应用于高速收发模块的并行光学和WDM波分光学技术

描述

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。

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光模块的传输距离

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。

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并行传输&波分复用

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。

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并行光学技术

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。

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WDM波分复用技术

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。

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空间光学&波导光学

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。

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Z-block技术

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400G集成光学组件

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。

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AWG CWDM4

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。

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阵列波导光栅示意图

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。

审核编辑:汤梓红

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