作者：榆文，肖明 蘇州天孚光通信股份有限公司

摘要：本文簡單介紹高速光收發(fā)器件的發(fā)展與種類(100Gbps, 200Gbps, 400Gbps)，談及平面陣列波導(dǎo)光柵(AWG)與薄膜濾光片(TFF)波分技術(shù)的差異，并探討準(zhǔn)直器與Z-block波分技術(shù)相關(guān)的自由空間光學(xué)概念。

1. 行業(yè)背景

1.1 高速光收發(fā)器件的發(fā)展

    近年來無論是數(shù)據(jù)中心流量還是無線數(shù)據(jù)流量，均處于一個(gè)快速增長的趨勢，從而極大的拉動了高速寬帶的建設(shè)。全球超大數(shù)據(jù)中心的數(shù)量在2018年已經(jīng)突破430個(gè)，據(jù)最新的思科全球云指數(shù)預(yù)測，到2021年預(yù)計(jì)會達(dá)到628個(gè)，年復(fù)合增長率達(dá)到13%。隨著各國5G牌照的發(fā)放和基礎(chǔ)建設(shè)，無線寬帶的流量也呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，思科在2019年最新的白皮書中指出，年復(fù)合增長率達(dá)到驚人的46%。

摩爾定律（Moore’s Law）在數(shù)據(jù)中心的演進(jìn)中表現(xiàn)的非常明顯，幾乎每 2 年數(shù)據(jù) 中心的交換帶寬在價(jià)格不變的情況下翻倍，從而滿足快速增長的超級應(yīng)用對于帶寬的需 求。短視頻業(yè)務(wù)的興起、超高清視頻走入家庭、5G 的建設(shè)帶來更多潛在的高帶寬低時(shí) 延的超級應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對于邊緣計(jì)算的需要等等，都會讓超高寬帶建設(shè) 變得越發(fā)迫切。這其中，高速光收發(fā)器件的技術(shù)演進(jìn)和規(guī)模產(chǎn)業(yè)化也在一定程度上推動 了數(shù)據(jù)中心和移動寬帶建設(shè)。

筆者曾經(jīng)在《超大數(shù)據(jù)中心架構(gòu)》一文中，就 Google 的 Jupiter 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其高速 光接口做了分析，一個(gè) Jupiter 數(shù)據(jù)中心需要近 20 萬只高速以太網(wǎng)卡，每個(gè)以太網(wǎng)卡需 要至少 2 個(gè)高速光器件，而這僅僅是 TOR 交換機(jī)到服務(wù)器的短距互聯(lián)。而 Rack-toRack 之間 2 公里內(nèi)的 100Gbps 高速互聯(lián)器件，2018 年實(shí)際發(fā)貨數(shù)量就超過了 6 百萬 只。根據(jù) Lightcounting 于 2019 年 7 月發(fā)布的最新報(bào)告預(yù)測，僅云服務(wù)商對于高速光器 件的需求，在 2025 年前會超過 60 億美元。Dell’Oro 在 2018 年也曾經(jīng)預(yù)測 25GbE 以 上的高速光器件需求會達(dá)到近 6 千萬只。

1.2 高速光收發(fā)器件的種類

    這里我們僅以100Gbps/200Gbps/400Gbps為例，對目前行業(yè)里主流高速光收發(fā)器件做一個(gè)簡單分類，（其中有部分類型還不是MSA標(biāo)準(zhǔn)）。

1.3 波分技術(shù)在高速光器件中的應(yīng)用

     隨著激光器的發(fā)展逐漸到了一個(gè)物理瓶頸，VCSEL和DFB激光器在56Gbps均存在高溫不穩(wěn)定性，還需要一定時(shí)間開發(fā)，長期可靠性也需要累積數(shù)據(jù)驗(yàn)證，所以平行光學(xué)以及波分技術(shù)大量應(yīng)用于高速光器件的設(shè)計(jì)中。對于波分技術(shù)的應(yīng)用，也主要集中在下面幾個(gè)部分：

短距傳輸：

比如SWDM (ShortWavelength Division Multiplexing)，利用4路短波長850nm,880nm, 910nm, 940nm激光器，通過Mux/Demux濾光片技術(shù)，在一根多模光纖中同時(shí)傳輸承載在這4個(gè)波長上的信號，從而達(dá)到速率x4倍傳輸，目前多用于40Gbps和100Gbps的短距應(yīng)用。

在新一代的400Gbps應(yīng)用中，越來越多主流設(shè)計(jì)由SR16和SR8轉(zhuǎn)向SR4.2，其也是利用承載在4路850nm和4路910nm的信號，每一路信號由25Gbps的VCSEL激光經(jīng)過PAM4調(diào)制后達(dá)到56Gbps，通過薄膜濾光片技術(shù)進(jìn)行合波和分波，從而只需要4根多模光纖即可傳輸400Gbps信號，在OM4多模光纖上可以傳輸100m距離，相對于SR8和SR16要大大減少了光纖資源以及相應(yīng)的成本。

500m-2km中距離傳輸：
    對于100Gbps，主要集中在CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)波分技術(shù)，利用4路CWDM波長1271nm, 1291nm, 1311nm, 1331nm，通道間隔為20nm，選用非制冷DML激光器，通過Mux/Demux進(jìn)行合波和分波，從而達(dá)到4x25Gbps的效果。但波分技術(shù)目前有兩個(gè)主流方向，也是借鑒傳統(tǒng)無源波分技術(shù)。

TFF（Thin Film Filter）薄膜濾光片技術(shù)，主要是大家熟知的Z-block（后文有詳細(xì)介紹），需要結(jié)合準(zhǔn)直器，利用自由空間光學(xué)設(shè)計(jì)，用4個(gè)CWDM波長的濾光片通過微光學(xué)的方式進(jìn)行合波和分波，其優(yōu)點(diǎn)在于：1）插入損耗低，從而降低對激光器發(fā)射功率的要求；2）波長隨溫度變化比較小，可用于戶外。但對耦合提出了比較高的要求，制程時(shí)間相對較長，Z-block的組裝也比較復(fù)雜。另外，對于空間的要求比較高，不利于更多通道數(shù)的應(yīng)用，對于未來更高速率的光器件可能需要8個(gè)通道以上的設(shè)計(jì)提出了非常大的挑戰(zhàn)。

AWG（Arrayed Waveguide Grating）平面陣列波導(dǎo)光柵技術(shù)，基于CWDM4-AWG的芯片目前已經(jīng)成熟且大規(guī)模應(yīng)用于100Gbps CWDM4 QSFP28的產(chǎn)品中。主要是與FA（Fiber Array）光纖陣列器件結(jié)合，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：1）AWG芯片制程工藝比較穩(wěn)定，一旦設(shè)計(jì)成熟，產(chǎn)品的一致性會得到保證；2）相對Z-block而言容易進(jìn)行耦合測試。其缺點(diǎn)也是非常顯而易見的，1）較大的波長溫度漂移；2）較高的插損。通常AWG的溫漂系數(shù)在11pm/ ℃，對于數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫度范圍基本上控制在20-65℃，AWG本身的溫漂就達(dá)到0.5nm，DML激光器本身的溫漂也會達(dá)到4.5nm，但現(xiàn)在CWDM4-AWG芯片的工藝比較成熟，在有效帶寬范圍內(nèi)（+/-6.5nm），可以達(dá)到2.5dB甚至更低的插損，可以不必對AWG芯片進(jìn)行溫控的情況下，滿足器件對于Link Budget設(shè)計(jì)的要求。

考慮到TFF和AWG各自的優(yōu)缺點(diǎn)，兩條路線均在同步推進(jìn)中，各自都有一些廠商在支持并均已形成規(guī)模化生產(chǎn)能力。

目前下一代400Gbps FR4的國際標(biāo)準(zhǔn)組織（100G Lambda）中，主流的設(shè)計(jì)已經(jīng)朝向繼續(xù)使用CWDM4作為波長選擇。

10km和40km中長距離傳輸：

主要是利用LAN-WDM技術(shù)，4個(gè)波長為1295.56nm,1300.05nm, 1304.58nm, 1309.14nm，但通道間隔為800GHz（6.4nm），1dB有效帶寬為2.8nm相對比較窄，從而需要制冷式激光器。波分技術(shù)也一樣，分別基于TFF和AWG技術(shù)，技術(shù)挑戰(zhàn)也非常大。對于TFF技術(shù)而言，其光路設(shè)計(jì)稍有不慎容易造成插損、光斑、以及PDL指標(biāo)不理想；對于AWG技術(shù)而言，溫漂和插損是兩座大山。

40km以上長距離傳輸：

   對于100Gbps應(yīng)用而言，有兩種技術(shù)流派：

   1）基于PAM4技術(shù)，使用2路DWDM波長，實(shí)現(xiàn)100Gbps 80km長距離傳輸，但考慮到非線性效應(yīng)，高速率激光器的消光比ER比較低，PAM4芯片也會劣化信號，鏈路上需要使用EDFA（摻餌光纖放大器）和TDC（可調(diào)色散補(bǔ)償）器件。由于數(shù)據(jù)中心Intra-Cloud之間的光纖類型、等級以及距離長短不一，非線性效應(yīng)產(chǎn)生的影響不等，對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提出了更多挑戰(zhàn)，同時(shí)業(yè)務(wù)配置也不夠靈活。

   2）相干（Coherent）技術(shù)，在整個(gè)C波段，波長可調(diào)，且波長間隔可以到50GHz（0.4nm），可以形成多通道組合的SuperChannel。相干基于不同的調(diào)制技術(shù)，比如BPSK,QPSK, DP-QPSK， QAM等，如下表。相干技術(shù)不是本文討論重點(diǎn)，這里暫一筆帶過，以后做專題討論。

2 高速光器件中波分器件簡介

前文提到的兩種波分技術(shù)中，AWG技術(shù)因?yàn)榧す舛嘣诓▽?dǎo)中傳播的關(guān)系，光耦合的方式是單純的波導(dǎo)對波導(dǎo)耦合，考慮的因素相對于TFF技術(shù)少一些，所以工藝相對穩(wěn)定性高。TFF技術(shù)的激光一般會離開波導(dǎo)在自由空間中傳播一段距離，有時(shí)還會經(jīng)過各種元件，所以耦合的因素需要考慮的更多，下面針對TFF技術(shù)中自由空間光學(xué)應(yīng)用的準(zhǔn)直器與Z-block做介紹。

2.1 準(zhǔn)直器

在自由空間光學(xué)(Free space optics)的應(yīng)用中，首先介紹準(zhǔn)直器，當(dāng)激光從波導(dǎo)發(fā)射出來通常是發(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(zhǔn)直器。普遍來說準(zhǔn)直器的作用是將發(fā)散光準(zhǔn)直為平行光，其實(shí)這種說法比較不嚴(yán)謹(jǐn)而且容易使人誤解，因?yàn)榧す饧词辜由蠝?zhǔn)直器后傳播仍是高斯光束，同樣具有束腰及發(fā)散角，只是發(fā)散角比所謂的”發(fā)散光”小很多。

一般準(zhǔn)直器的構(gòu)成為波導(dǎo)搭配準(zhǔn)直透鏡，如圖1所示，波導(dǎo)部分可以是尾纖、插芯、激光器或其它類似的結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)直透鏡可以是C-lens、Grin-lens、球透鏡、非球面透鏡或其它功能相似的部件。

有別于幾何光學(xué)，高斯光學(xué)的成像公式基于幾何光學(xué)上加入了物的瑞利長度與離焦間的關(guān)系，修正了幾何光學(xué)的成像公式。把歸一化的物像關(guān)系在坐標(biāo)軸中描述出來如圖4，橫軸是物距跟焦距的比值，縱軸是像距跟焦距的比值，藍(lán)色線與褐色線分別代表幾何光學(xué)與高斯光學(xué)的物像關(guān)系。圖4中顯示在物距越趨近焦距的時(shí)候（即s/f → 1），幾何光學(xué)與高斯光學(xué)所表示的像距差異越大。值得一提的是在幾何光學(xué)中，物在焦點(diǎn)位置時(shí)像會在無窮遠(yuǎn)處，而在高斯光學(xué)中，物在焦點(diǎn)位置時(shí)像也會落在焦點(diǎn)上。

制作光纖準(zhǔn)直器的方式一般有兩種，一是在半工作距離的位置使用全反鏡耦合到最佳耦合效率，第二種是在需要的工作距離下使用光斑機(jī)測量光斑大小，兩種方式各有利弊。圖4中s’/f = 2的位置對應(yīng)到褐色線的兩個(gè)點(diǎn)，也就是說如果使用前者的做法使用全反鏡耦合，會存在兩個(gè)物距位置可以耦合到最佳，且全反鏡離焦點(diǎn)越遠(yuǎn)（s’/f越大）這兩個(gè)耦合效率最佳的位置越接近，這意味著耦合時(shí)可能會”耦錯(cuò)位置”的概率就大。

對于一組耦合器的對耦的耦合結(jié)果，可以等效為光纖的連接，如圖5所示，可以等效成接收端的光纖連接(a部分)，也可等效成準(zhǔn)直光區(qū)域的光纖連接(b部分)與接收端的光纖連接(c部分)，等效成不同的位置差別在于束腰大?。ㄒ嗫煽醋魇枪饫w的模場直徑），不同的束腰大小對于各種耦合誤差有著不同的影響（如角度誤差、橫向平移誤差、離焦誤差與光斑不匹配等），在廣泛的自由空間光學(xué)應(yīng)用中，可以視技術(shù)工藝來決定等效的位置，以便誤差對耦合效率的計(jì)算。

2.2 Z-block

Z-block是TFF波分技術(shù)中常用的一種方式，一般由一個(gè)平行四邊形玻璃基板搭配數(shù)個(gè)不同通道的TFF濾波器所構(gòu)成。如圖6a所示，玻璃基板的左側(cè)需在入出光區(qū)域鍍上抗反射膜，其他部位鍍上抗反射膜。以Demux為例，輸入光從抗反射膜區(qū)域進(jìn)入Z-block，折射后打在第一通道的濾波器上，該通道的波長穿透出Z-block而其余波長反射，再經(jīng)過全反射膜后大再第二通道的濾波器上，以此類推在相應(yīng)的通道濾出所需的波長。

對于Z-block主要考慮的規(guī)格有入出射光角度、各束光間距及角度一致性，設(shè)計(jì)者可以用簡單的幾何光學(xué)來描述光的傳播方向，如果波長差異不大，計(jì)算中可以忽略不同波長造成的些微誤差。把Z-block的光路結(jié)構(gòu)簡化成一個(gè)完美的平行四邊形如圖6b，光在Z-block中反射的一小段長度為

計(jì)算各波長傳播的光程距離時(shí)需要考慮光在介質(zhì)中傳播的影響，在具有多種介質(zhì)的情況可以歸一等效成空氣介質(zhì)方便計(jì)算得出各個(gè)通道的傳播距離。因?yàn)椴煌ǖ谰哂胁煌膫鞑ゾ嚯x，所以準(zhǔn)直器很難設(shè)計(jì)一個(gè)完美的工作距離符合，以4ch Demux為例，如圖8所示，將”Z”字形光路拉直后各個(gè)通道對應(yīng)的位置在束腰處成兩側(cè)對稱，意即將準(zhǔn)直器束腰位置放置在最大傳播距離與最小傳播距離的中間，如此一來光斑的一致性會高些，接收端各通道的耦合效率也會差異較小。

3 結(jié)語

有鑒于近年數(shù)據(jù)中心與無線數(shù)據(jù)流量的增長帶動高速光收發(fā)器件的快速發(fā)展與龐大的需求量，傳統(tǒng)無源的波分技術(shù)已廣泛應(yīng)用在高速光收發(fā)器件中，對于不同的波分技術(shù)各自擁有優(yōu)劣與需要突破的瓶頸，在符合經(jīng)濟(jì)規(guī)模生產(chǎn)的前提下做出不同選擇是大勢所趨。在TFF波分技術(shù)中高斯光束在自由空間的表現(xiàn)是影響耦合效率的主因，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮準(zhǔn)直器及Z-block匹配性，使用時(shí)才能達(dá)到理想的光學(xué)特性指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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

3. 《Cisco VNIMobile 2019》白皮書，Cisco

4. 《超大數(shù)據(jù)中心架構(gòu)-光電互聯(lián)接口數(shù)量及類型淺談（上）》，肖明，光纖在線