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）。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。
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(Arrayed Waveguide Grating，AWG)、刻蝕衍射光柵（Echelle Diffraction Grating, EDG）、級聯(lián)MZI陣列（Mach-Zehnder interferometer, MZI）等。其中TFF(基于Z-BLOCK)和AWG(陣列波導光柵)是兩種最常用、最典型的MUX/DEMUX子組件。 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。通過(guò)波分復用/解復用器，在一根光纖中傳輸1271nm、1291nm、1311nm、1331nm四個(gè)波長(cháng)信號。
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（Arrayed Waveguide Grating）平面陣列波導光柵技術(shù)，基于CWDM4-AWG的芯片目前已經(jīng)成熟且大規模應用于100Gbps CWDM4 QSFP28的產(chǎn)品中。 最早的CWDM4 AWG芯片，輸入/輸出端口位于兩端，如下圖所示。為了便于繞纖并集成于光纖收發(fā)模塊中，人們開(kāi)發(fā)了單側輸入/輸出的CWDM4 AWG芯片，通過(guò)彎曲波導將輸入端口繞至輸出端，如圖所示。這樣的設計，也進(jìn)一步簡(jiǎn)化了波導與光纖陣列之間的耦合工藝。當然，由于芯片寬度有限，波導彎曲半徑小于1mm，會(huì )引入一定的彎曲損耗。
一個(gè)CWDM4光纖收發(fā)模塊中，需要兩個(gè)CWDM4 AWG芯片，一個(gè)用于光信號的復用發(fā)射，另一個(gè)用于光信號的解復用接收。發(fā)射端的CWDM4 AWG芯片目前主要采用圖所示的單側輸入/輸出結構，而在接收端，解復用的各個(gè)波長(cháng)終將被光探測器檢測，無(wú)需耦合到單模光纖中繼續傳輸。為此，接收端CWDM4 AWG芯片通常采用圖4所示的兩側輸入/輸出結構，輸出端口采用多模光波導，并將輸出端面拋光成45°斜面，實(shí)現光束的90度轉折，入射在光探測器陣列上，后者被直接貼裝在PCB板上。 Z-block和AWG均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，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。 目前這兩種方案都有廠(chǎng)商在應用。 下面介紹一下TFF技術(shù)中的幾個(gè)重要組件。 Z-block 波分復用/解復用組件是高速率光模塊最為重要的部件之一，而Z-block是波分復用/解復用組件里面核心的器件。 如下圖為Z-block的典型結構，中間是一個(gè)處理過(guò)的斜方棱鏡（也是平行四邊形玻璃基板），斜方棱鏡的背面部分區域鍍了高反射膜，另一側貼有不同波長(cháng)的WDM濾波片，每個(gè)濾光片只能讓當前通道波長(cháng)的光信號通過(guò)，并且反射其它通道的波長(cháng)，也即選擇一特定波長(cháng)的光束通過(guò)。
從右側4個(gè)準直器發(fā)射的光信號,分別透過(guò)對應的濾波片,經(jīng)不同反射次數,到達左側公共端的準直器,耦合到輸出光纖中。這個(gè)過(guò)程就實(shí)現光路的MUX。例如，含有四個(gè)波長(cháng)的準直光束從入射端依設計角度射入，1271通道直接透過(guò)濾波片1，從斜方棱鏡增透膜區域輸出；1291信號通過(guò)濾光片2后入射到棱鏡上的反射膜區域，正好被反射到濾波片1上，濾波片1再次將它反射到棱鏡上增透膜區域，并從增透膜區域輸出；以此類(lèi)推，1311/1331信號經(jīng)過(guò)來(lái)回反射，也最終從block增透膜區域輸出，整個(gè)光路在Block中呈現Z字型，也因此叫Z-block。
Z-block組件的波分解復用接收光路如下圖所示,公共端光信號從左側準直器輸入,各信道的光信號經(jīng)過(guò)不同反射次數,透過(guò)對應的濾波片,經(jīng)微透鏡聚焦在光探測器陣列上的對應單元。光探測器陣列貼裝在PCB板上,如圖(b)所示。在水平面內被波分解復用的光束,需經(jīng)過(guò)一個(gè)直角棱鏡實(shí)現90度轉向,沿豎直方向入射在光探測器上。光探測器的有源區尺寸通常只有Φ50微米,Z-block中傳輸的準直光束直徑遠大于此,因此需要微透鏡聚焦,并且微透鏡需要在垂直光路的橫截面內,上下左右調節,以將聚焦光斑對準光探測器的有源區。這個(gè)調節對焦過(guò)程,也增加了Z-block組裝工藝的復雜度。
一束光能反射幾次? 理論是無(wú)數，但是根據光的散射性，和物質(zhì)對光的吸收性，一束光是有反射次數限制的，直到全部被散射或者吸收。目前，Z-block的通道數量更通用的是4通道，這主要是受到光學(xué)性能和裝配成品率的約束，因為一束光在Z-block濾波片上反射次數一般不超過(guò)4次，通道數量越多，各光束之間的平行度就越差，光斑質(zhì)量也會(huì )越差，影響耦合效率。 目前市場(chǎng)的800G更多是采用8×100G的方案，在800G的FR8、LR8等光模塊中，應用比較多的還是Z-block技術(shù)方案。各家的800G方案各不同，有大概幾種常見(jiàn)的類(lèi)型：
準直器fiber collimators 光纖準直器，用于輸入準直的信號光，將從光纖中的輸出光轉化成指定光束直徑或光斑尺寸的自由空間準直光束，它們還可以反向使用，將光聚焦到光纖中。一般由光纖頭、準直透鏡和套管組成。當激光從波導發(fā)射出來(lái)通常是發(fā)散角很大的高斯光束，傳播在自由空間中光斑很快地發(fā)散變大，不利于自由空間中各光學(xué)元件的集成，這時(shí)候就需要準直器。當光束離開(kāi)準直器時(shí)，準直透鏡可確保光束平行或聚焦。準直透鏡可以是C-lens、Grin-lens、球透鏡、非球面透鏡等。
光隔離器 Isolator 光隔離器是一種只允許單向光通過(guò)的無(wú)源光器件，其工作原理是基于法拉第旋轉的非互易性。 光隔離器是由法拉第磁光效應原理制成，當平面偏振光沿著(zhù)磁場(chǎng)方向入射到非旋光材料時(shí)，光偏振面將旋轉角度θ， 如果反射光再一次通過(guò)法拉第光偏振面將旋轉角度2θ。簡(jiǎn)單地說(shuō)，光隔離器只允許在同一個(gè)方向上的光通過(guò)，隔離掉光纖回波反射的光，從而保護激光器不受反射光的干擾。一般由三個(gè)部分組成，左右兩邊分別是輸入和輸出偏光片，中間是法拉第旋轉器。
工作原理是：當光從第一個(gè)輸入偏光片穿過(guò)時(shí)，發(fā)生垂直偏振，到達中間的旋轉器，旋轉器只會(huì )朝一個(gè)方向旋轉45°，旋轉后的光與放置在旋轉器之后的偏光片的角度一致，因此光可以繼續通過(guò)并輸出。當反方向的光通過(guò)右邊的偏光片進(jìn)入到旋轉器，又再同一個(gè)方向旋轉45°，被旋轉后的光到前面的偏光片，因為極化方向不同，沒(méi)辦法通過(guò)，因此被隔離掉，從而在相反方向上阻止光信號的傳輸。 在光收發(fā)器中，通過(guò)分立組件組裝的方法實(shí)現波分復用解復用，包括光纖準直器、WDM濾光片、反射鏡、透鏡、隔離器等，組裝效率較低。通過(guò)Z-block自由空間技術(shù)，可集成透鏡、準直器、隔離器等組件，通過(guò)精準的光路設計優(yōu)化，提高耦合效率。 HYC的這款集成光學(xué)組件主要是應用于400G/800G FR/ER/LR高速光收發(fā)模塊，RX端集成了Receptacle, collimator, Z-block, lens array, isolator, prism等組件，只需一步簡(jiǎn)單耦合即可組裝到光收發(fā)模塊，極大地簡(jiǎn)化了光模塊的組裝和耦合。產(chǎn)品的核心技術(shù)在于通過(guò)光學(xué)模擬仿真，整合精密光學(xué)耦合組裝和測試以及光學(xué)元器件冷加工能力，設計最佳耦合組件，保證快速耦合及最佳插入損耗。HYC可在客戶(hù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從Design-in階段參與聯(lián)合開(kāi)發(fā)，提供產(chǎn)品設計全光路模擬仿真，Z-block面型尺寸控制，基于客戶(hù)側設計不同高斯光束分布情況分析，匯聚光束質(zhì)量和位置公差分析，到精密光學(xué)耦合組裝和測試，可靠性管控的定制化服務(wù)。
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