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波分技术在高速光器件中的应用浅谈

发布日期:2019-08-24 来源:188比分研发部 点击: 138

作者:榆文,肖明 苏州天孚光通信ㄨ股份有限公司

摘要:本文简188比分直播吧官网单介绍高速光收发器件的发展与种类(100Gbps, 200Gbps, 400Gbps),谈及平面阵列波导光栅(AWG)与薄膜滤光片(TFF)波分技术的差竞彩篮球188比分直播异,并探讨准直器与Z-block波分技术相关的自由空间光学概念。

1. 行业背景

1.1 高速光收发器件的发展

    近年来无论是数据中心流量还是无线数◣据流量,均处于一个快速增长的趋势,从而极大的拉动了高速宽带的建设。全球超大数☆据中心的数量在2018年︽已经突破430个,据最新的思科全球云指数预测,到2021年预计会达188比分app到628个,年复合增长率达到13%。随着各国5G牌ζ照的发放和基础建设,无线宽带的流量也呈现爆发式增长,思科在2019年最新的白皮书中指出,年复合增长率达到惊人的46%。



摩尔定律(Moore’s Law)在数据中心的演进中表现的非常明显,几乎每 2 年数据 中¤心的交换带宽在价格不变的情况下翻倍,从而满足快速增长的超级应用对→于带宽的需 求。短视频业务的兴起、超高清视频走入家庭、5G 的建设带来更多潜在的高带宽低时 延的超级▆应用,物联网产生的海量数据对于边缘计算的需要等等,都会让超高宽带建设 变得越发迫切。这其中,高速光收发器件的技术※演进和规模产业化也在一定程度上推动 了数据中心和移动宽带建设。

笔者曾经在《超大数①据中心架构》一文中,就 Google 的 Jupiter 网络架构及其高速 光接口↙做了分析,一个 Jupiter 数据中心需要近 20 万只高速以太网卡,每个以太网卡需 要至少 2 个高№速光器件,而这仅仅是 TOR 交换机到服务器的短距互联188比分直播手机版。而 Rack-toRack 之间 2 公里内的 100Gbps 高速互联器件,2018 年实际发」货数量就超过了 6 百万 只。根据 Lightcounting 于 2019 年 7 月发布的最新报告预测,仅云服务商对于高速光卐器 件的需求,在 2025 年前会超过 60 亿美元。Dell’Oro 在 2018 年也曾经预测※ 25GbE 以 上的高速光器件需求会达到近 6 千万只。

1.2 高速光收◆发器件的种类

    这里我们仅以100Gbps/200Gbps/400Gbps为例,对目前行业里主流高速光收发器件做一个简单分类,(其中有部分类型还不︾是MSA标准)。

1.3 波分技术在高速光器件中的应用

     随着激光器的发展逐渐到了一个物理瓶颈,VCSEL和DFB激光器在56Gbps均存在高温不188比分app稳定性,还需要一定时间开发,长期可靠性也需要累积数据验ω证,所以平行光学以及卐波分技术大量应用于高速光器件的设计中。对于波分技术的应用,也主要集中在下々面几个部分:

短距传输:

比如SWDM (ShortWavelength Division Multiplexing),利用4路短波长850nm,880nm, 910nm, 940nm激光器,通过Mux/Demux滤光片技术,在一根多模光纤中①同时传输承载在这4个波长上的信号,从而达到速率x4倍传输,目前多用于40Gbps和100Gbps的短◤距应用。

在新一代的400Gbps应用中,越来越188比分直播吧多主流设计由SR16和SR8转向SR4.2,其也是利用承载在4路850nm和4路910nm的信号,每一路信◣号由25Gbps的VCSEL激光经过PAM4调制后达到56Gbps,通过薄⊙膜滤光片技术进行合波和分∑ 波,从而只需要4根多模□光纤即可传输400Gbps信号,在OM4多模光纤上可以传输100m距离,相对于SR8和SR16要大大∴减少了光纤资源以及相应的成本。

500m-2km中距离传输:
    对于100Gbps,主要集中在CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)波分技术,利用4路CWDM波长1271nm, 1291nm, 1311nm, 1331nm,通道间隔为20nm,选用非制①冷DML激光器,通过Mux/Demux进行合波和分波,从而达到4x25Gbps的效果。但波分技术目前有两个主流方向,也是借鉴传统无源波分技术。


TFF(Thin Film Filter)薄膜滤光片技术,主要√是大家熟知的Z-block(后文有详细【介绍),需要结合准直器,利用自由空间光学设计,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,其优点188比分appx下载在于:1)插入损耗低,从而降低对激光器发射功率的要求;2)波长随温度变化比较小,可用于↓户外。但对耦合提出了比较高↘的要求,制程nba188比分直播吧时间相对较长,Z-block的组装也比较复杂。另外,对于空间的▼要求比较高,不利〖于更多通道数的应用,对于未来更高速率的光器件可能需要8个通道以上的设计提出了非常大的挑战。

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。主要是与FA(Fiber Array)光纤阵列〗器件结合,其主要优点在于:1)AWG芯片制程工艺比较稳定,一旦设计成熟,产品⌒ 的一致性会得到保证;2)相对Z-block而言容易进行耦合测试。其ω 缺点也是非常显而易见的,1)较大的波长温度漂移;2)较高的插损。通常AWG的】温漂系数在11pm/ ℃,对于数据中心环境温度范☆围基本上控制在20-65℃,AWG本身的温漂就达到0.5nm,DML激光器本身的温漂也会达到4.5nm,但现在CWDM4-AWG芯片的工艺比较成熟,在有效带宽范围内ぷ(+/-6.5nm),可以达到2.5dB甚至更低的插损,可以不必对AWG芯片进行温控的情况下,满足器件≡对于Link Budget设计的要求。

考虑到TFF和AWG各自的优】缺点,两条路线均焦雄188比分直播在同步推进中,各自都有一些厂商在支持并均已形成规模化生产∩能力。

目前♂下一代400Gbps FR4的国际标准组织(100G Lambda)中,主流的设计已经朝向继续使用CWDM4作为波长选择。

10km和40km中长距离传输:

主要◤是利用LAN-WDM技术,4个波长为1295.56nm,1300.05nm, 1304.58nm, 1309.14nm,但通道间隔为800GHz(6.4nm),1dB有效带宽为2.8nm相对比较窄,从而需要▂制冷式激光器。波分技术也一样,分别基于TFF和AWG技术,技术挑█战也非常大。对于TFF技术而言,其光路设计稍有不慎容易造成插损、光斑、以及PDL指标◣不理想;对于AWG技术而言,温漂和插损是两座大山。

40km以上长距离传输】:

   对于100Gbps应用而言,有两种⌒技术流派:

   1)基于PAM4技术,使用2路DWDM波长,实现100Gbps 80km长距离传输,但考虑到非线性效应,高速率激光器的消光比ㄨER比较低,PAM4芯188比分直播足球比新彩客片也会劣化信号,链路上需要使用EDFA(掺饵光纤放大器)和TDC(可调色散补偿◥)器件。由于数据中心㊣ Intra-Cloud之间的光纤□ 类型、等级以及距离长188比分锰矿石价格短不一,非线性效应产生的影响不等,对于网络设计提出了更多挑△战,同时业务配置也♀不够灵活。

   2)相干(Coherent)技术,在整个C波段,波长可调,且波长间隔可以到50GHz(0.4nm),可以形成多通道组合的SuperChannel。相干基于不同的调制技术,比如BPSK,QPSK, DP-QPSK, QAM等,如下表。相干技术不是本文讨论重点,这里暂一●笔带过,以后做专题讨论。

2 高速光器件中波分器件简介

前文提到的两种波分技术中,AWG技术因为激︻光多在波导中传播的关系,光耦合的方式是单纯的波导对波导耦合,考虑¤的因素相对于TFF技术少一些,所以工艺相对@稳定性高。TFF技术的激光一般会离开波导在自由空间中传播一段距离,有时还会经过各种元件,所以耦合的因素需要考虑的更多,下面针对TFF技术中自由空间光学应用的准直器与Z-block做介绍。

2.1 准直器

在自♀由空间光学(Free space optics)的应用中,首先介绍准直◣器,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。普遍来说准直器的作用是将发散光准直为平行光,其实这♀种说法比较不严谨而且容易使人误解,因为激光即使加上准直器后▲传播仍是高斯光束,同样具有束腰及发散角,只是发散角比所谓的”发散光”小很多。

一般准直器的构成为波导搭配准直透镜,如图1所示,波导部分可以是≡尾纤、插芯、激光器或其』它类似的结构,准直透镜可以是C-lens、Grin-lens、球透镜、非球面透镜或其它功能相似的部件。

有别于几何光学,高斯光学的成像公式基于几※何光学上加入了物的瑞利长度与离焦间的关系,修正了几何光学的成像公式。把归一化的物像关》系在坐标轴中描述出来如图4,横轴▓是物距跟焦距的比值,纵轴是像距跟焦距的比值,蓝色线与褐色线分别代表几何光学与高斯光学的物像关系。图4中显示在物距№越趋近焦距的时候(即s/f → 1),几何▽光学与高斯光学所表示的像距差异越大。值得一提的是在几何光学中,物在焦点位置时像会在无穷远处,而在↘高斯光学中,物在焦点位置时像也会落在焦点上。


制作⊙光纤准直器的方式一般有两种,一是在半工作距离的位置使用全♂反镜耦合到最佳耦合效率,第二种╱是在需要的工作距离下使用光斑机测量光斑㊣大小,两ω 种方式各有利弊。图4中s’/f = 2的位置对应到褐色线的188比分足球比分百度两个点,也就是说如果使用前者的做法使用全♂反镜耦合,会存在两个物距位置可以耦合到最佳,且全反镜离焦点越远(s’/f越大)这两个耦合效率最佳的位置越接近,这意味着耦合时可能会”耦错位置”的概率就◢大。

对于○一组耦合器的对耦的耦合结果,可以等效为光纤的连接,如图5所示,可以等效成接收端的光纤连接(a部分),也可等效成准直光区域的『光纤连接(b部分)与接收端↑的光纤连接(c部分),等效成不同的位置差别在于束腰大小(亦可看作是光纤的模场直径),不同的束腰大小对于各种耦合误差有着不同的影响(如角度〓误差、横∩向平移误差、离焦误差与光斑不匹配等),在广泛的自由空间光学应用中,可以视技术工♂艺来决定等效的位置,以便误差对耦合效¤率的计算。


2.2 Z-block

Z-block是TFF波分技术≡中常用的一种方式,一般由一个平行四边形玻璃基板搭配数个不〓同通道的TFF滤波器所构成。如图6a所示,玻璃基板的左侧需在入出光区域镀☆上抗▆反射膜,其他部位镀上抗反射膜。以Demux为例,输入光从抗反射膜区域进入Z-block,折射后打在第一通道的滤波器上▲,该通道的波长穿透出Z-block而其余波长◆反射,再经过全反射膜后大再第二通道的滤波器上,以此类推在相应的通道滤出所需〓的波长。

对于Z-block主要考虑的规格有入出射光角度、各ㄨ束光间距及角度一致性,设计者可以用简单的几何光学来描述光的传播方向,如果波长差异不大╲╲,计算中可以忽略不同∑波长造成的些微误差。把Z-block的光路结构简化成一个完美的平行四边形如图6b,光在Z-block中反射的一小段长度为


计算各波长传播的光程距离时需要考虑光在介质中传〒播的影响,在具有多√种介质的情况可以归一等效成空气介质方便计【算得出各个通道的传播距离。因为不同通㊣ 道具有不同的传播距离,所以准直器很难设计一个完美的工作距ξ 离符合,以4ch Demux为例,如图8所示,将”Z”字形光路拉直后各个通道对应的位置在束腰处成卐两侧对称,意即将准直器束腰位置放置在最大传播距离●与最小传播距离的中间,如此一来光斑的¤一致性会高些,接收端各通道的耦合效率也会差nba比分188比分盘异较小。


3 结语

有鉴于近年数据中心与无线数◣据流量的增长◆带动高速光收发器件的快速发展与庞大的需求量,传统无源的波分技术已广泛应ξ用在高速卐光收发器件中,对于不同的波分技术各自拥有优劣与需要突破的瓶颈,在符合经济规模生产的前提下↘做出不同选择是大势所趋。在TFF波分技术中高斯光束在自由空间的表现是⌒影响耦合效率的主因,设计时需要考虑准直☉器及Z-block匹配性,使用时才能达到理想的光学特◥性指标。


参考文献:

1. 《July 2019 MegaDatacenter Optics》, Lightcounting

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

3. 《Cisco VNIMobile 2019》白皮书,Cisco

4. 《超大数据中有关188比分直播软件下载心架构-光电互联接口数量及类型浅谈(上)》,肖明,光纤在线

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