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億源通:數(shù)據(jù)中心CWDM4傳輸技術

摘要:對于傳輸距離大于500米的應用場景,為了節(jié)約光纖成本,電信網(wǎng)中的CWDM技術被引入數(shù)據(jù)中心,即為CWDM4傳輸方案。為滿足數(shù)據(jù)中心中長距離傳輸,又要符合降本需求,億源通推出了小尺寸,相對低成本,可封裝在光收發(fā)模塊的AWG CWDM4產(chǎn)品。億源通的 AWG CWDM4模塊基于硅基芯片技術,擁有緊湊性、易組裝的結構以及很好的可靠性,每個ITU通帶均有足夠的工作帶寬,在高低溫的影響下都可以保持ITU理想的插入損耗指標。該AWG CWDM4器件可安裝在狹窄的空間內,其主體尺寸能壓縮到長15x寬2x高2mm以內,且采用的是Corning ClearCurve ZBL光纖,該光纖彎曲半徑達到了5mm,幾乎零彎曲損耗,具有高保真、高傳輸速率

  數(shù)據(jù)中心傳輸技術的演進

  隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的推廣應用,數(shù)據(jù)中心得到迅猛發(fā)展,成為信息社會中的重要基礎設施。數(shù)據(jù)中心由大量服務器組成,服務器之間需要高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸和交換,傳統(tǒng)的電纜傳輸不能滿足速率要求,光纖傳輸技術自2010年左右進入數(shù)據(jù)中心,至今已經(jīng)成為主流傳輸技術。

  早期的數(shù)據(jù)中心規(guī)模不大,所需傳輸距離在數(shù)十至數(shù)百米,通常采用多模光纖并行傳輸技術,并不斷優(yōu)化多模光纖的色散性能,以支持更高速率、更長距離的傳輸需求。其中符合OM4標準的多模光纖,可支持10G信號傳輸550米。

  然而,數(shù)據(jù)中心的主流傳輸速率已進入100G時代,通常采用4×25G傳輸方案,單信道傳輸速率達到25G,多模光纖已經(jīng)不能支持這么高的傳輸速率,單模光纖被引入100G傳輸系統(tǒng)。事實上,單模光纖的成本比多模光纖高,但單模光纖的傳輸波長在1310nm波段,而多模光纖的傳輸波長在850nm波段,1310nm波段的光電子器件較850nm波段的光電子器件貴得多。

  單模光纖傳輸4×25G光信號,最早采用的是PSM4方案,通過8根光纖實現(xiàn)一對收發(fā)模塊之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。PSM4的每個光纖收發(fā)器僅需采用一個激光器,分光四路,分別經(jīng)四個調制器輸出,因此節(jié)省了光源成本。但是隨著傳輸距離的增加,光纖成本迅速增加,因此PSM4通常應用于傳輸距離在500米以下的場景。

  對于傳輸距離大于500米的應用場景,為了節(jié)約光纖成本,電信網(wǎng)中的CWDM技術被引入數(shù)據(jù)中心,即為CWDM4傳輸方案,通過波分復用/解復用器,在一根光纖中傳輸1271nm、1291nm、1311nm、1331nm四個間隔20nm的波長,這樣在兩個光纖收發(fā)模塊之間,只需兩根光纖就可實現(xiàn)雙向傳輸。CWDM4可支持4×25G信號傳輸,在500~2000米傳輸距離較PSM4方案有成本優(yōu)勢。

  CWDM4技術方案

  CWDM技術在電信網(wǎng)的應用已經(jīng)非常成熟,國際電信聯(lián)盟ITU在1271-1611nm波段定義了18個間隔20nm的CWDM信道。數(shù)據(jù)通信中的CWDM4標準,采用其中靠近G652單模光纖的零色散點的四個波長,即1271-1331nm。

  數(shù)據(jù)中心100G光纖收發(fā)模塊,目前的主流封裝形式是QSFP28,模塊中集成了4個半導體激光器、光探測器陣列及其驅動電路,以及無源的CWDM4組件。為了將CWDM4組件集成到QSFP28模塊中,需要盡量小型化設計,對尺寸的要求比電信應用中的CCWDM模塊(一種緊湊型CWDM模塊)更嚴苛。

  (1)Z-block技術

  最早采用的CWDM4組件是基于薄膜濾波片TFF的Z-block技術,如圖1所示,8個TFF濾波片分兩組粘貼在一個斜方棱鏡上,一組用于波分復用,另一組用于波分解復用,各濾波片的透射波長分別為1271nm、1291nm、1311nm、1331nm。

圖1. 貼裝CWDM4濾波片的Z-block結構

  Z-block組件的波分復用發(fā)射光路如圖2所示,注意斜方棱鏡的背面部分區(qū)域鍍了高反膜。從右側4個準直器發(fā)射的光信號,分別透過對應的濾波片,經(jīng)不同反射次數(shù),到達左側公共端的準直器,耦合到輸出光纖中。由于斜方棱鏡中的光路較長,達到10mm量級,因此必須采用總共五個準直器。反射光路及準直光束的耦合,對角度非常敏感,因此不能采用一體化的準直器陣列,而必須對每個輸入準直器獨立調節(jié)對準,組裝工藝較為復雜。

圖2. Z-block的復用發(fā)射光路

  Z-block組件的波分解復用接收光路如圖3所示,公共端光信號從左側準直器輸入,各信道的光信號經(jīng)過不同反射次數(shù),透過對應的濾波片,經(jīng)微透鏡聚焦在光探測器陣列上的對應單元。光探測器陣列貼裝在PCB板上,如圖3(b)所示。在水平面內被波分解復用的光束,需經(jīng)過一個直角棱鏡實現(xiàn)90度轉向,沿豎直方向入射在光探測器上。光探測器的有源區(qū)尺寸通常只有Φ50微米,Z-block中傳輸?shù)臏手惫馐睆竭h大于此,因此需要微透鏡聚焦,并且微透鏡需要在垂直光路的橫截面內,上下左右調節(jié),以將聚焦光斑對準光探測器的有源區(qū)。這個調節(jié)對焦過程,也增加了Z-block組裝工藝的復雜度。

圖3. Z-block的解復用接收光路

  (2)AWG技術

  為了簡化封裝工藝,以減小尺寸和降低成本,人們開發(fā)了基于集成光學技術的CWDM4 AWG芯片。AWG是陣列波導光柵的簡稱,在電信網(wǎng)中早已成熟應用。電信網(wǎng)中的AWG被用于復用/解復用DWDM光信號,信道間隔通常為200G或者100G(對應波長間隔1.6nm或者0.8nm)。因為應用場景主要是電信網(wǎng)的骨干網(wǎng),對成本不敏感。

  將AWG技術引入數(shù)據(jù)中心CWDM4傳輸系統(tǒng),波長間隔增加至20nm,技術難點降低了,但為了集成到QSFP28模塊中并規(guī)模應用,對AWG芯片的尺寸和成本約束要嚴苛得多,目前主流的CWDM4 AWG芯片,尺寸可以控制在2mm×10mm以內。最早的CWDM4 AWG芯片,輸入/輸出端口位于兩端,如圖4所示。為了便于繞纖并集成于光纖收發(fā)模塊中,人們開發(fā)了單側輸入/輸出的CWDM4 AWG芯片,通過彎曲波導將輸入端口繞至輸出端,如圖5所示。這樣的設計,也進一步簡化了波導與光纖陣列之間的耦合工藝。當然,由于芯片寬度有限,波導彎曲半徑小于1mm,會引入一定的彎曲損耗。

圖4. CWDM4 AWG芯片結構—兩側輸入/輸出

圖5. CWDM4 AWG芯片結構—單側輸入/輸出

  一個CWDM4光纖收發(fā)模塊中,需要兩個CWDM4 AWG芯片,一個用于光信號的復用發(fā)射,另一個用于光信號的解復用接收。發(fā)射端的CWDM4 AWG芯片目前主要采用圖5所示的單側輸入/輸出結構,而在接收端,解復用的各個波長終將被光探測器檢測,無需耦合到單模光纖中繼續(xù)傳輸。為此,接收端CWDM4 AWG芯片通常采用圖4所示的兩側輸入/輸出結構,輸出端口采用多模光波導,并將輸出端面拋光成45°斜面,實現(xiàn)光束的90度轉折,入射在光探測器陣列上,后者被直接貼裝在PCB板上。

  這種設計有兩點好處,其一采用多模波導輸出,可以實現(xiàn)AWG通帶譜線的平坦化設計,優(yōu)化信道質量;其二輸出光經(jīng)90度轉折后直接入射光探測器陣列,省去了波導陣列與光纖陣列之間的對接耦合,簡化了組裝工藝。

  (3)梳狀濾波器技術

  采用集成光學技術的CWDM4 AWG芯片,相對于Z-block技術,尺寸減小,并且裝配工藝大大簡化,有利于降低成本。但是AWG器件的通帶平坦度不好,信道質量劣化,并且損耗比Z-block大得多。

  有廠商將電信網(wǎng)中的光學梳狀濾波器ITL技術引入數(shù)據(jù)通信,圖6所示為基于集成光學技術的光學梳狀濾波器,它是由數(shù)個級聯(lián)的MZI干涉臂組成的。實際上,電信網(wǎng)中的光學梳狀濾波器,主要面向DWDM應用,考慮溫度穩(wěn)定性,通常采用GTI諧振腔或者雙折射晶體方案,集成光學梳狀濾波器無法滿足實用條件。

圖6. 基于集成光學技術的光學梳狀濾波器

  但CWDM4傳輸系統(tǒng)的信道間隔是20nm,對溫漂的容差較大,因此可以采用集成光學梳狀濾波器。注意圖6中的MZI干涉臂,通過彎曲波導實現(xiàn)光程差,而波導彎曲會產(chǎn)生損耗。光波導可避免產(chǎn)生彎曲損耗的最小彎曲半徑,取決于波導的折射率差,為了減小彎曲半徑以縮小芯片尺寸,現(xiàn)有供應商采用的是氮化硅波導。然而,折射率差越大的光波導,良率會受影響,并且與光纖的耦合損耗會增大。

  光學梳狀濾波器是一種1×2端口器件,為了實現(xiàn)1×4波分復用/解復用,需要通過三個梳狀濾波器串并聯(lián)來實現(xiàn),如圖7所示,其中ITL#1的波長間隔是20nm,ITL#2和ITL#3的波長間隔是40nm。

圖7. 由三個光學梳狀濾波器ITL串并聯(lián)而成的CWDM4芯片

  CWDM4系統(tǒng)中的光學梳狀濾波器和AWG均采用集成光學技術,前者具有更低的損耗和更好的信道質量,但良率稍低。

  (4)CWDM4技術對比


  Z-block、AWG和ITL三種CWDM技術方案,各自的優(yōu)缺點對比,如表1所示。



項目

Z-block

AWG

ITL

器件尺寸

傳輸損耗

信道質量

工藝難度

生產(chǎn)良率

低(芯片良率)


  對比可知,Z-block技術具有損耗低和信道質量好的優(yōu)點,基于Z-block技術的CWDM4模塊,甚至能支持100G信號傳輸10公里。但是該技術的工藝難度高,造成成本居高不下。AWG技術的損耗最大,信道質量最差,但工藝難度和成本最低,滿足數(shù)據(jù)中心市場降成本的訴求,正在逐步替代Z-block技術的市場。ITL技術具有媲美Z-block技術的信道質量,損耗也比AWG小得多,組裝工藝難度與AWG相當,目前的問題是芯片良率偏低,如這個問題得到解決,將是最好的CWDM4解決方案。

  (5)億源通CWDM4產(chǎn)品

  為滿足數(shù)據(jù)中心中長距離傳輸,又要符合降本需求,億源通推出了小尺寸,相對低成本,可封裝在光收發(fā)模塊的AWG CWDM4產(chǎn)品。

  億源通的 AWG CWDM4模塊基于硅基芯片技術,擁有緊湊性、易組裝的結構以及很好的可靠性,每個ITU通帶均有足夠的工作帶寬,在高低溫的影響下都可以保持ITU理想的插入損耗指標。該AWG CWDM4器件可安裝在狹窄的空間內,其主體尺寸能壓縮到長15x寬2x高2mm以內,且采用的是Corning ClearCurve ZBL光纖,該光纖彎曲半徑達到了5mm,幾乎零彎曲損耗,具有高保真、高傳輸速率。

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  關于億源通

  億源通專注于光通信光無源基礎器件的設計、研發(fā)、制造與銷售,為客戶提供一站式產(chǎn)品采購、定制化服務。生產(chǎn)和銷售產(chǎn)品包括光纖連接器(數(shù)據(jù)中心高密度光連接產(chǎn)品)、WDM波分復用器、PLC光分路器、MEMS光開關等,并不斷探索開拓新的產(chǎn)品領域,包括Hybrid組合器件、光纖環(huán)形器等微光源器件產(chǎn)品。詳情請訪問 www.hyc-system.com

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