高速光收發(fā)模塊中WDM波分技術(shù)簡(jiǎn)介

發(fā)布：hycsystembella 2024-11-25 14:07 閱讀：145

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(fù)雜的調(diào)制解調(diào)方式（如PAM4）；2）增加通道數(shù)，如提升并行光纖數(shù)量，或采用波分復(fù)用（CWDM、DWDM）。波分復(fù)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單根光纖對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的傳輸，這會(huì)成倍提升光纖的傳輸容量，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在光通訊的中長(zhǎng)距離傳輸和數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)中。

目前光模塊的波分復(fù)用組件主要有兩種實(shí)現(xiàn)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(dǎo) Planar Light Circuit ）的陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Waveguide Grating，AWG)、刻蝕衍射光柵（Echelle Diffraction Grating, EDG）、級(jí)聯(lián)MZI陣列（Mach-Zehnder interferometer, MZI）等。其中TFF(基于Z-BLOCK)和AWG(陣列波導(dǎo)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方法來實(shí)現(xiàn)。利用自由空間光學(xué)（Free Space Optics）設(shè)計(jì)，結(jié)合準(zhǔn)直器，用4個(gè)CWDM波長(zhǎng)的濾光片通過微光學(xué)的方式進(jìn)行合波和分波。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)波長(zhǎng)信號(hào)。

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（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。
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。

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。
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(hào)傳輸10公里及以上。在應(yīng)用趨勢(shì)上，AWG多應(yīng)用于傳統(tǒng)光模塊接收端，具備極佳的成本優(yōu)勢(shì)和封裝優(yōu)勢(shì)。目前這兩種方案都有廠商在應(yīng)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(fù)用/解復(fù)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(fù)用/解復(fù)用組件里面核心的器件。
如下圖為Z-block的典型結(jié)構(gòu)，中間是一個(gè)處理過的斜方棱鏡（也是平行四邊形玻璃基板），斜方棱鏡的背面部分區(qū)域鍍了高反射膜，另一側(cè)貼有不同波長(zhǎng)的WDM濾波片，每個(gè)濾光片只能讓當(dāng)前通道波長(zhǎng)的光信號(hào)通過，并且反射其它通道的波長(zhǎng)，也即選擇一特定波長(zhǎng)的光束通過。

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。這個(gè)過程就實(shí)現(xiàn)光路的MUX。例如，含有四個(gè)波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光束從入射端依設(shè)計(jì)角度射入，1271通道直接透過濾波片1，從斜方棱鏡增透膜區(qū)域輸出；1291信號(hào)通過濾光片2后入射到棱鏡上的反射膜區(qū)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(qū)域，并從增透膜區(qū)域輸出；以此類推，1311/1331信號(hào)經(jīng)過來回反射，也最終從block增透膜區(qū)域輸出，整個(gè)光路在Block中呈現(xiàn)Z字型，也因此叫Z-block。

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