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波分技術在高速光器件中的應用淺談

发布日期:2019-08-29 来源:xinwen 点击: 1599

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器件的發展與種類(100gbps, 200gbps, 400gbps),談及平面陣列波導光柵(awg)與薄膜濾光片(tff)波分技術的差異,並探討準直器與z-block波分技術相關的自由空間光學概念。

1. 行業背景

1.1 高速光收發器件的發展

    近年來無論是數據中心流量還是無線數據流量,均處於壹個快速增長的趨勢,從而極大的拉動了高速寬帶的建設。全球超大數據中心的數量在2018年已經突破430個,據最新的思科全球雲指數預測,到2021年預計會達到628個,年復合增長率達到13%。隨著各國5g牌照的發放和基礎建設,無線寬帶的流量也呈現爆發式增長,思科在2019年最新的白皮書中指出,年復合增長率達到驚人的46%。


摩爾定律(moore’s law)在數據中心的演進中表現的非常明顯,幾乎每 2 年數據 中心的交換帶寬在價格不變的情況下翻倍,從而滿足快速增長的超級應用對於帶寬的需 求。短視頻業務的興起、超高清視頻走入家庭、5g 的建設帶來更多潛在的高帶寬低時 延的超級應用,物聯網產生的海量數據對於邊緣計算的需要等等,都會讓超高寬帶建設 變得越發迫切。這其中,高速光收發器件的技術演進和規模產業化也在壹定程度上推動 了數據中心和移動寬帶建設。

筆者曾經在《超大數據中心架構》壹文中,就 google 的 jupiter 網絡架構及其高速 光接口做了分析,壹個 jupiter 數據中心需要近 20 萬只高速以太網卡,每個以太網卡需 要至少 2 個高速光器件,而這僅僅是 tor 交換機到服務器的短距互聯。而 rack-torack 之間 2 公裏內的 100gbps 高速互聯器件,2018 年實際發貨數量就超過了 6 百萬 只。根據 lightcounting 於 2019 年 7 月發布的最新報告預測,僅雲服務商對於高速光器 件的需求,在 2025 年前會超過 60 億美元。dell’oro 在 2018 年也曾經預測 25gbe 以 上的高速光器件需求會達到近 6 千萬只。


1.2 高速光收發器件的種類

    這裏我們僅以100gbps/200gbps/400gbps為例,對目前行業裏主流高速光收發器件做壹個簡單分類,(其中有部分類型還不是msa標準)。


1.3 波分技術在高速光器件中的應用

     隨著激光器的發展逐漸到了壹個物理瓶頸,vcsel和dfb激光器在56gbps均存在高溫不穩定性,還需要壹定時間開發,長期可靠性也需要累積數據驗證,所以平行光學以及波分技術大量應用於高速光器件的設計中。對於波分技術的應用,也主要集中在下面幾個部分:

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,在壹根多模光纖中同時傳輸承載在這4個波長上的信號,從而達到速率x4倍傳輸,目前多用於40gbps和100gbps的短距應用。

在新壹代的400gbps應用中,越來越多主流設計由sr16和sr8轉向sr4.2,其也是利用承載在4路850nm和4路910nm的信號,每壹路信號由25gbps的vcsel激光經過pam4調制後達到56gbps,通過薄膜濾光片技術進行合波和分波,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,相對於sr8和sr16要大大減少了光纖資源以及相應的成本。

500m-2km中距離傳輸:
    對於100gbps,主要集中在cwdm (coarse wavelength division multiplexing)波分技術,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進行合波和分波,從而達到4x25gbps的效果。但波分技術目前有兩個主流方向,也是借鑒傳統無源波分技術。

tff(thin film filter)薄膜濾光片技術,主要是大家熟知的z-block(後文有詳細介紹),需要結合準直器,利用自由空間光學設計,用4個cwdm波長的濾光片通過微光學的方式進行合波和分波,其優點在於:1)插入損耗低,從而降低對激光器發射功率的要求;2)波長隨溫度變化比較小,可用於戶外。但對耦合提出了比較高的要求,制程時間相對較長,z-block的組裝也比較復雜。另外,對於空間的要求比較高,不利於更多通道數的應用,對於未來更高速率的光器件可能需要8個通道以上的設計提出了非常大的挑戰。

awg(arrayed waveguide grating)平面陣列波導光柵技術,基於cwdm4-awg的芯片目前已經成熟且大規模應用於100gbps cwdm4 qsfp28的產品中。主要是與fa(fiber array)光纖陣列器件結合,其主要優點在於:1)awg芯片制程工藝比較穩定,壹旦設計成熟,產品的壹致性會得到保證;2)相對z-block而言容易進行耦合測試。其缺點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的溫漂系數在11pm/ ℃,對於數據中心環境溫度範圍基本上控制在20-65℃,awg本身的溫漂就達到0.5nm,dml激光器本身的溫漂也會達到4.5nm,但現在cwdm4-awg芯片的工藝比較成熟,在有效帶寬範圍內( /-6.5nm),可以達到2.5db甚至更低的插損,可以不必對awg芯片進行溫控的情況下,滿足器件對於link budget設計的要求。

考慮到tff和awg各自的優缺點,兩條路線均在同步推進中,各自都有壹些廠商在支持並均已形成規模化生產能力。

目前下壹代400gbps fr4的國際標準組織(100g lambda)中,主流的設計已經朝向繼續使用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,4個波長為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。波分技術也壹樣,分別基於tff和awg技術,技術挑戰也非常大。對於tff技術而言,其光路設計稍有不慎容易造成插損、光斑、以及pdl指標不理想;對於awg技術而言,溫漂和插損是兩座大山。

40km以上長距離傳輸:

   對於100gbps應用而言,有兩種技術流派:

   1)基於pam4技術,使用2路dwdm波長,實現100gbps 80km長距離傳輸,但考慮到非線性效應,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(可調色散補償)器件。由於數據中心intra-cloud之間的光纖類型、等級以及距離長短不壹,非線性效應產生的影響不等,對於網絡設計提出了更多挑戰,同時業務配置也不夠靈活。

   2)相幹(coherent)技術,在整個c波段,波長可調,且波長間隔可以到50ghz(0.4nm),可以形成多通道組合的superchannel。相幹基於不同的調制技術,比如bpsk,qpsk, dp-qpsk, qam等,如下表。相幹技術不是本文討論重點,這裏暫壹筆帶過,以後做專題討論。


2 高速光器件中波分器件簡介

前文提到的兩種波分技術中,awg技術因為激光多在波導中傳播的關系,光耦合的方式是單純的波導對波導耦合,考慮的因素相對於tff技術少壹些,所以工藝相對穩定性高。tff技術的激光壹般會離開波導在自由空間中傳播壹段距離,有時還會經過各種元件,所以耦合的因素需要考慮的更多,下面針對tff技術中自由空間光學應用的準直器與z-block做介紹。

2.1 準直器

在自由空間光學(free space optics)的應用中,首先介紹準直器,當激光從波導發射出來通常是發散角很大的高斯光束,傳播在自由空間中光斑很快地發散變大,不利於自由空間中各光學元件的集成,這時候就需要準直器。普遍來說準直器的作用是將發散光準直為平行光,其實這種說法比較不嚴謹而且容易使人誤解,因為激光即使加上準直器後傳播仍是高斯光束,同樣具有束腰及發散角,只是發散角比所謂的”發散光”小很多。

壹般準直器的構成為波導搭配準直透鏡,如圖1所示,波導部分可以是尾纖、插芯、激光器或其它類似的結構,準直透鏡可以是c-lens、grin-lens、球透鏡、非球面透鏡或其它功能相似的部件。

有別於幾何光學,高斯光學的成像公式基於幾何光學上加入了物的瑞利長度與離焦間的關系,修正了幾何光學的成像公式。把歸壹化的物像關系在坐標軸中描述出來如圖4,橫軸是物距跟焦距的比值,縱軸是像距跟焦距的比值,藍色線與褐色線分別代表幾何光學與高斯光學的物像關系。圖4中顯示在物距越趨近焦距的時候(即s/f → 1),幾何光學與高斯光學所表示的像距差異越大。值得壹提的是在幾何光學中,物在焦點位置時像會在無窮遠處,而在高斯光學中,物在焦點位置時像也會落在焦點上。

制作光纖準直器的方式壹般有兩種,壹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的位置對應到褐色線的兩個點,也就是說如果使用前者的做法使用全反鏡耦合,會存在兩個物距位置可以耦合到最佳,且全反鏡離焦點越遠(s’/f越大)這兩個耦合效率最佳的位置越接近,這意味著耦合時可能會”耦錯位置”的概率就大。

對於壹組耦合器的對耦的耦合結果,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),也可等效成準直光區域的光纖連接(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於束腰大小(亦可看作是光纖的模場直徑),不同的束腰大小對於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應用中,可以視技術工藝來決定等效的位置,以便誤差對耦合效率的計算。

2.2 z-block

z-block是tff波分技術中常用的壹種方式,壹般由壹個平行四邊形玻璃基板搭配數個不同通道的tff濾波器所構成。如圖6a所示,玻璃基板的左側需在入出光區域鍍上抗反射膜,其他部位鍍上抗反射膜。以demux為例,輸入光從抗反射膜區域進入z-block,折射後打在第壹通道的濾波器上,該通道的波長穿透出z-block而其余波長反射,再經過全反射膜後大再第二通道的濾波器上,以此類推在相應的通道濾出所需的波長。


對於z-block主要考慮的規格有入出射光角度、各束光間距及角度壹致性,設計者可以用簡單的幾何光學來描述光的傳播方向,如果波長差異不大,計算中可以忽略不同波長造成的些微誤差。把z-block的光路結構簡化成壹個完美的平行四邊形如圖6b,光在z-block中反射的壹小段長度為


計算各波長傳播的光程距離時需要考慮光在介質中傳播的影響,在具有多種介質的情況可以歸壹等效成空氣介質方便計算得出各個通道的傳播距離。因為不同通道具有不同的傳播距離,所以準直器很難設計壹個完美的工作距離符合,以4ch demux為例,如圖8所示,將”z”字形光路拉直後各個通道對應的位置在束腰處成兩側對稱,意即將準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,如此壹來光斑的壹致性會高些,接收端各通道的耦合效率也會差異較小。

3 結語

有鑒於近年數據中心與無線數據流量的增長帶動高速光收發器件的快速發展與龐大的需求量,傳統無源的波分技術已廣泛應用在高速光收發器件中,對於不同的波分技術各自擁有優劣與需要突破的瓶頸,在符合經濟規模生產的前提下做出不同選擇是大勢所趨。在tff波分技術中高斯光束在自由空間的表現是影響耦合效率的主因,設計時需要考慮準直器及z-block匹配性,使用時才能達到理想的光學特性指標。


參考文獻:

1. 《july 2019 megadatacenter optics》, lightcounting

2. 《ciscoglobal cloud index 2016-2021》白皮書, cisco

3. 《cisco vnimobile 2019》白皮書,cisco

4. 《超大數據中心架構-光電互聯接口數量及類型淺談(上)》,肖明,光纖在線