數(shù)據(jù)中心光傳輸技術(shù)的演進(jìn)
隨著移動(dòng)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(huì)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(mǎn)足速率要求,光纖傳輸技術(shù)自2010年左右進(jìn)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(zhǎng)距離的傳輸需求。其中符合OM4標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖,可支持10G信號(hào)傳輸550米。
然而,數(shù)據(jù)中心的主流傳輸速率已進(jìn)入100G時(shí)代,通常采用4×25G傳輸方案,單信道傳輸速率達(dá)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(shí)上,單模光纖的成本比多模光纖高,但單模光纖的傳輸波長(zhǎng)在1310nm波段,而多模光纖的傳輸波長(zhǎng)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(hào),最早采用的是PSM4方案,通過(guò)8根光纖實(shí)現(xiàn)一對(duì)收發(fā)模塊之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。PSM4的每個(gè)光纖收發(fā)器僅需采用一個(gè)激光器,分光四路,分別經(jīng)四個(gè)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(chǎng)景。
對(duì)于傳輸距離大于500米的應(yīng)用場(chǎng)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(guò)波分復(fù)用/解復(fù)用器,在一根光纖中傳輸1271nm、1291nm、1311nm、1331nm四個(gè)間隔20nm的波長(zhǎng),這樣在兩個(gè)光纖收發(fā)模塊之間,只需兩根光纖就可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。CWDM4可支持4×25G信號(hào)傳輸,在500~2000米傳輸距離較PSM4方案有成本優(yōu)勢(shì)。
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(guó)際電信聯(lián)盟ITU在1271-1611nm波段定義了18個(gè)間隔20nm的CWDM信道。數(shù)據(jù)通信中的CWDM4標(biāo)準(zhǔn),采用其中靠近G652單模光纖的零色散點(diǎn)的四個(gè)波長(zhǎng),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(gè)半導(dǎo)體激光器、光探測(cè)器陣列及其驅(qū)動(dòng)電路,以及無(wú)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(jì),對(duì)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(yán)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(gè)TFF濾波片分兩組粘貼在一個(gè)斜方棱鏡上,一組用于波分復(fù)用,另一組用于波分解復(fù)用,各濾波片的透射波長(zhǎng)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(fù)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(gè)準(zhǔn)直器發(fā)射的光信號(hào),分別透過(guò)對(duì)應(yīng)的濾波片,經(jīng)不同反射次數(shù),到達(dá)左側(cè)公共端的準(zhǔn)直器,耦合到輸出光纖中。由于斜方棱鏡中的光路較長(zhǎng),達(dá)到10mm量級(jí),因此必須采用總共五個(gè)準(zhǔn)直器。反射光路及準(zhǔn)直光束的耦合,對(duì)角度非常敏感,因此不能采用一體化的準(zhǔn)直器陣列,而必須對(duì)每個(gè)輸入準(zhǔn)直器獨(dú)立調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn),組裝工藝較為復(fù)雜。
圖2. Z-block的復(fù)用發(fā)射光路
Z-block組件的波分解復(fù)用接收光路如圖3所示,公共端光信號(hào)從左側(cè)準(zhǔn)直器輸入,各信道的光信號(hào)經(jīng)過(guò)不同反射次數(shù),透過(guò)對(duì)應(yīng)的濾波片,經(jīng)微透鏡聚焦在光探測(cè)器陣列上的對(duì)應(yīng)單元。光探測(cè)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(fù)用的光束,需經(jīng)過(guò)一個(gè)直角棱鏡實(shí)現(xiàn)90度轉(zhuǎn)向,沿豎直方向入射在光探測(cè)器上。光探測(cè)器的有源區(qū)尺寸通常只有Φ50微米,Z-block中傳輸?shù)臏?zhǔn)直光束直徑遠(yuǎn)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(duì)準(zhǔn)光探測(cè)器的有源區(qū)。這個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)焦過(guò)程,也增加了Z-block組裝工藝的復(fù)雜度。
圖3. Z-block的解復(fù)用接收光路
(2)AWG技術(shù)
為了簡(jiǎn)化封裝工藝,以減小尺寸和降低成本,人們開(kāi)發(fā)了基于集成光學(xué)技術(shù)的CWDM4 AWG芯片。AWG是陣列波導(dǎo)光柵的簡(jiǎn)稱(chēng),在電信網(wǎng)中早已成熟應(yīng)用。電信網(wǎng)中的AWG被用于復(fù)用/解復(fù)用DWDM光信號(hào),信道間隔通常為200G或者100G(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)間隔1.6nm或者0.8nm)。因?yàn)閼?yīng)用場(chǎng)景主要是電信網(wǎng)的骨干網(wǎng),對(duì)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(zhǎng)間隔增加至20nm,技術(shù)難點(diǎn)降低了,但為了集成到QSFP28模塊中并規(guī)模應(yīng)用,對(duì)AWG芯片的尺寸和成本約束要嚴(yán)苛得多,目前主流的CWDM4 AWG芯片,尺寸可以控制在2mm×10mm以?xún)?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(kāi)發(fā)了單側(cè)輸入/輸出的CWDM4 AWG芯片,通過(guò)彎曲波導(dǎo)將輸入端口繞至輸出端,如圖5所示。這樣的設(shè)計(jì),也進(jìn)一步簡(jiǎn)化了波導(dǎo)與光纖陣列之間的耦合工藝。當(dāng)然,由于芯片寬度有限,波導(dǎo)彎曲半徑小于1mm,會(huì)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(gè)CWDM4光纖收發(fā)模塊中,需要兩個(gè)CWDM4 AWG芯片,一個(gè)用于光信號(hào)的復(fù)用發(fā)射,另一個(gè)用于光信號(hào)的解復(fù)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(fù)用的各個(gè)波長(zhǎng)終將被光探測(cè)器檢測(cè),無(wú)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(dǎo),并將輸出端面拋光成45°斜面,實(shí)現(xiàn)光束的90度轉(zhuǎn)折,入射在光探測(cè)器陣列上,后者被直接貼裝在PCB板上。
這種設(shè)計(jì)有兩點(diǎn)好處,其一采用多模波導(dǎo)輸出,可以實(shí)現(xiàn)AWG通帶譜線的平坦化設(shè)計(jì),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(cè)器陣列,省去了波導(dǎo)陣列與光纖陣列之間的對(duì)接耦合,簡(jiǎn)化了組裝工藝。
(3)梳狀濾波器技術(shù)
采用集成光學(xué)技術(shù)的CWDM4 AWG芯片,相對(duì)于Z-block技術(shù),尺寸減小,并且裝配工藝大大簡(jiǎn)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(xué)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(xué)技術(shù)的光學(xué)梳狀濾波器,它是由數(shù)個(gè)級(jí)聯(lián)的MZI干涉臂組成的。實(shí)際上,電信網(wǎng)中的光學(xué)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(xué)梳狀濾波器無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)用條件。
圖6. 基于集成光學(xué)技術(shù)的光學(xué)梳狀濾波器
但CWDM4傳輸系統(tǒng)的信道間隔是20nm,對(duì)溫漂的容差較大,因此可以采用集成光學(xué)梳狀濾波器。注意圖6中的MZI干涉臂,通過(guò)彎曲波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光程差,而波導(dǎo)彎曲會(huì)產(chǎn)生損耗。光波導(dǎo)可避免產(chǎn)生彎曲損耗的最小彎曲半徑,取決于波導(dǎo)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(dǎo)。然而,折射率差越大的光波導(dǎo),良率會(huì)受影響,并且與光纖的耦合損耗會(huì)增大。
光學(xué)梳狀濾波器是一種1×2端口器件,為了實(shí)現(xiàn)1×4波分復(fù)用/解復(fù)用,需要通過(guò)三個(gè)梳狀濾波器串并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖7所示,其中ITL#1的波長(zhǎng)間隔是20nm,ITL#2和ITL#3的波長(zhǎng)間隔是40nm。
圖7. 由三個(gè)光學(xué)梳狀濾波器ITL串并聯(lián)而成的CWDM4芯片
CWDM4系統(tǒng)中的光學(xué)梳狀濾波器和AWG均采用集成光學(xué)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(duì)比
Z-block、AWG和ITL三種CWDM技術(shù)方案,各自的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比,如表1所示。
項(xiàng)目 |
Z-block |
AWG |
ITL |
器件尺寸 |
大 |
小 |
小 |
傳輸損耗 |
小 |
大 |
中 |
信道質(zhì)量 |
好 |
差 |
好 |
工藝難度 |
高 |
低 |
低 |
生產(chǎn)良率 |
中 |
高 |
低(芯片良率) |
對(duì)比可知,Z-block技術(shù)具有損耗低和信道質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn),基于Z-block技術(shù)的CWDM4模塊,甚至能支持100G信號(hào)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(mǎn)足數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)降成本的訴求,正在逐步替代Z-block技術(shù)的市場(chǎng)。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(dāng),目前的問(wèn)題是芯片良率偏低,如這個(gè)問(wèn)題得到解決,將是最好的CWDM4解決方案。
為滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心中長(zhǎng)距離傳輸,又要符合降本需求,億源通推出了小尺寸,相對(duì)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(gè)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(biāo)。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(zhǎng)15x寬2x高2mm以?xún)?nèi),且采用的是Corning ClearCurve ZBL光纖,該光纖彎曲半徑達(dá)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(zhuān)注于光通信光無(wú)源基礎(chǔ)器件的設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造與銷(xiāo)售,為客戶(hù)提供一站式產(chǎn)品采購(gòu)、定制化服務(wù)。生產(chǎn)和銷(xiāo)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(fù)用器、PLC光分路器、MEMS光開(kāi)關(guān)等,并不斷探索開(kāi)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(qǐng)?jiān)L問(wèn) www.hyc-system.com