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作者：榆文，肖明 尊龙凯时
摘要：本文简朴先容高速光收发器件的生长与种类(100Gbps, 200Gbps, 400Gbps)，谈及平面阵列波导光栅(AWG)与薄膜滤光片(TFF)波别离艺的差别，并探讨准直器与Z-block波别离艺相关的自由空间光学看法。
1. 行业配景
1.1 高速光收发器件的生长
近年来无论是数据中心流量照旧无线数据流量，均处于一个快速增添的趋势，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目在2018年已经突破430个，据最新的思科全球云指数展望，到2021年预计会抵达628个，年复合增添率抵达13%。随着各国5G牌照的发放和基础建设，无线宽带的流量也泛起爆发式增添，思科在2019年最新的白皮书中指出，年复合增添率抵达惊人的46%。
摩尔定律（Moore’s Law）在数据中心的演进中体现的很是显着，险些每 2 年数据 中心的交流带宽在价钱稳固的情形下翻倍，从而知足快速增添的超等应用关于带宽的需 求。短视频营业的兴起、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 延的超等应用，物联网爆发的海量数据关于边沿盘算的需要等等，都会让超高宽带建设 变得越发迫切。这其中，高速光收发器件的手艺演进和规模工业化也在一定水平上推动 了数据中心和移动宽带建设。
笔者一经在《超大数据中心架构》一文中，就 Google 的 Jupiter 网络架构及其高速 光接口做了剖析，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 交流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 年现实发货数目就凌驾了 6 百万 只。凭证 Lightcounting 于 2019 年 7 月宣布的最新报告展望，仅云服务商关于高速光器 件的需求，在 2025 年前会凌驾 60 亿美元。Dell’Oro 在 2018 年也一经展望 25GbE 以 上的高速光器件需求会抵达近 6 万万只。
1.2 高速光收发器件的种类
这里我们仅以100Gbps/200Gbps/400Gbps为例，对现在行业里主流高速光收发器件做一个简朴分类，（其中有部分类型还不是MSA标准）。
1.3 波别离艺在高速光器件中的应用
随着激光器的生长逐渐到了一个物理瓶颈，VCSEL和DFB激光器在56Gbps均保存高温不稳固性，还需要一准时间开发，恒久可靠性也需要累积数据验证，以是平行光学以及波别离艺大宗应用于高速光器件的设计中。关于波别离艺的应用，也主要集中在下面几个部分：
短距传输：
好比SWDM (ShortWavelength Division Multiplexing)，使用4路短波长850nm,880nm, 910nm, 940nm激光器，通过Mux/Demux滤光片手艺，在一根多模光纤中同时传输承载在这4个波长上的信号，从而抵达速率x4倍传输，现在多用于40Gbps和100Gbps的短距应用。
在新一代的400Gbps应用中，越来越多主流设计由SR16和SR8转向SR4.2，其也是使用承载在4路850nm和4路910nm的信号，每一起信号由25Gbps的VCSEL激光经由PAM4调制后抵达56Gbps，通过薄膜滤光片手艺举行合波和分波，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，相关于SR8和SR16要大大镌汰了光纤资源以及响应的本钱。
500m-2km中距离传输：
关于100Gbps，主要集中在CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)波别离艺，使用4路CWDM波长1271nm, 1291nm, 1311nm, 1331nm，通道距离为20nm，选用非制冷DML激光器，通过Mux/Demux举行合波和分波，从而抵达4x25Gbps的效果。但波别离艺现在有两个主流偏向，也是借鉴古板无源波别离艺。
TFF（Thin Film Filter）薄膜滤光片手艺，主要是各人熟知的Z-block（后文有详细先容），需要团结准直器，使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法举行合波和分波，其优点在于：1）插入消耗低，从而降低对激光器发射功率的要求；2）波长随温度转变较量小，可用于户外。但对耦合提出了较量高的要求，制程时间相对较长，Z-block的组装也较量重大。另外，关于空间的要求较量高，倒运于更多通道数的应用，关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很是大的挑战。
AWG（Arrayed Waveguide Grating）平面阵列波导光栅手艺，基于CWDM4-AWG的芯片现在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）光纤阵列器件团结，其主要优点在于：1）AWG芯片制程工艺较量稳固，一旦设计成熟，产品的一致性会获得包管；2）相对Z-block而言容易举行耦合测试。其弱点也是很是显而易见的，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/ ℃，关于数据中心情形温度规模基本上控制在20-65℃，AWG自己的温漂就抵达0.5nm，DML激光器自己的温漂也会抵达4.5nm，但现在CWDM4-AWG芯片的工艺较量成熟，在有用带宽规模内（+/-6.5nm），可以抵达2.5dB甚至更低的插损，可以不必对AWG芯片举行温控的情形下，知足器件关于Link Budget设计的要求。
思量到TFF和AWG各自的优弱点，两条蹊径均在同步推进中，各自都有一些厂商在支持并均已形陋习�；芰�。
现在下一代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：
主要是使用LAN-WDM手艺，4个波长为1295.56nm,1300.05nm, 1304.58nm, 1309.14nm，但通道距离为800GHz（6.4nm），1dB有用带宽为2.8nm相对较量窄，从而需要制冷式激光器。波别离艺也一样，划分基于TFF和AWG手艺，手艺挑战也很是大。关于TFF手艺而言，其光路设计稍有失慎容易造成插损、光斑、以及PDL指标不睬想；关于AWG手艺而言，温漂和插损是两座大山。
40km以上长距离传输：
关于100Gbps应用而言，有两种手艺门户：
1）基于PAM4手艺，使用2路DWDM波长，实现100Gbps 80km长距离传输，但思量到非线性效应，高速率激光器的消光比ER较量低，PAM4芯片也会劣化信号，链路上需要使用EDFA（掺饵光纤放大器）和TDC（可调色散赔偿）器件。由于数据中心Intra-Cloud之间的光纤类型、品级以及距离是非纷歧，非线性效应爆发的影响不等，关于网络设计提出了更多挑战，同时营业设置也不敷无邪。
2）相关（Coherent）手艺，在整个C波段，波长可调，且波长距离可以到50GHz（0.4nm），可以形成多通道组合的SuperChannel。相关基于差别的调制手艺，好比BPSK,QPSK, DP-QPSK， QAM等，如下表。相关手艺不是本文讨论重点，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
前文提到的两种波别离艺中，AWG手艺由于激光多在波导中撒播的关系，光耦合的方法是纯粹的波导对波导耦合，思量的因素相关于TFF手艺少一些，以是工艺相对稳固性高。TFF手艺的激光一样平常会脱离波导在自由空间中撒播一段距离，有时还会经由种种元件，以是耦合的因素需要思量的更多，下面针对TFF手艺中自由空间光学应用的准直器与Z-block做先容。
2.1 准直器
在自由空间光学(Free space optics)的应用中，首先先容准直器，当激光从波导发射出来通常是发散角很大的高斯光束，撒播在自由空间中光斑很快地发散变大，倒运于自由空间中各光学元件的集成，这时间就需要准直器。普遍来说准直器的作用是将发散光准直为平行光，着实这种说法较量不严谨并且容易使人误解，由于激光纵然加上准直器后撒播仍是高斯光束，同样具有束腰及发散角，只是发散角比所谓的”发散光”小许多。
一样平常准直器的组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效相似的部件。
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形貌出来如图4，横轴是物距跟焦距的比值，纵轴是像距跟焦距的比值，蓝色线与褐色线划分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间（即s/f → 1），几何光学与高斯光学所体现的像距差别越大。值得一提的是在几何光学中，物在焦点位置时像会在无限远处，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法一样平常有两种，一是在半事情距离的位置使用全反镜耦合到最佳耦合效率，第二种是在需要的事情距离下使用光斑机丈量光斑巨细，两种方法各有利弊。图4中s’/f = 2的位置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，会保存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靠近，这意味着耦适时可能会”耦错位置”的概率就大。
关于一组耦合器的对耦的耦合效果，可以等效为光纤的毗连，如图5所示，可以等效成吸收端的光纤毗连(a部分)，也可等效成准直光区域的光纤毗连(b部分)与吸收端的光纤毗连(c部分)，等效成差别的位置差别在于束腰大�。ㄒ嗫煽醋魇枪庀说哪３≈本叮�，差别的束腰巨细关于种种耦合误差有着差别的影响（如角度误差、横向平移误差、离焦误差与光斑不匹配等），在普遍的自由空间光学应用中，可以视手艺工艺来决议等效的位置，以便误差对耦合效率的盘算。
2.2 Z-block
Z-block是TFF波别离艺中常用的一种方法，一样平常由一个平行四边形玻璃基板搭配数个差别通道的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，再经由全反射膜后大再第二通道的滤波器上，以此类推在响应的通道滤出所需的波长。
关于Z-block主要思量的规格有入出射光角度、各束光间距及角度一致性，设计者可以用简朴的几何光学来形貌光的撒播偏向，若是波长差别不大，盘算中可以忽略差别波长造成的些微误差。把Z-block的光路结构简化成一个完善的平行四边形如图6b，光在Z-block中反射的一小段长度为
盘算各波长撒播的光程距离时需要思量光在介质中撒播的影响，在具有多种介质的情形可以归一等效成空气介质利便盘算得出各个通道的撒播距离。由于差别通道具有差别的撒播距离，以是准直器很难设计一个完善的事情距离切合，以4ch Demux为例，如图8所示，将”Z”字形光路拉直后各个通道对应的位置在束腰处成两侧对称，意即将准直器束腰位置安排在最大撒播距离与最小撒播距离的中心，云云一来光斑的一致性会高些，吸收端各通道的耦合效率也会差别较小。
3 结语
有鉴于近年数据中心与无线数据流量的增添发动高速光收发器件的快速生长与重大的需求量，古板无源的波别离艺已普遍应用在高速光收发器件中，关于差别的波别离艺各自拥有优劣与需要突破的瓶颈，在切合经济规模生产的条件下做出差别选择是时势所趋。在TFF波别离艺中高斯光束在自由空间的体现是影响耦合效率的主因，设计时需要思量准直器及Z-block匹配性，使用时才华抵达理想的光学特征指标。
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. 《超大数据中心架构-光电互联接口数目及类型浅谈（上）》，肖明，光纤在线
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