應用于高速收發(fā)模塊的并行光學(xué)&WDM波分光學(xué)技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2022-12-19 15:19    發(fā)布者:億源通HYC
關(guān)鍵詞: 光模塊 , 高速收發(fā)模塊
光模塊的傳輸距離分為短距、中距、長(cháng)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(cháng)距離傳輸。根據不同的傳輸距離,光模塊類(lèi)型分為SR(100m)、DR(500m)、FR(2km)、LR(10 km)、ER(40 km)、ZR(80 km)幾種。



其中,SR, LR, ER是由IEEE規范的標準統一光模塊的結構封裝和相關(guān)接口,而DR,FR是由MSA組織統一定義的。在100G及以下速率的數據中心,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(cháng),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(guò)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(cháng)激光。ER表示擴展可達(Extended Reach),在單模光纖上支持長(cháng)達40km的距離,使用LWDM波長(cháng)激光。 ZR也并不是IEEE標準,可以通過(guò)單模光纖傳輸達到80公里的距離,使用DWDM波長(cháng)激光。

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



什么是并行光學(xué)技術(shù)?并行光學(xué)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(xué)收發(fā)光模塊來(lái)實(shí)現兩端的高速信號傳輸。傳統的光纖收發(fā)模塊無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(cháng)的高速傳輸需求,而并行光學(xué)技術(shù)可以成為 4×50G,8×50Gbps傳輸的經(jīng)濟高效的解決方案。

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



在長(cháng)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(shí)現單根光纖對多個(gè)波長(cháng)信號的傳輸,這會(huì )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(cháng)距離傳輸和數據中心的互聯(lián)中。


在光收發(fā)器中,為了實(shí)現波分復用(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(wú)源器件。目前光模塊的波分復用組件主要有兩種實(shí)現技術(shù):基于空間光學(xué)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。


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(lái)實(shí)現。利用自由空間光學(xué)(Free Space Optics)設計,結合準直器,用4個(gè)CWDM波長(cháng)的濾光片通過(guò)微光學(xué)的方式進(jìn)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(gè)TFF濾波片分兩組粘貼在一個(gè)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(cháng)分別為1271nm、1291nm、1311nm、1331nm。



為了簡(jiǎn)化封裝工藝,以減小尺寸和降低成本,人們開(kāi)發(fā)了基于集成光學(xué)技術(shù)的CWDM4 AWG芯片。AWG是陣列波導光柵的簡(jiǎn)稱(chēng),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(xué)組件。Z-block技術(shù)在一定程序上優(yōu)于A(yíng)WG,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,不利于更多通道數的應用。相比于 TFF 技術(shù),AWG 的集成度更高,一個(gè) AWG 芯片可完成多個(gè)波長(cháng)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,通道數目多,插入損耗較小。在未來(lái)更高集成應用上,如果AWG在波長(cháng)穩定以及制作工藝上進(jìn)行優(yōu)化升級,可能會(huì )更具優(yōu)勢。


電信傳輸網(wǎng)中的AWG被用于復用/解復用DWDM光信號,與CWDM4 AWG有些區別,其通道數一般為32/40/48通道,其通道間隔通常為200G或者100G(對應波長(cháng)間隔1.6nm或者0.8nm),應用場(chǎng)景主要是電信網(wǎng)的骨干網(wǎng),典型的結構如圖所示,它包括一個(gè)輸入波導、一個(gè)輸入星形耦合器(圖中自由傳輸區域FPR)、一組陣列波導、一個(gè)輸出星形耦合器和數十根輸出波導。


Z-block技術(shù)具有損耗低和信道質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn),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(mǎn)足,在傳統方案中占比有一定提升。

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