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波分技术在高速光器件中的应用浅谈

发布日期:2019-08-24 来源:天孚通信研发部 点击: 357

作者:榆文,肖明 苏州天孚光通信股份有限公司

摘要:本文简单介绍高速光收发器件的发展与种类(100Gbps, 200Gbps, 400Gbps),谈及平面阵列波导光栅(AWG)与薄膜滤光片(TFF)波分技术的差异,并探讨准直器与Z-block波分技术相关的自由空间光学概念。

1. 行业背景

1.1 高速光收发器件的发展

    近年来无论是数据中心流量还是无线数据流量,均处于一个快速增长的趋势,从而极大的拉动了高速宽带的建设。全球超大数据中心的数量在2018年已经突破430个,据最新的思科全球云指数预测,到2021年预计会达到628个,年复合增长率达到13%。随着各国5G牌照的发放和基础建设,无线宽带的流量也呈现爆发式增长,思科在2019年最新的白皮书中指出,年复合增长率达到惊人的46%。



摩尔定律(Moore’s Law)在数据中心的演进中表现的非常明显,几乎每 2 年数据 中心的交换带宽在价格不变的情况下翻倍,从而满足快速增长的超级应用对于带宽的需 求。短视频业务的兴起、超高清视频走入家庭、5G 的建设带来更多潜在的高带宽低时 延的超级应用,物联网产生的海量数据对于边缘计算的需要等等,都会让超高宽带建设 变得越发迫切。这其中,高速光收发器件的技术演进和规模产业化也在一定程度上推动 了数据中心和移动宽带建设。

笔者曾经在《超大数据中心架构》一文中,就 Google 的 Jupiter 网络架构及其高速 光接口做了分析,一个 Jupiter 数据中心需要近 20 万只高速以太网卡,每个以太网卡需 要至少 2 个高速光器件,而这仅仅是 TOR 交换机到服务器的短距互联。而 Rack-toRack 之间 2 公里内的 100Gbps 高速互联器件,2018 年实际发货数量就超过了 6 百万 只。根据 Lightcounting 于 2019 年 7 月发布的最新报告预测,仅云服务商对于高速光器 件的需求,在 2025 年前会超过 60 亿美元。Dell’Oro 在 2018 年也曾经预测 25GbE 以 上的高速光器件需求会达到近 6 千万只。

1.2 高速光收发器件的种类

    这里我们仅以100Gbps/200Gbps/400Gbps为例,对目前行业里主流高速光收发器件做一个简单分类,(其中有部分类型还不是MSA标准)。

1.3 波分技术在高速光器件中的应用

     随着激光器的发展逐渐到了一个物理瓶颈,VCSEL和DFB激光器在56Gbps均存在高温不稳定性,还需要一定时间开发,长期可靠性也需要累积数据验证,所以平行光学以及波分技术大量应用于高速光器件的设计中。对于波分技术的应用,也主要集中在下面几个部分:

短距传输:

比如SWDM (ShortWavelength Division Multiplexing),利用4路短波长850nm,880nm, 910nm, 940nm激光器,通过Mux/Demux滤光片技术,在一根多模光纤中同时传输承载在这4个波长上的信号,从而达到速率x4倍传输,目前多用于40Gbps和100Gbps的短距应用。

在新一代的400Gbps应用中,越来越多主流设计由SR16和SR8转向SR4.2,其也是利用承载在4路850nm和4路910nm的信号,每一路信号由25Gbps的VCSEL激光经过PAM4调制后达到56Gbps,通过薄膜滤光片技术进行合波和分波,从而只需要4根多模光纤即可传输400Gbps信号,在OM4多模光纤上可以传输100m距离,相对于SR8和SR16要大大减少了光纤资源以及相应的成本。

500m-2km中距离传输:
    对于100Gbps,主要集中在CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)波分技术,利用4路CWDM波长1271nm, 1291nm, 1311nm, 1331nm,通道间隔为20nm,选用非制冷DML激光器,通过Mux/Demux进行合波和分波,从而达到4x25Gbps的效果。但波分技术目前有两个主流方向,也是借鉴传统无源波分技术。


TFF(Thin Film Filter)薄膜滤光片技术,主要是大家熟知的Z-block(后文有详细介绍),需要结合准直器,利用自由空间光学设计,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,其优点在于:1)插入损耗低,从而降低对激光器发射功率的要求;2)波长随温度变化比较小,可用于户外。但对耦合提出了比较高的要求,制程时间相对较长,Z-block的组装也比较复杂。另外,对于空间的要求比较高,不利于更多通道数的应用,对于未来更高速率的光器件可能需要8个通道以上的设计提出了非常大的挑战。

AWG(Arrayed Waveguide Grating)平面阵列波导光栅技术,基于CWDM4-AWG的芯片目前已经成熟且大规模应用于100Gbps CWDM4 QSFP28的产品中。主要是与FA(Fiber Array)光纤阵列器件结合,其主要优点在于:1)AWG芯片制程工艺比较稳定,一旦设计成熟,产品的一致性会得到保证;2)相对Z-block而言容易进行耦合测试。其缺点也是非常显而易见的,1)较大的波长温度漂移;2)较高的插损。通常AWG的温漂系数在11pm/ ℃,对于数据中心环境温度范围基本上控制在20-65℃,AWG本身的温漂就达到0.5nm,DML激光器本身的温漂也会达到4.5nm,但现在CWDM4-AWG芯片的工艺比较成熟,在有效带宽范围内(+/-6.5nm),可以达到2.5dB甚至更低的插损,可以不必对AWG芯片进行温控的情况下,满足器件对于Link Budget设计的要求。

考虑到TFF和AWG各自的优缺点,两条路线均在同步推进中,各自都有一些厂商在支持并均已形成规模化生产能力。

目前下一代400Gbps FR4的国际标准组织(100G Lambda)中,主流的设计已经朝向继续使用CWDM4作为波长选择。

10km和40km中长距离传输:

主要是利用LAN-WDM技术,4个波长为1295.56nm,1300.05nm, 1304.58nm, 1309.14nm,但通道间隔为800GHz(6.4nm),1dB有效带宽为2.8nm相对比较窄,从而需要制冷式激光器。波分技术也一样,分别基于TFF和AWG技术,技术挑战也非常大。对于TFF技术而言,其光路设计稍有不慎容易造成插损、光斑、以及PDL指标不理想;对于AWG技术而言,温漂和插损是两座大山。

40km以上长距离传输:

   对于100Gbps应用而言,有两种技术流派:

   1)基于PAM4技术,使用2路DWDM波长,实现100Gbps 80km长距离传输,但考虑到非线性效应,高速率激光器的消光比ER比较低,PAM4芯片也会劣化信号,链路上需要使用EDFA(掺饵光纤放大器)和TDC(可调色散补偿)器件。由于数据中心Intra-Cloud之间的光纤类型、等级以及距离长短不一,非线性效应产生的影响不等,对于网络设计提出了更多挑战,同时业务配置也不够灵活。

   2)相干(Coherent)技术,在整个C波段,波长可调,且波长间隔可以到50GHz(0.4nm),可以形成多通道组合的SuperChannel。相干基于不同的调制技术,比如BPSK,QPSK, DP-QPSK, QAM等,如下表。相干技术不是本文讨论重点,这里暂一笔带过,以后做专题讨论。

2 高速光器件中波分器件简介

前文提到的两种波分技术中,AWG技术因为激光多在波导中传播的关系,光耦合的方式是单纯的波导对波导耦合,考虑的因素相对于TFF技术少一些,所以工艺相对稳定性高。TFF技术的激光一般会离开波导在自由空间中传播一段距离,有时还会经过各种元件,所以耦合的因素需要考虑的更多,下面针对TFF技术中自由空间光学应用的准直器与Z-block做介绍。

2.1 准直器

在自由空间光学(Free space optics)的应用中,首先介绍准直器,当激光从波导发射出来通常是发散角很大的高斯光束,传播在自由空间中光斑很快地发散变大,不利于自由空间中各光学元件的集成,这时候就需要准直器。普遍来说准直器的作用是将发散光准直为平行光,其实这种说法比较不严谨而且容易使人误解,因为激光即使加上准直器后传播仍是高斯光束,同样具有束腰及发散角,只是发散角比所谓的”发散光”小很多。

一般准直器的构成为波导搭配准直透镜,如图1所示,波导部分可以是尾纤、插芯、激光器或其它类似的结构,准直透镜可以是C-lens、Grin-lens、球透镜、非球面透镜或其它功能相似的部件。

有别于几何光学,高斯光学的成像公式基于几何光学上加入了物的瑞利长度与离焦间的关系,修正了几何光学的成像公式。把归一化的物像关系在坐标轴中描述出来如图4,横轴是物距跟焦距的比值,纵轴是像距跟焦距的比值,蓝色线与褐色线分别代表几何光学与高斯光学的物像关系。图4中显示在物距越趋近焦距的时候(即s/f → 1),几何光学与高斯光学所表示的像距差异越大。值得一提的是在几何光学中,物在焦点位置时像会在无穷远处,而在高斯光学中,物在焦点位置时像也会落在焦点上。


制作光纤准直器的方式一般有两种,一是在半工作距离的位置使用全反镜耦合到最佳耦合效率,第二种是在需要的工作距离下使用光斑机测量光斑大小,两种方式各有利弊。图4中s’/f = 2的位置对应到褐色线的两个点,也就是说如果使用前者的做法使用全反镜耦合,会存在两个物距位置可以耦合到最佳,且全反镜离焦点越远(s’/f越大)这两个耦合效率最佳的位置越接近,这意味着耦合时可能会”耦错位置”的概率就大。

对于一组耦合器的对耦的耦合结果,可以等效为光纤的连接,如图5所示,可以等效成接收端的光纤连接(a部分),也可等效成准直光区域的光纤连接(b部分)与接收端的光纤连接(c部分),等效成不同的位置差别在于束腰大小(亦可看作是光纤的模场直径),不同的束腰大小对于各种耦合误差有着不同的影响(如角度误差、横向平移误差、离焦误差与光斑不匹配等),在广泛的自由空间光学应用中,可以视技术工艺来决定等效的位置,以便误差对耦合效率的计算。


2.2 Z-block

Z-block是TFF波分技术中常用的一种方式,一般由一个平行四边形玻璃基板搭配数个不同通道的TFF滤波器所构成。如图6a所示,玻璃基板的左侧需在入出光区域镀上抗反射膜,其他部位镀上抗反射膜。以Demux为例,输入光从抗反射膜区域进入Z-block,折射后打在第一通道的滤波器上,该通道的波长穿透出Z-block而其余波长反射,再经过全反射膜后大再第二通道的滤波器上,以此类推在相应的通道滤出所需的波长。

对于Z-block主要考虑的规格有入出射光角度、各束光间距及角度一致性,设计者可以用简单的几何光学来描述光的传播方向,如果波长差异不大,计算中可以忽略不同波长造成的些微误差。把Z-block的光路结构简化成一个完美的平行四边形如图6b,光在Z-block中反射的一小段长度为


计算各波长传播的光程距离时需要考虑光在介质中传播的影响,在具有多种介质的情况可以归一等效成空气介质方便计算得出各个通道的传播距离。因为不同通道具有不同的传播距离,所以准直器很难设计一个完美的工作距离符合,以4ch Demux为例,如图8所示,将”Z”字形光路拉直后各个通道对应的位置在束腰处成两侧对称,意即将准直器束腰位置放置在最大传播距离与最小传播距离的中间,如此一来光斑的一致性会高些,接收端各通道的耦合效率也会差异较小。


3 结语

有鉴于近年数据中心与无线数据流量的增长带动高速光收发器件的快速发展与庞大的需求量,传统无源的波分技术已广泛应用在高速光收发器件中,对于不同的波分技术各自拥有优劣与需要突破的瓶颈,在符合经济规模生产的前提下做出不同选择是大势所趋。在TFF波分技术中高斯光束在自由空间的表现是影响耦合效率的主因,设计时需要考虑准直器及Z-block匹配性,使用时才能达到理想的光学特性指标。


参考文献:

1. 《July 2019 MegaDatacenter Optics》, Lightcounting

2. 《CiscoGlobal Cloud Index 2016-2021》白皮书, Cisco

3. 《Cisco VNIMobile 2019》白皮书,Cisco

4. 《超大数据中心架构-光电互联接口数量及类型浅谈(上)》,肖明,光纤在线