30km的則為長距離傳輸。根據(jù)不同的傳輸距離，光模塊類型分為SR(100m)、DR(500m)、FR(2km)、LR(10 km)、ER(40 km)、ZR(80 km)幾種。

光模塊的傳輸距離

其中，SR, LR, ER是由IEEE規(guī)范的標準統(tǒng)一光模塊的結(jié)構(gòu)封裝和相關(guān)接口，而DR，F(xiàn)R是由MSA組織統(tǒng)一定義的。在100G及以下速率的數(shù)據(jù)中心，SR(Short Range)短距離光模塊多采用多模并行技術(shù)。DR短距PSM4(Parallel Single Mode 4 channels)是500米傳輸，采用的是1310nm波長，使用單模并行。FR短距CWDM 4光模塊則很好的填補了LR在2km以下成本過高的空白，是LR在500m到2km范圍下的替代產(chǎn)品，采用的是波分復用技術(shù)。LR(Long Range)在單模光纖上支持的距離最遠為10km，使用CWDM或LWDM波長激光。ER表示擴展可達(Extended Reach)，在單模光纖上支持長達40km的距離，使用LWDM波長激光。 ZR也并不是IEEE標準，可以通過單模光纖傳輸達到80公里的距離，使用DWDM波長激光。

光模塊提升帶寬的方法有兩種：1)提高每個通道的比特速率，如直接提升波特率，或者保持波特率不變，使用復雜的調(diào)制解調(diào)方式(如PAM4);2)增加通道數(shù)，如提升并行光纖數(shù)量，或采用波分復用(CWDM、DWDM)。在數(shù)據(jù)中心光模塊就產(chǎn)生了兩種傳輸方案—并行和波分。在當前100G以及以下速率的數(shù)據(jù)中心，短距離光模塊使用的更多是并行技術(shù)。

并行傳輸&波分復用

什么是并行光學技術(shù)?并行光學技術(shù)是一種特殊的光通信技術(shù)，在鏈路兩端發(fā)射并接收信號，通常采用并行光學收發(fā)光模塊來實現(xiàn)兩端的高速信號傳輸。傳統(tǒng)的光纖收發(fā)模塊無法滿足日益增長的高速傳輸需求，而并行光學技術(shù)可以成為 4×50G，8×50Gbps傳輸?shù)慕?jīng)濟高效的解決方案。

在并行光學的信號傳輸中，鏈路兩端的并行光模塊中含有多個發(fā)射器和接收器，采用多條光纖，信號通過多條路徑傳輸和接收，并行傳輸利用可支持每秒 10 至 100 Gigabit 數(shù)據(jù)速率的多個通道。如下圖所示，8路同時并行傳輸，這樣數(shù)量傳輸速率大大提高。也就是說A端以4個Tx端通過四根光纖以每路50Gbps的速率傳輸?shù)紹端 Rx端接收，達到總和200Gbps的傳輸速率。

并行光學技術(shù)

在長距離傳輸中，光模塊一般采用的是WDM波分復用技術(shù)。波分復用技術(shù)可以實現(xiàn)單根光纖對多個波長信號的傳輸，這會成倍提升光纖的傳輸容量，已經(jīng)被廣泛應用在光通訊的中長距離傳輸和數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)中。

WDM波分復用技術(shù)

在光收發(fā)器中，為了實現(xiàn)波分復用(mux)和解復用(demux)，最核心的光器件就是mux和demux光組件，mux和demux都屬于無源器件。目前光模塊的波分復用組件主要有兩種實現(xiàn)技術(shù)：基于空間光學的TFF(薄膜濾波器Thin-Film Filters)，基于PLC(集成平面光波導 Planar Light Circuit )的陣列波導光柵(ArrayedWaveguide Grating，AWG)、刻蝕衍射光柵(Echelle Diffraction Grating,EDG)、級聯(lián)MZI陣列(Mach-Zehnder interferometer, MZI)等。

空間光學&波導光學

TFF(Thin Film Filter)薄膜濾光片技術(shù)，在光模塊里所用的TFF技術(shù)主要采用Z-block方法來實現(xiàn)。利用自由空間光學(Free Space Optics)設(shè)計，結(jié)合準直器，用4個CWDM波長的濾光片通過微光學的方式進行合波和分波。最早采用的CWDM4組件是基于薄膜濾波片TFF的Z-block技術(shù),如圖所示,8個TFF濾波片分兩組粘貼在一個斜方棱鏡上,一組用于波分復用,另一組用于波分解復用,各濾波片的透射波長分別為1271nm、1291nm、1311nm、1331nm。

Z-block技術(shù)

400G集成光學組件

為了簡化封裝工藝，以減小尺寸和降低成本，人們開發(fā)了基于集成光學技術(shù)的CWDM4 AWG芯片。AWG是陣列波導光柵的簡稱，在電信網(wǎng)中早已成熟應用。AWG和Z-block都是高速光模塊大量應用的光學組件。Z-block技術(shù)在一定程序上優(yōu)于AWG，性能更好，鏈路損耗更小，能夠傳輸更遠距離。但是對耦合要求比較高，組裝比較復雜，對于空間要求較高，不利于更多通道數(shù)的應用。相比于 TFF 技術(shù)，AWG 的集成度更高，一個 AWG 芯片可完成多個波長的復用及解復用功能， 減少復雜組裝工藝，利于降低封裝成本，通道數(shù)目多，插入損耗較小。在未來更高集成應用上，如果AWG在波長穩(wěn)定以及制作工藝上進行優(yōu)化升級，可能會更具優(yōu)勢。

AWG CWDM4

電信傳輸網(wǎng)中的AWG被用于復用/解復用DWDM光信號，與CWDM4 AWG有些區(qū)別，其通道數(shù)一般為32/40/48通道，其通道間隔通常為200G或者100G(對應波長間隔1.6nm或者0.8nm)，應用場景主要是電信網(wǎng)的骨干網(wǎng)，典型的結(jié)構(gòu)如圖所示，它包括一個輸入波導、一個輸入星形耦合器(圖中自由傳輸區(qū)域FPR)、一組陣列波導、一個輸出星形耦合器和數(shù)十根輸出波導。

陣列波導光柵示意圖

Z-block技術(shù)具有損耗低和信道質(zhì)量好的優(yōu)點，基于Z-block技術(shù)的CWDM4模塊，能支持100G或更高速率的信號傳輸10公里及以上。在應用趨勢上，AWG多應用于傳統(tǒng)光模塊接收端，具備極佳的成本優(yōu)勢和封裝優(yōu)勢。發(fā)射端，AWG和TFF方案都有應用，而由于TFF在性能上更優(yōu)，早起TFF應用更多，但綜合考慮成本和性能，AWG性能也能大致滿足，在傳統(tǒng)方案中占比有一定提升。

審核編輯：湯梓紅