高速光收发模块中WDM波分技术简介

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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）。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。



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(Arrayed Waveguide Grating，AWG)、刻蚀衍射光栅（Echelle Diffraction Grating, EDG）、级联MZI阵列（Mach-Zehnder interferometer, MZI）等。其中TFF(基于Z-BLOCK)和AWG(阵列波导光栅)是两种最常用、最典型的MUX/DEMUX子组件。

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。通过波分复用/解复用器，在一根光纤中传输1271nm、1291nm、1311nm、1331nm四个波长信号。


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（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。

最早的CWDM4 AWG芯片，输入/输出端口位于两端，如下图所示。为了便于绕纤并集成于光纤收发模块中，人们开发了单侧输入/输出的CWDM4 AWG芯片，通过弯曲波导将输入端口绕至输出端，如图所示。这样的设计，也进一步简化了波导与光纤阵列之间的耦合工艺。当然，由于芯片宽度有限，波导弯曲半径小于1mm，会引入一定的弯曲损耗。


一个CWDM4光纤收发模块中，需要两个CWDM4 AWG芯片，一个用于光信号的复用发射，另一个用于光信号的解复用接收。发射端的CWDM4 AWG芯片目前主要采用图所示的单侧输入/输出结构，而在接收端，解复用的各个波长终将被光探测器检测，无需耦合到单模光纤中继续传输。为此，接收端CWDM4 AWG芯片通常采用图4所示的两侧输入/输出结构，输出端口采用多模光波导，并将输出端面抛光成45°斜面，实现光束的90度转折，入射在光探测器阵列上，后者被直接贴装在PCB板上。

Z-block和AWG均有各自的优缺点，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。 目前这两种方案都有厂商在应用。

下面介绍一下TFF技术中的几个重要组件。
Z-block
波分复用/解复用组件是高速率光模块最为重要的部件之一，而Z-block是波分复用/解复用组件里面核心的器件。
如下图为Z-block的典型结构，中间是一个处理过的斜方棱镜（也是平行四边形玻璃基板），斜方棱镜的背面部分区域镀了高反射膜，另一侧贴有不同波长的WDM滤波片，每个滤光片只能让当前通道波长的光信号通过，并且反射其它通道的波长，也即选择一特定波长的光束通过。


从右侧4个准直器发射的光信号,分别透过对应的滤波片,经不同反射次数,到达左侧公共端的准直器,耦合到输出光纤中。这个过程就实现光路的MUX。例如，含有四个波长的准直光束从入射端依设计角度射入，1271通道直接透过滤波片1，从斜方棱镜增透膜区域输出；1291信号通过滤光片2后入射到棱镜上的反射膜区域，正好被反射到滤波片1上，滤波片1再次将它反射到棱镜上增透膜区域，并从增透膜区域输出；以此类推，1311/1331信号经过来回反射，也最终从block增透膜区域输出，整个光路在Block中呈现Z字型，也因此叫Z-block。


Z-block组件的波分解复用接收光路如下图所示,公共端光信号从左侧准直器输入,各信道的光信号经过不同反射次数,透过对应的滤波片,经微透镜聚焦在光探测器阵列上的对应单元。光探测器阵列贴装在PCB板上,如图(b)所示。在水平面内被波分解复用的光束,需经过一个直角棱镜实现90度转向,沿竖直方向入射在光探测器上。光探测器的有源区尺寸通常只有Φ50微米,Z-block中传输的准直光束直径远大于此,因此需要微透镜聚焦,并且微透镜需要在垂直光路的横截面内,上下左右调节,以将聚焦光斑对准光探测器的有源区。这个调节对焦过程,也增加了Z-block组装工艺的复杂度。

一束光能反射几次? 理论是无数，但是根据光的散射性，和物质对光的吸收性，一束光是有反射次数限制的，直到全部被散射或者吸收。目前，Z-block的通道数量更通用的是4通道，这主要是受到光学性能和装配成品率的约束，因为一束光在Z-block滤波片上反射次数一般不超过4次，通道数量越多，各光束之间的平行度就越差，光斑质量也会越差，影响耦合效率。

目前市场的800G更多是采用8×100G的方案，在800G的FR8、LR8等光模块中，应用比较多的还是Z-block技术方案。各家的800G方案各不同，有大概几种常见的类型：

准直器fiber collimators
光纤准直器，用于输入准直的信号光，将从光纤中的输出光转化成指定光束直径或光斑尺寸的自由空间准直光束，它们还可以反向使用，将光聚焦到光纤中。一般由光纤头、准直透镜和套管组成。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。当光束离开准直器时，准直透镜可确保光束平行或聚焦。准直透镜可以是C-lens、Grin-lens、球透镜、非球面透镜等。

光隔离器 Isolator
光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。 光隔离器是由法拉第磁光效应原理制成，当平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时，光偏振面将旋转角度θ， 如果反射光再一次通过法拉第光偏振面将旋转角度2θ。简单地说，光隔离器只允许在同一个方向上的光通过，隔离掉光纤回波反射的光，从而保护激光器不受反射光的干扰。一般由三个部分组成，左右两边分别是输入和输出偏光片，中间是法拉第旋转器。

工作原理是：当光从第一个输入偏光片穿过时，发生垂直偏振，到达中间的旋转器，旋转器只会朝一个方向旋转45°，旋转后的光与放置在旋转器之后的偏光片的角度一致，因此光可以继续通过并输出。当反方向的光通过右边的偏光片进入到旋转器，又再同一个方向旋转45°，被旋转后的光到前面的偏光片，因为极化方向不同，没办法通过，因此被隔离掉，从而在相反方向上阻止光信号的传输。

在光收发器中，通过分立组件组装的方法实现波分复用解复用，包括光纤准直器、WDM滤光片、反射镜、透镜、隔离器等，组装效率较低。通过Z-block自由空间技术，可集成透镜、准直器、隔离器等组件，通过精准的光路设计优化，提高耦合效率。

HYC的这款集成光学组件主要是应用于400G/800G FR/ER/LR高速光收发模块，RX端集成了Receptacle, collimator, Z-block, lens array, isolator, prism等组件，只需一步简单耦合即可组装到光收发模块，极大地简化了光模块的组装和耦合。产品的核心技术在于通过光学模拟仿真，整合精密光学耦合组装和测试以及光学元器件冷加工能力，设计最佳耦合组件，保证快速耦合及最佳插入损耗。HYC可在客户产品开发从Design-in阶段参与联合开发，提供产品设计全光路模拟仿真，Z-block面型尺寸控制，基于客户侧设计不同高斯光束分布情况分析，汇聚光束质量和位置公差分析，到精密光学耦合组装和测试，可靠性管控的定制化服务。