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作者：榆文，肖明 yl23455永利集团

提要：本文单一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)波分技术的差距，并探求准直器与Z-block波分技术有关的自由空间光学概想。

1. 行业布景

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，均处于一个急剧增长的趋向，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年预计会达到628个，年复合增长率达到13%。随着列国5G派司的发放和基础建设，无线宽带的流量也出现发作式增长，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阐发的极度显著，险些每 2 年数据 中心的互换带宽在价值不变的情况下翻倍，从而满足急剧增长的超等利用对于带宽的需 求。短视频业务的鼓起、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 延的超等利用，物联网产生的海量数据对于边缘推算的必要等等，城市让超高宽带建设 变得越发火急。这其中，高速光收发器件的技术演进和规模产业化也在肯定水平上推动 了数据中心和移动宽带建设。

笔者已经在《超大数据中心架构》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 数据中心必要近 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 互换机到服务器的短距互联。而 Rack-toRack 之间 2 公里内的 100Gbps 高速互联器件，2018 年现实发货数量就超过了 6 百万 只。凭据 Lightcounting 于 2019 年 7 月颁布的最新汇报预测，仅云服务商对于高速光器 件的需要，在 2025 年前会超过 60 亿美元。Dell’Oro 在 2018 年也已经预测 25GbE 以 上的高速光器件需要会达到近 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，对目前行衣凤主流高速光收发器件做一个单一分类，（其中有部门类型还不是MSA尺度）。

1.3 波分技术在高速光器件中的利用

     随着激光器的发展逐步到了一个物理瓶颈，VCSEL和DFB激光器在56Gbps均存在高温不不变性，还必要一按功夫开发，持久靠得住性也必要累积数据验证，所以平行光学以及波分技术大量利用于高速光器件的设计中。对于波分技术的利用，也重要集中鄙人面几个部门：

短距传输：

好比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，在一根多模光纤中同时传输承载在这4个波长上的信号，从而达到速度x4倍传输，目前多用于40Gbps和100Gbps的短距利用。

在新一代的400Gbps利用中，越来越多主流设计由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调造后达到56Gbps，通过薄膜滤光片技术进行合波和分波，从而只必要4根多模光纤即可传输400Gbps信号，在OM4多模光纤上能够传输100m距离，相对于SR8和SR16要大大削减了光纤资源以及相应的成本。

500m-2km中距离传输：
    对于100Gbps，重要集中在CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)波分技术，利用4路CWDM波长1271nm, 1291nm, 1311nm, 1331nm，通路距离为20nm，选用非造冷DML激光器，通过Mux/Demux进行合波和分波，从而达到4x25Gbps的成效。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，重要是各人熟知的Z-block（后文有具体介绍），必要结合准直器，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，其利益在于：1）插入损耗低，从而降低对激光器发射功率的要求；2）波长随温度变动比力幼，可用于户表。但对耦合提出了比力高的要求，造程功夫相对较长，Z-block的组装也比力复杂。另表，对于空间的要求比力高，不利于更多通路数的利用，对于未来更高速度的光器件可能必要8个通路以上的设计提出了极度大的挑战。

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利用于100Gbps CWDM4 QSFP28的产品中。重要是与FA（Fiber Array）光纤阵列器件结合，其重要利益在于：1）AWG芯片造程工艺比力不变，一旦设计成熟，产品的一致性会得到保障；2）相对Z-block而言容易进行耦合测试。其弊端也是极度不言而喻的，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领域根基上节造在20-65℃，AWG自身的温漂就达到0.5nm，DML激光器自身的温漂也会达到4.5nm，但此刻CWDM4-AWG芯片的工艺比力成熟，在有效带宽领域内（+/-6.5nm），能够达到2.5dB甚至更低的插损，能够不用对AWG芯片进行温控的情况下，满足器件对于Link Budget设计的要求。

思考到TFF和AWG各自的优弊端，两条路线均在同步推动中，各自都有一些厂商在支持并均已形成规；霾芰。

目前下一代400Gbps FR4的国际尺度组织（100G Lambda）中，主流的设计已经朝向持续使用CWDM4作为波长选择。

10km和40km中长距离传输：

重要是利用LAN-WDM技术，4个波长为1295.56nm,1300.05nm, 1304.58nm, 1309.14nm，但通路距离为800GHz（6.4nm），1dB有效带宽为2.8nm相对比力窄，从而必要造冷式激光器。波分技术也一样，别离基于TFF和AWG技术，技术挑战也极度大。对于TFF技术而言，其光路设计稍有失慎容易造成插损、光斑、以及PDL指标不梦想；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利用而言，有两种技术门户：

   1）基于PAM4技术，使用2路DWDM波长，实现100Gbps 80km长距离传输，但思考到非线性效应，高速度激光器的消光比ER比力低，PAM4芯片也会劣化信号，链路上必要使用EDFA（掺饵光纤放大器）和TDC（可调色散赔偿）器件。由于数据中心Intra-Cloud之间的光纤类型、等级以及距离纵横交错，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矫捷。

   2）有关（Coherent）技术，在整个C波段，波长可调，且波长距离能够到50GHz（0.4nm），能够形成多通路组合的SuperChannel。有关基于分歧的调造技术，好比BPSK,QPSK, DP-QPSK， QAM等，如下表。有关技术不是本文会商沉点，这里暂一笔带过，以来做专题会商。

2 高速光器件中波吩祺件简介

前文提到的两种波分技术中，AWG技术由于激光多在波导中传布的关系，光耦合的方式是单纯的波导对波导耦合，思考的成分相对于TFF技术少一些，所以工艺相对不变性高。TFF技术的激光通常会脱离波导在自由空间中传布一段距离，有时还会经过各类元件，所以耦合的成分必要思考的更多，下面针对TFF技术中自由空间光学利用的准直器与Z-block做介绍。

2.1 准直器

在自由空间光学(Free space optics)的利用中，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，传布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，这时辰就必要准直器。普遍来说准直器的作用是将发散光准直为平行光，其实这种说法比力不严谨并且容易使人误会，由于激光即便加上准直器后传布仍是高斯光束，同样拥有束腰及发散角，只是发散角比所谓的”发散光”幼好多。

通常准直器的组成为波导搭配准直透镜，如图1所示，波导部门可所以尾纤、插芯、激光器或其它类似的结构，准直透镜可所以C-lens、Grin-lens、球透镜、非球面透镜或其它职能类似的部件。

有别于几何光学，高斯光学的成像公式基于几何光学上参与了物的瑞利长杜纂离焦间的关系，建改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，蓝色线与褐色线别离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辰（即s/f → 1），几何光学与高斯光学所暗示的像距差距越大。值得一提的是在几何光学中，物在焦点地位时像会在无限远处，而在高斯光学中，物在焦点地位时像也会落在焦点上。

造作光纤准直器的方式通常有两种，一是在半工作距离的地位使用全反镜耦合到最佳耦合效能，第二种是在必要的工作距离下使用光斑机丈量光斑大幼，两种方式各有利弊。图4中s’/f = 2的地位对应到褐色线的两个点，也就是说若是使用前者的做法使用全反镜耦合，会存在两个物距地位能够耦合到最佳，且全反韭冯焦点越远（s’/f越大）这两个耦合效能最佳的地位越靠近，这意味着耦应时可能会”耦错地位”的概率就大。

对于一组耦合器的对耦的耦合了局，能够等效为光纤的衔接，如图5所示，能够等效成接管端的光纤衔接(a部门)，也可等效成准直光区域的光纤衔接(b部门)与接管端的光纤衔接(c部门)，等效成分歧的地位差距在于束腰大。ㄒ嗫煽醋魇枪庀说哪３≈本叮，分歧的束腰大幼对于各类耦合误差有着分歧的影响（如角度误差、横向平移误差、离焦误差与光斑不匹配等），在宽泛的自由空间光学利用中，能够视技术工艺来决定等效的地位，以便误差对耦合效能的推算。

2.2 Z-block

Z-block是TFF波分技术中常用的一种方式，通常由一个平行四边形玻璃基板搭配数个分歧通路的TFF滤波器所组成。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，折射后打在第一通路的滤波器上，该通路的波长穿透出Z-block而其余波长反射，再经过全反射膜后大再第二通路的滤波器上，以此类推在相应的通路滤出所需的波长。

对于Z-block重要思考的规格有入出射光角度、各束光间距及角度一致性，设计者能够用单一的几何光学来描述光的传布方向，若是波长差距不大，推算中能够忽略分歧波长造成的些微误差。把Z-block的光路结构简化成一个美满的平行四边形如图6b，光在Z-block中反射的一幼段长度为

推算各波长传布的光程距离时必要思考光在介质中传布的影响，在拥有多种介质的情况能够归一等效成空气介质方便推算得出各个通路的传布距离。由于分歧通路拥有分歧的传布距离，所以准直器很难设计一个美满的工作距离切合，以4ch Demux为例，如图8所示，将”Z”字形光路拉直后各个通路对应的地位在束腰处成两侧对称，意即将准直器束腰地位搁置在最大传布距离与最幼传布距离的中央，如此一来光斑的一致性会高些，接管端各通路的耦合效能也会差距较幼。

3 结语

有鉴于近年数据中心与无线数据流量的增长带头高速光收发器件的急剧发展与重大的需要量，传统无源的波分技术已宽泛利用在高速光收发器件中，对于分歧的波分技术各自占有曲直与必要突破的瓶颈，在切合经济规模出产的前提下做出分歧选择是大势所趋。在TFF波分技术中高斯光束在自由空间的阐发是影响耦合效能的主因，设计时必要思考准直器及Z-block匹配性，使用时能力达到梦想的光学个性指标。

参考文件：

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. 《超大数据中心架构-光电互联接口数量及类型浅谈（上）》，肖明，光纤在线