应用于高速收发模块的并行光学&WDM波分光学技术

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光模块的传输距离分为短距、中距、长距。通常短距离传输是指2km以下的传输距离，中距为10-20km。≥30km的则为长距离传输。根据不同的传输距离，光模块类型分为SR（100m）、DR（500m）、FR（2km）、LR（10 km）、ER（40 km）、ZR（80 km）几种。



其中，SR, LR, ER是由IEEE规范的标准统一光模块的结构封装和相关接口，而DR，FR是由MSA组织统一定义的。在100G及以下速率的数据中心，SR（Short Range）短距离光模块多采用多模并行技术。DR短距PSM4(Parallel Single Mode 4 channels)是500米传输，采用的是1310nm波长，使用单模并行。FR短距CWDM 4光模块则很好的填补了LR在2km以下成本过高的空白，是LR在500m到2km范围下的替代产品，采用的是波分复用技术。LR（Long Range）在单模光纤上支持的距离最远为10km，使用CWDM或LWDM波长激光。ER表示扩展可达（Extended Reach），在单模光纤上支持长达40km的距离，使用LWDM波长激光。 ZR也并不是IEEE标准，可以通过单模光纤传输达到80公里的距离，使用DWDM波长激光。

光模块提升带宽的方法有两种：1）提高每个通道的比特速率，如直接提升波特率，或者保持波特率不变，使用复杂的调制解调方式（如PAM4）；2）增加通道数，如提升并行光纤数量，或采用波分复用（CWDM、DWDM）。在数据中心光模块就产生了两种传输方案—并行和波分。在当前100G以及以下速率的数据中心，短距离光模块使用的更多是并行技术。


什么是并行光学技术?并行光学技术是一种特殊的光通信技术，在链路两端发射并接收信号，通常采用并行光学收发光模块来实现两端的高速信号传输。传统的光纤收发模块无法满足日益增长的高速传输需求，而并行光学技术可以成为 4×50G，8×50Gbps传输的经济高效的解决方案。

在并行光学的信号传输中，链路两端的并行光模块中含有多个发射器和接收器，采用多条光纤，信号通过多条路径传输和接收，并行传输利用可支持每秒 10 至 100 Gigabit 数据速率的多个通道。如下图所示，8路同时并行传输，这样数量传输速率大大提高。也就是说A端以4个Tx端通过四根光纤以每路50Gbps的速率传输到B端 Rx端接收，达到总和200Gbps的传输速率。


在长距离传输中，光模块一般采用的是WDM波分复用技术。波分复用技术可以实现单根光纤对多个波长信号的传输，这会成倍提升光纤的传输容量，已经被广泛应用在光通讯的中长距离传输和数据中心的互联中。


在光收发器中，为了实现波分复用（mux）和解复用(demux)，最核心的光器件就是mux和demux光组件，mux和demux都属于无源器件。目前光模块的波分复用组件主要有两种实现技术：基于空间光学的TFF（薄膜滤波器Thin-Film Filters），基于PLC（集成平面光波导 Planar Light Circuit ）的阵列波导光栅(ArrayedWaveguide Grating，AWG)、刻蚀衍射光栅（Echelle Diffraction Grating,EDG）、级联MZI阵列（Mach-Zehnder interferometer, MZI）等。


TFF（Thin Film Filter）薄膜滤光片技术，在光模块里所用的TFF技术主要采用Z-block方法来实现。利用自由空间光学（Free Space Optics）设计，结合准直器，用4个CWDM波长的滤光片通过微光学的方式进行合波和分波。最早采用的CWDM4组件是基于薄膜滤波片TFF的Z-block技术,如图所示,8个TFF滤波片分两组粘贴在一个斜方棱镜上,一组用于波分复用,另一组用于波分解复用,各滤波片的透射波长分别为1271nm、1291nm、1311nm、1331nm。



为了简化封装工艺，以减小尺寸和降低成本，人们开发了基于集成光学技术的CWDM4 AWG芯片。AWG是阵列波导光栅的简称，在电信网中早已成熟应用。AWG和Z-block都是高速光模块大量应用的光学组件。Z-block技术在一定程序上优于AWG，性能更好，链路损耗更小，能够传输更远距离。但是对耦合要求比较高，组装比较复杂，对于空间要求较高，不利于更多通道数的应用。相比于 TFF 技术，AWG 的集成度更高，一个 AWG 芯片可完成多个波长的复用及解复用功能， 减少复杂组装工艺，利于降低封装成本，通道数目多，插入损耗较小。在未来更高集成应用上，如果AWG在波长稳定以及制作工艺上进行优化升级，可能会更具优势。


电信传输网中的AWG被用于复用/解复用DWDM光信号，与CWDM4 AWG有些区别，其通道数一般为32/40/48通道，其通道间隔通常为200G或者100G（对应波长间隔1.6nm或者0.8nm），应用场景主要是电信网的骨干网，典型的结构如图所示，它包括一个输入波导、一个输入星形耦合器（图中自由传输区域FPR）、一组阵列波导、一个输出星形耦合器和数十根输出波导。

Z-block技术具有损耗低和信道质量好的优点，基于Z-block技术的CWDM4模块，能支持100G或更高速率的信号传输10公里及以上。在应用趋势上，AWG多应用于传统光模块接收端，具备极佳的成本优势和封装优势。发射端，AWG和TFF方案都有应用，而由于TFF在性能上更优，早起TFF应用更多，但综合考虑成本和性能，AWG性能也能大致满足，在传统方案中占比有一定提升。

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