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1. 數(shù)據(jù)中心光傳輸技術(shù)的演進(jìn) 隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心得到迅猛發(fā)展，成為信息社會(huì)中的重要基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)據(jù)中心由大量服務(wù)器組成，服務(wù)器之間需要高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸和交換，傳統(tǒng)的電纜傳輸不能滿足速率要求，光纖傳輸技術(shù)自2010年左右進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，至今已經(jīng)成為主流傳輸技術(shù)。 早期的數(shù)據(jù)中心規(guī)模不大，所需傳輸距離在數(shù)十至數(shù)百米，通常采用多模光纖并行傳輸技術(shù)，并不斷優(yōu)化多模光纖的色散性能，以支持更高速率、更長(zhǎng)距離的傳輸需求。其中符合OM4標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖，可支持10G信號(hào)傳輸550米。 然而，數(shù)據(jù)中心的主流傳輸速率已進(jìn)入100G時(shí)代，通常采用4×25G傳輸方案，單信道傳輸速率達(dá)到25G，多模光纖已經(jīng)不能支持這么高的傳輸速率，單模光纖被引入100G傳輸系統(tǒng)。事實(shí)上，單模光纖的成本比多模光纖高，但單模光纖的傳輸波長(zhǎng)在1310nm波段，而多模光纖的傳輸波長(zhǎng)在850nm波段，1310nm波段的光電子器件較850nm波段的光電子器件貴得多。 單模光纖傳輸4×25G光信號(hào)，最早采用的是PSM4方案，通過8根光纖實(shí)現(xiàn)一對(duì)收發(fā)模塊之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。PSM4的每個(gè)光纖收發(fā)器僅需采用一個(gè)激光器，分光四路，分別經(jīng)四個(gè)調(diào)制器輸出，因此節(jié)省了光源成本。但是隨著傳輸距離的增加，光纖成本迅速增加，因此PSM4通常應(yīng)用于傳輸距離在500米以下的場(chǎng)景。 對(duì)于傳輸距離大于500米的應(yīng)用場(chǎng)景，為了節(jié)約光纖成本，電信網(wǎng)中的CWDM技術(shù)被引入數(shù)據(jù)中心，即為CWDM4傳輸方案，通過波分復(fù)用/解復(fù)用器，在一根光纖中傳輸1271nm、1291nm、1311nm、1331nm四個(gè)間隔20nm的波長(zhǎng)，這樣在兩個(gè)光纖收發(fā)模塊之間，只需兩根光纖就可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。CWDM4可支持4×25G信號(hào)傳輸，在500~2000米傳輸距離較PSM4方案有成本優(yōu)勢(shì)。 2. CWDM4技術(shù)方案 CWDM技術(shù)在電信網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，國(guó)際電信聯(lián)盟ITU在1271-1611nm波段定義了18個(gè)間隔20nm的CWDM信道。數(shù)據(jù)通信中的CWDM4標(biāo)準(zhǔn)，采用其中靠近G652單模光纖的零色散點(diǎn)的四個(gè)波長(zhǎng)，即1271-1331nm。 數(shù)據(jù)中心100G光纖收發(fā)模塊，目前的主流封裝形式是QSFP28，模塊中集成了4個(gè)半導(dǎo)體激光器、光探測(cè)器陣列及其驅(qū)動(dòng)電路，以及無源的CWDM4組件。為了將CWDM4組件集成到QSFP28模塊中，需要盡量小型化設(shè)計(jì)，對(duì)尺寸的要求比電信應(yīng)用中的CCWDM模塊（一種緊湊型CWDM模塊）更嚴(yán)苛。 1)Z-block技術(shù) 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1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(fù)用，另一組用于波分解復(fù)用，各濾波片的透射波長(zhǎng)分別為1271nm、1291nm、1311nm、1331nm。 
圖1. 貼裝CWDM4濾波片的Z-block結(jié)構(gòu) Z-block組件的波分復(fù)用發(fā)射光路如圖2所示，注意斜方棱鏡的背面部分區(qū)域鍍了高反膜。從右側(cè)4個(gè)準(zhǔn)直器發(fā)射的光信號(hào)，分別透過對(duì)應(yīng)的濾波片，經(jīng)不同反射次數(shù)，到達(dá)左側(cè)公共端的準(zhǔn)直器，耦合到輸出光纖中。由于斜方棱鏡中的光路較長(zhǎng)，達(dá)到10mm量級(jí)，因此必須采用總共五個(gè)準(zhǔn)直器。反射光路及準(zhǔn)直光束的耦合，對(duì)角度非常敏感，因此不能采用一體化的準(zhǔn)直器陣列，而必須對(duì)每個(gè)輸入準(zhǔn)直器獨(dú)立調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)，組裝工藝較為復(fù)雜。
圖2. Z-block的復(fù)用發(fā)射光路 Z-block組件的波分解復(fù)用接收光路如圖3所示，公共端光信號(hào)從左側(cè)準(zhǔn)直器輸入，各信道的光信號(hào)經(jīng)過不同反射次數(shù)，透過對(duì)應(yīng)的濾波片，經(jīng)微透鏡聚焦在光探測(cè)器陣列上的對(duì)應(yīng)單元。光探測(cè)器陣列貼裝在PCB板上，如圖3（b）所示。在水平面內(nèi)被波分解復(fù)用的光束，需經(jīng)過一個(gè)直角棱鏡實(shí)現(xiàn)90度轉(zhuǎn)向，沿豎直方向入射在光探測(cè)器上。光探測(cè)器的有源區(qū)尺寸通常只有Φ50微米，Z-block中傳輸?shù)臏?zhǔn)直光束直徑遠(yuǎn)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(nèi)，上下左右調(diào)節(jié)，以將聚焦光斑對(duì)準(zhǔn)光探測(cè)器的有源區(qū)。這個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)焦過程，也增加了Z-block組裝工藝的復(fù)雜度。
圖3. Z-block的解復(fù)用接收光路 2)AWG技術(shù) 為了簡(jiǎn)化封裝工藝，以減小尺寸和降低成本，人們開發(fā)了基于集成光學(xué)技術(shù)的CWDM4 AWG芯片。AWG是陣列波導(dǎo)光柵的簡(jiǎn)稱，在電信網(wǎng)中早已成熟應(yīng)用。電信網(wǎng)中的AWG被用于復(fù)用/解復(fù)用DWDM光信號(hào)，信道間隔通常為200G或者100G（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)間隔1.6nm或者0.8nm）。因?yàn)閼?yīng)用場(chǎng)景主要是電信網(wǎng)的骨干網(wǎng)，對(duì)成本不敏感。 將AWG技術(shù)引入數(shù)據(jù)中心的CWDM4傳輸系統(tǒng)，波長(zhǎng)間隔增加至20nm，技術(shù)難點(diǎn)降低了，但為了集成到QSFP28模塊中并規(guī)模應(yīng)用，對(duì)AWG芯片的尺寸和成本約束要嚴(yán)苛得多，目前主流的CWDM4 AWG芯片，尺寸可以控制在2mm×10mm以內(nèi)。最早的CWDM4 AWG芯片，輸入/輸出端口位于兩端，如圖4所示。為了便于繞纖并集成于光纖收發(fā)模塊中，人們開發(fā)了單側(cè)輸入/輸出的CWDM4 AWG芯片，通過彎曲波導(dǎo)將輸入端口繞至輸出端，如圖5所示。這樣的設(shè)計(jì)，也進(jìn)一步簡(jiǎn)化了波導(dǎo)與光纖陣列之間的耦合工藝。當(dāng)然，由于芯片寬度有限，波導(dǎo)彎曲半徑小于1mm，會(huì)引入一定的彎曲損耗。
圖4. CWDM4 AWG芯片結(jié)構(gòu)—兩側(cè)輸入/輸出
圖5. CWDM4 AWG芯片結(jié)構(gòu)—單側(cè)輸入/輸出 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(hào)的復(fù)用發(fā)射，另一個(gè)用于光信號(hào)的解復(fù)用接收。發(fā)射端的CWDM4 AWG芯片目前主要采用圖5所示的單側(cè)輸入/輸出結(jié)構(gòu)，而在接收端，解復(fù)用的各個(gè)波長(zhǎng)終將被光探測(cè)器檢測(cè)，無需耦合到單模光纖中繼續(xù)傳輸。為此，接收端CWDM4 AWG芯片通常采用圖4所示的兩側(cè)輸入/輸出結(jié)構(gòu)，輸出端口采用多模光波導(dǎo)，并將輸出端面拋光成45°斜面，實(shí)現(xiàn)光束的90度轉(zhuǎn)折，入射在光探測(cè)器陣列上，后者被直接貼裝在PCB板上。 這種設(shè)計(jì)有兩點(diǎn)好處，其一采用多模波導(dǎo)輸出，可以實(shí)現(xiàn)AWG通帶譜線的平坦化設(shè)計(jì)，優(yōu)化信道質(zhì)量；其二輸出光經(jīng)90度轉(zhuǎn)折后直接入射光探測(cè)器陣列，省去了波導(dǎo)陣列與光纖陣列之間的對(duì)接耦合，簡(jiǎn)化了組裝工藝。 3)梳狀濾波器技術(shù) 采用集成光學(xué)技術(shù)的CWDM4 AWG芯片，相對(duì)于Z-block技術(shù)，尺寸減小，并且裝配工藝大大簡(jiǎn)化，有利于降低成本。但是AWG器件的通帶平坦度不好，信道質(zhì)量劣化，并且損耗比Z-block大得多。 有廠商將電信網(wǎng)中的光學(xué)梳狀濾波器ITL技術(shù)引入數(shù)據(jù)通信，圖6所示為基于集成光學(xué)技術(shù)的光學(xué)梳狀濾波器，它是由數(shù)個(gè)級(jí)聯(lián)的MZI干涉臂組成的。實(shí)際上，電信網(wǎng)中的光學(xué)梳狀濾波器，主要面向DWDM應(yīng)用，考慮溫度穩(wěn)定性，通常采用GTI諧振腔或者雙折射晶體方案，集成光學(xué)梳狀濾波器無法滿足實(shí)用條件。
圖6. 基于集成光學(xué)技術(shù)的光學(xué)梳狀濾波器 但CWDM4傳輸系統(tǒng)的信道間隔是20nm，對(duì)溫漂的容差較大，因此可以采用集成光學(xué)梳狀濾波器。注意圖6中的MZI干涉臂，通過彎曲波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光程差，而波導(dǎo)彎曲會(huì)產(chǎn)生損耗。光波導(dǎo)可避免產(chǎn)生彎曲損耗的最小彎曲半徑，取決于波導(dǎo)的折射率差，為了減小彎曲半徑以縮小芯片尺寸，現(xiàn)有供應(yīng)商采用的是氮化硅波導(dǎo)。然而，折射率差越大的光波導(dǎo)，良率會(huì)受影響，并且與光纖的耦合損耗會(huì)增大。 光學(xué)梳狀濾波器是一種1×2端口器件，為了實(shí)現(xiàn)1×4波分復(fù)用/解復(fù)用，需要通過三個(gè)梳狀濾波器串并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，如圖7所示，其中ITL#1的波長(zhǎng)間隔是20nm，ITL#2和ITL#3的波長(zhǎng)間隔是40nm。
圖7. 由三個(gè)光學(xué)梳狀濾波器ITL串并聯(lián)而成的CWDM4芯片 CWDM4系統(tǒng)中的光學(xué)梳狀濾波器和AWG均采用集成光學(xué)技術(shù)，前者具有更低的損耗和更好的信道質(zhì)量，但良率稍低。 3.CWDM4技術(shù)對(duì)比 Z-block、AWG和ITL三種CWDM技術(shù)方案，各自的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，如表1所示。
對(duì)比可知，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，甚至能支持100G信號(hào)傳輸10公里。但是該技術(shù)的工藝難度高，造成成本居高不下。AWG技術(shù)的損耗最大，信道質(zhì)量最差，但工藝難度和成本最低，滿足數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)降成本的訴求，正在逐步替代Z-block技術(shù)的市場(chǎng)。ITL技術(shù)具有媲美Z-block技術(shù)的信道質(zhì)量，損耗也比AWG小得多，組裝工藝難度與AWG相當(dāng)，目前的問題是芯片良率偏低，如這個(gè)問題得到解決，將是最好的CWDM4解決方案。 關(guān)于作者 億源通長(zhǎng)期堅(jiān)守“精品制造”理念，力爭(zhēng)在光通信領(lǐng)域具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，并不斷持續(xù)增加核心產(chǎn)品以及核心技術(shù)研發(fā)戰(zhàn)略布局，可為客戶提供光器件設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、與銷售的一站式服務(wù)。 |
