原创 高速光模块中的并行光学和WDM波分光学技术

随着AI大模型训练和推理对计算能力的需求呈指数级增长，AI数据中心的网络带宽需求大幅提升，推动了高速光模块的发展。光模块作为数据中心和高性能计算系统中的关键器件，主要用于提供高速和大容量的数据传输服务。

光模块提升带宽的方法有两种：1）提高每个通道的比特速率，如直接提升波特率，或者保持波特率不变，使用复杂的调制解调方式（如PAM4）；2）增加通道数，如提升并行光纤数量，或采用波分复用（CWDM、LWDM）。按照传输模式，光模块可分为并行和波分两种类型，其中并行方案主要应用在中短距传输场景中成本优势较为明显；而在长距离传输场景中，WDM波分方案的应用可明显地节约光纤成本。

并行光学传输
在并行光学 (Parallel optics) 的信号传输中，链路两端的并行光模块中含有多个发射器和接收器，采用多条光纤，信号通过多条路径传输和接收，典型的光模块类型包括SR4，SR8，PSM4，DR4和DR8等。
 
MT（MPO）插芯和光纤阵列FA多通道微型连接组件是支持并行光互连的关键部件，用于模块外部光接口连接与模块内部光学耦合，能够集成到光模块板上。利用MT插芯的小体积、多通道来实现多路光的并行传输，在高速光模块中作为对外的光接口非常易于使用。不同类型的光模块或者每家生产厂商的光模块内部结构都不同，因此MT-FA、MT-MT等微连接组件都是高度定制化产品，也会有各种不同的产品形态，如MT-FA、MT-2×Mini MT、MT- FA+隔离器、MT- FA+ lens array等。

FA贴装隔离器或lens array产品广泛应用于高速光模块中。 隔离器的作用主要是能够有效隔离光信号反射，只允许单向光通过，工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。在传统的光模块中，隔离器通常是单独使用的。通过将光纤阵列和隔离器的集成，可简化光模块的设计，能够有效节省光模块集成空间和耦合时间，同时保证信号的高质量传输。

透镜lens是光收发模块中起到耦合作用的重要元件，由于激光器发射的光是发散的，通过透镜可以控制光束的准直、聚焦进行耦合能够大大提高光传输效率。而在接收端，由于速率的增长，PD的接收面积更小，通过光纤直接与PD耦合将难以满足更好的耦合效率，其透镜阵列（lens array）作用就非常关键，通过将lens array粘贴在FA上实现汇聚光到PD中，有效改善耦合效率，不仅可以简化光模块的封装设计，还可以减少工序，降低成本。FA和lens array均可以根据光斑、角度等参数和客户需求进行定制化设计，来实现高精准耦合。
 

WDM波分光学传输
波分复用技术 (WDM) 可以实现单根光纤对多个波长信号的传输，这会成倍提升光纤的传输容量，已经被广泛应用在光通讯的中长距离传输和数据中心的互联中，典型光模块类型如FR4、FR8和LR4等。
 
光模块的波分复用组件可以是MUX或DEMUX功能。DEMUX主要功能是将光纤接入的多波长WDM光进行准直、解波分复用成单独的波长信号，然后高效率的耦合到PD中进行光电转换。MUX主要功能是将来自多个激光器的不同波长的光信号进行准直和多路复用，将它们合成为一路光信号，然后高效地耦合到单根输出光纤中。

波分复用组件有多个独立功能的分立器件，接收端有光纤准直器、WDM Block、反射镜、透镜阵列、棱镜等，发射端一般有准直器、隔离器、WDM Block等，各个元件之间需要精密的调节与对准。随着对高速率和高密度发展的需求日益提升，波分复用组件的集成化趋势也愈加明显。一些无源器件制造商已开始将所有无源元件集成化设计，可以简化光模块的耦合工序，还可以提升生产效率和产品一致性。

光模块的波分复用组件主要有两种实现技术：基于空间光学的TFF（薄膜滤波器Thin-Film Filters），基于PLC（集成平面光波导 Planar Light Circuit ）或阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)、刻蚀衍射光栅（Echelle Diffraction Grating, EDG）、级联MZI阵列（Mach-Zehnder interferometer, MZI）等。其中TFF(基于Z-BLOCK)和AWG(阵列波导光栅)是两种最常用、最典型的MUX/DEMUX子组件。

TFF（Thin Film Filter）薄膜滤光片技术，在光模块里所用的TFF技术主要采用Z-block方法来实现。利用自由空间光学（Free Space Optics）设计，结合准直器，用4个WDM波长的滤光片进行合波和分波。通过波分复用/解复用器，在一根光纤中传输1271nm、1291nm、1311nm、1331nm四个波长信号。

如下图为Z-block的典型结构，中间是一个处理过的斜方棱镜（也是平行四边形玻璃基板），斜方棱镜的背面部分区域镀了高反射膜，另一侧贴有不同波长的WDM滤波片，每个滤光片只能让当前通道波长的光信号通过，并且反射其它通道的波长。
 
如下400G Rx光学集成组件基于Z-block自由空间技术，集成了400G高速光收发模块的ROSA端的所有光学组件，包含Receptacle、准直器、Z-block、lens array、棱镜和底板。该设计仅需一步耦合即可组装到400G光收发模块上，大幅提高了光模块的耦合效率，同时有效降低了成本。

Z-block技术具有损耗低和信道质量好的优点，但是该技术的工艺难度高，集成组件在一定程度上可以降低了耦合成本。此集成组件的组装工艺有多项关键控制点：Z-block的面型尺寸控制：尺寸精度影响准直器光束质量；汇聚光的位置公差：汇聚光在X/Y/Z方向的位置公差分析需要一定的光学模拟技术，以确保聚焦光斑直径与PD完美匹配；产品的机械和环境测试要求：对产品的剪贴力和HAST实验要求比较高，以确保其在实际应用环境中的可靠性和长期稳定性。
 
亿源通可为收发模块客户提供从光纤到PD和从LD到光纤的全套光耦合定制化解决方案：产品含2、4、2x4通道的LAN-WDM/CWDM BLOCK和BIDI BLOCK满足各类ROSA\TOSA\BOSA需求。

随着光网络、数据中心等朝超高速率、更大容量及集成化方向的发展，光收发模块也采用体积更小、集成度更高的解决方案，无论是并行高速光组件或WDM波分高速光组件的需求量也随之快速增长。