億源通：數(shù)據(jù)中心CWDM4傳輸技術(shù)

  數(shù)據(jù)中心光傳輸技術(shù)的演進

  隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)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(chǔ)設(shè)施。數(shù)據(jù)中心由大量服務(wù)器組成，服務(wù)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(shù)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(shù)。

  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(shù)，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(diào)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(yīng)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(yīng)用場景，為了節(jié)約光纖成本，電信網(wǎng)中的CWDM技術(shù)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(shù)方案

  CWDM技術(shù)在電信網(wǎng)的應(yīng)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(qū)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(shè)計，對尺寸的要求比電信應(yīng)用中的CCWDM模塊（一種緊湊型CWDM模塊）更嚴苛。

  （1）Z-block技術(shù)

  最早采用的CWDM4組件是基于薄膜濾波片TFF的Z-block技術(shù)，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(jié)構(gòu)

  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(cè)4個準直器發(fā)射的光信號，分別透過對應(yīng)的濾波片，經(jīng)不同反射次數(shù)，到達左側(cè)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(diào)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(cè)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(yīng)的濾波片，經(jīng)微透鏡聚焦在光探測器陣列上的對應(yīng)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)，上下左右調(diào)節(jié)，以將聚焦光斑對準光探測器的有源區(qū)。這個調(diào)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(shù)

  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(shù)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(yīng)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(yīng)波長間隔1.6nm或者0.8nm）。因為應(yīng)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(shù)引入數(shù)據(jù)中心的CWDM4傳輸系統(tǒng)，波長間隔增加至20nm，技術(shù)難點降低了，但為了集成到QSFP28模塊中并規(guī)模應(yīng)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(nèi)。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(cè)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(shè)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(jié)構(gòu)—兩側(cè)輸入/輸出

圖5. CWDM4 AWG芯片結(jié)構(gòu)—單側(cè)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(cè)輸入/輸出結(jié)構(gòu)，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(cè)輸入/輸出結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)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(shè)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(shè)計，優(yōu)化信道質(zhì)量；其二輸出光經(jīng)90度轉(zhuǎn)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(shù)

  采用集成光學技術(shù)的CWDM4 AWG芯片，相對于Z-block技術(shù)，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(zhì)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(shù)引入數(shù)據(jù)通信，圖6所示為基于集成光學技術(shù)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(yīng)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(shù)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(yīng)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(shù)，前者具有更低的損耗和更好的信道質(zhì)量，但良率稍低。

  （4）CWDM4技術(shù)對比

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

  對比可知，Z-block技術(shù)具有損耗低和信道質(zhì)量好的優(yōu)點，基于Z-block技術(shù)的CWDM4模塊，甚至能支持100G信號傳輸10公里。但是該技術(shù)的工藝難度高，造成成本居高不下。AWG技術(shù)的損耗最大，信道質(zhì)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(shù)的市場。ITL技術(shù)具有媲美Z-block技術(shù)的信道質(zhì)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）億源通的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(shù)，擁有緊湊性、易組裝的結(jié)構(gòu)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(nèi)，其主體尺寸能壓縮到長15x寬2x高2mm以內(nèi)，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(guān)于億源通

  億源通專注于光通信光無源基礎(chǔ)器件的設(shè)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(wù)。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(guān)等，并不斷探索開拓新的產(chǎn)品領(lǐng)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