光模塊提升帶寬的方法有兩種：1）提高每個通道的比特速率，如直接提升波特率，或者保持波特率不變，使用復雜的調(diào)制解調(diào)方式（如PAM4）；2）增加通道數(shù)，如提升并行光纖數(shù)量，或采用波分復用（CWDM、DWDM）。波分復用技術可以實現(xiàn)單根光纖對多個波長信號的傳輸，這會成倍提升光纖的傳輸容量，已經(jīng)被廣泛應用在光通訊的中長距離傳輸和數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)中。
目前光模塊的波分復用組件主要有兩種實現(xiàn)技術：基于空間光學的TFF（薄膜濾波器Thin-Film Filters），基于PLC（集成平面光波導 Planar Light Circuit ）的陣列波導光柵(Arrayed Waveguide Grating，AWG)、刻蝕衍射光柵（Echelle Diffraction Grating, EDG）、級聯(lián)MZI陣列（Mach-Zehnder interferometer, MZI）等。其中TFF(基于Z-BLOCK)和AWG(陣列波導光柵)是兩種最常用、最典型的MUX/DEMUX子組件。 TFF（Thin Film Filter）薄膜濾光片技術，在光模塊里所用的TFF技術主要采用Z-block方法來實現(xiàn)。利用自由空間光學（Free Space Optics）設計，結合準直器，用4個CWDM波長的濾光片通過微光學的方式進行合波和分波。通過波分復用/解復用器，在一根光纖中傳輸1271nm、1291nm、1311nm、1331nm四個波長信號。
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（Arrayed Waveguide Grating）平面陣列波導光柵技術，基于CWDM4-AWG的芯片目前已經(jīng)成熟且大規(guī)模應用于100Gbps CWDM4 QSFP28的產(chǎn)品中。 最早的CWDM4 AWG芯片，輸入/輸出端口位于兩端，如下圖所示。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。
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。 Z-block和AWG均有各自的優(yōu)缺點，Z-block技術具有損耗低和信道質(zhì)量好的優(yōu)點，基于Z-block技術的CWDM4模塊，能支持100G或更高速率的信號傳輸10公里及以上。在應用趨勢上，AWG多應用于傳統(tǒng)光模塊接收端，具備極佳的成本優(yōu)勢和封裝優(yōu)勢。 目前這兩種方案都有廠商在應用。 下面介紹一下TFF技術中的幾個重要組件。 Z-block 波分復用/解復用組件是高速率光模塊最為重要的部件之一，而Z-block是波分復用/解復用組件里面核心的器件。 如下圖為Z-block的典型結構，中間是一個處理過的斜方棱鏡（也是平行四邊形玻璃基板），斜方棱鏡的背面部分區(qū)域鍍了高反射膜，另一側貼有不同波長的WDM濾波片，每個濾光片只能讓當前通道波長的光信號通過，并且反射其它通道的波長，也即選擇一特定波長的光束通過。
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。這個過程就實現(xiàn)光路的MUX。例如，含有四個波長的準直光束從入射端依設計角度射入，1271通道直接透過濾波片1，從斜方棱鏡增透膜區(qū)域輸出；1291信號通過濾光片2后入射到棱鏡上的反射膜區(qū)域，正好被反射到濾波片1上，濾波片1再次將它反射到棱鏡上增透膜區(qū)域，并從增透膜區(qū)域輸出；以此類推，1311/1331信號經(jīng)過來回反射，也最終從block增透膜區(qū)域輸出，整個光路在Block中呈現(xiàn)Z字型，也因此叫Z-block。
Z-block組件的波分解復用接收光路如下圖所示,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(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。
一束光能反射幾次? 理論是無數(shù)，但是根據(jù)光的散射性，和物質(zhì)對光的吸收性，一束光是有反射次數(shù)限制的，直到全部被散射或者吸收。目前，Z-block的通道數(shù)量更通用的是4通道，這主要是受到光學性能和裝配成品率的約束，因為一束光在Z-block濾波片上反射次數(shù)一般不超過4次，通道數(shù)量越多，各光束之間的平行度就越差，光斑質(zhì)量也會越差，影響耦合效率。 目前市場的800G更多是采用8×100G的方案，在800G的FR8、LR8等光模塊中，應用比較多的還是Z-block技術方案。各家的800G方案各不同，有大概幾種常見的類型：
準直器fiber collimators 光纖準直器，用于輸入準直的信號光，將從光纖中的輸出光轉化成指定光束直徑或光斑尺寸的自由空間準直光束，它們還可以反向使用，將光聚焦到光纖中。一般由光纖頭、準直透鏡和套管組成。當激光從波導發(fā)射出來通常是發(fā)散角很大的高斯光束，傳播在自由空間中光斑很快地發(fā)散變大，不利于自由空間中各光學元件的集成，這時候就需要準直器。當光束離開準直器時，準直透鏡可確保光束平行或聚焦。準直透鏡可以是C-lens、Grin-lens、球透鏡、非球面透鏡等。
光隔離器 Isolator 光隔離器是一種只允許單向光通過的無源光器件，其工作原理是基于法拉第旋轉的非互易性。 光隔離器是由法拉第磁光效應原理制成，當平面偏振光沿著磁場方向入射到非旋光材料時，光偏振面將旋轉角度θ， 如果反射光再一次通過法拉第光偏振面將旋轉角度2θ。簡單地說，光隔離器只允許在同一個方向上的光通過，隔離掉光纖回波反射的光，從而保護激光器不受反射光的干擾。一般由三個部分組成，左右兩邊分別是輸入和輸出偏光片，中間是法拉第旋轉器。
工作原理是：當光從第一個輸入偏光片穿過時，發(fā)生垂直偏振，到達中間的旋轉器，旋轉器只會朝一個方向旋轉45°，旋轉后的光與放置在旋轉器之后的偏光片的角度一致，因此光可以繼續(xù)通過并輸出。當反方向的光通過右邊的偏光片進入到旋轉器，又再同一個方向旋轉45°，被旋轉后的光到前面的偏光片，因為極化方向不同，沒辦法通過，因此被隔離掉，從而在相反方向上阻止光信號的傳輸。 在光收發(fā)器中，通過分立組件組裝的方法實現(xiàn)波分復用解復用，包括光纖準直器、WDM濾光片、反射鏡、透鏡、隔離器等，組裝效率較低。通過Z-block自由空間技術，可集成透鏡、準直器、隔離器等組件，通過精準的光路設計優(yōu)化，提高耦合效率。 HYC的這款集成光學組件主要是應用于400G/800G FR/ER/LR高速光收發(fā)模塊，RX端集成了Receptacle, collimator, Z-block, lens array, isolator, prism等組件，只需一步簡單耦合即可組裝到光收發(fā)模塊，極大地簡化了光模塊的組裝和耦合。產(chǎn)品的核心技術在于通過光學模擬仿真，整合精密光學耦合組裝和測試以及光學元器件冷加工能力，設計最佳耦合組件，保證快速耦合及最佳插入損耗。HYC可在客戶產(chǎn)品開發(fā)從Design-in階段參與聯(lián)合開發(fā)，提供產(chǎn)品設計全光路模擬仿真，Z-block面型尺寸控制，基于客戶側設計不同高斯光束分布情況分析，匯聚光束質(zhì)量和位置公差分析，到精密光學耦合組裝和測試，可靠性管控的定制化服務。
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