光模塊提升帶寬的方法有兩種：1）提高每個(gè)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(fù)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(fù)用（CWDM、DWDM）。波分復(fù)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單根光纖對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的傳輸，這會(huì)成倍提升光纖的傳輸容量，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在光通訊的中長(zhǎng)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(fù)用組件主要有兩種實(shí)現(xiàn)技術(shù)：基于空間光學(xué)的TFF（薄膜濾波器Thin-Film Filters），基于PLC（集成平面光波導(dǎo) Planar Light Circuit ）的陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Waveguide Grating，AWG)、刻蝕衍射光柵（Echelle Diffraction Grating, EDG）、級(jí)聯(lián)MZI陣列（Mach-Zehnder interferometer, MZI）等。其中TFF(基于Z-BLOCK)和AWG(陣列波導(dǎo)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(shù)，在光模塊里所用的TFF技術(shù)主要采用Z-block方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用自由空間光學(xué)（Free Space Optics）設(shè)計(jì)，結(jié)合準(zhǔn)直器，用4個(gè)CWDM波長(zhǎng)的濾光片通過(guò)微光學(xué)的方式進(jìn)行合波和分波。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)波長(zhǎng)信號(hào)。
為了簡(jiǎn)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(xué)技術(shù)的CWDM4 AWG芯片。AWG（Arrayed Waveguide Grating）平面陣列波導(dǎo)光柵技術(shù)，基于CWDM4-AWG的芯片目前已經(jīng)成熟且大規(guī)模應(yīng)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(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。
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。 Z-block和AWG均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，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，能支持100G或更高速率的信號(hào)傳輸10公里及以上。在應(yīng)用趨勢(shì)上，AWG多應(yīng)用于傳統(tǒng)光模塊接收端，具備極佳的成本優(yōu)勢(shì)和封裝優(yōu)勢(shì)。 目前這兩種方案都有廠商在應(yīng)用。 下面介紹一下TFF技術(shù)中的幾個(gè)重要組件。 Z-block 波分復(fù)用/解復(fù)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(fù)用/解復(fù)用組件里面核心的器件。 如下圖為Z-block的典型結(jié)構(gòu)，中間是一個(gè)處理過(guò)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(cè)貼有不同波長(zhǎng)的WDM濾波片，每個(gè)濾光片只能讓當(dāng)前通道波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)，并且反射其它通道的波長(zhǎng)，也即選擇一特定波長(zhǎng)的光束通過(guò)。
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。這個(gè)過(guò)程就實(shí)現(xiàn)光路的MUX。例如，含有四個(gè)波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光束從入射端依設(shè)計(jì)角度射入，1271通道直接透過(guò)濾波片1，從斜方棱鏡增透膜區(qū)域輸出；1291信號(hào)通過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)來(lái)回反射，也最終從block增透膜區(qū)域輸出，整個(gè)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(fù)用接收光路如下圖所示,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(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。
一束光能反射幾次? 理論是無(wú)數(shù)，但是根據(jù)光的散射性，和物質(zhì)對(duì)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(xué)性能和裝配成品率的約束，因?yàn)橐皇庠赯-block濾波片上反射次數(shù)一般不超過(guò)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(huì)越差，影響耦合效率。 目前市場(chǎng)的800G更多是采用8×100G的方案，在800G的FR8、LR8等光模塊中，應(yīng)用比較多的還是Z-block技術(shù)方案。各家的800G方案各不同，有大概幾種常見的類型：
準(zhǔn)直器fiber collimators 光纖準(zhǔn)直器，用于輸入準(zhǔn)直的信號(hào)光，將從光纖中的輸出光轉(zhuǎn)化成指定光束直徑或光斑尺寸的自由空間準(zhǔn)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(zhǔn)直透鏡和套管組成。當(dāng)激光從波導(dǎo)發(fā)射出來(lái)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(xué)元件的集成，這時(shí)候就需要準(zhǔn)直器。當(dāng)光束離開準(zhǔn)直器時(shí)，準(zhǔn)直透鏡可確保光束平行或聚焦。準(zhǔn)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(guò)的無(wú)源光器件，其工作原理是基于法拉第旋轉(zhuǎn)的非互易性。 光隔離器是由法拉第磁光效應(yīng)原理制成，當(dāng)平面偏振光沿著磁場(chǎng)方向入射到非旋光材料時(shí)，光偏振面將旋轉(zhuǎn)角度θ， 如果反射光再一次通過(guò)法拉第光偏振面將旋轉(zhuǎn)角度2θ。簡(jiǎn)單地說(shuō)，光隔離器只允許在同一個(gè)方向上的光通過(guò)，隔離掉光纖回波反射的光，從而保護(hù)激光器不受反射光的干擾。一般由三個(gè)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(zhuǎn)器。
工作原理是：當(dāng)光從第一個(gè)輸入偏光片穿過(guò)時(shí)，發(fā)生垂直偏振，到達(dá)中間的旋轉(zhuǎn)器，旋轉(zhuǎn)器只會(huì)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)45°，旋轉(zhuǎn)后的光與放置在旋轉(zhuǎn)器之后的偏光片的角度一致，因此光可以繼續(xù)通過(guò)并輸出。當(dāng)反方向的光通過(guò)右邊的偏光片進(jìn)入到旋轉(zhuǎn)器，又再同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)45°，被旋轉(zhuǎn)后的光到前面的偏光片，因?yàn)闃O化方向不同，沒(méi)辦法通過(guò)，因此被隔離掉，從而在相反方向上阻止光信號(hào)的傳輸。 在光收發(fā)器中，通過(guò)分立組件組裝的方法實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用解復(fù)用，包括光纖準(zhǔn)直器、WDM濾光片、反射鏡、透鏡、隔離器等，組裝效率較低。通過(guò)Z-block自由空間技術(shù)，可集成透鏡、準(zhǔn)直器、隔離器等組件，通過(guò)精準(zhǔn)的光路設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高耦合效率。 HYC的這款集成光學(xué)組件主要是應(yīng)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(jiǎn)單耦合即可組裝到光收發(fā)模塊，極大地簡(jiǎn)化了光模塊的組裝和耦合。產(chǎn)品的核心技術(shù)在于通過(guò)光學(xué)模擬仿真，整合精密光學(xué)耦合組裝和測(cè)試以及光學(xué)元器件冷加工能力，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)全光路模擬仿真，Z-block面型尺寸控制，基于客戶側(cè)設(shè)計(jì)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(xué)耦合組裝和測(cè)試，可靠性管控的定制化服務(wù)。
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