标签: 并行光学

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。

光模块的传输距离分为短距、中距、长距。通常短距离传输是指2km以下的传输距离，中距为10-20km。≥30km的则为长距离传输。根据不同的传输距离，光模块类型分为SR（100m）、DR（500m）、FR（2km）、LR（10 km）、ER（40 km）、ZR（80 km）几种。 其中，SR, LR, ER是由IEEE规范的标准统一光模块的结构封装和相关接口，而DR，FR是由MSA组织统一定义的。在100G及以下速率的数据中心，SR（Short Range）短距离光模块多采用多模并行技术。DR短距PSM4(Parallel Single Mode 4 channels)是500米传输，采用的是1310nm波长，使用单模并行。FR短距CWDM 4光模块则很好的填补了LR在2km以下成本过高的空白，是LR在500m到2km范围下的替代产品，采用的是波分复用技术。LR（Long Range）在单模光纤上支持的距离最远为10km，使用CWDM或LWDM波长激光。ER表示扩展可达（Extended Reach），在单模光纤上支持长达40km的距离，使用LWDM波长激光。 ZR也并不是IEEE标准，可以通过单模光纤传输达到80公里的距离，使用DWDM波长激光。 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、DWDM）。在数据中心光模块就产生了两种传输方案—并行和波分。在当前100G以及以下速率的数据中心，短距离光模块使用的更多是并行技术。 什么是并行光学技术?并行光学技术是一种特殊的光通信技术，在链路两端发射并接收信号，通常采用并行光学收发光模块来实现两端的高速信号传输。传统的光纤收发模块无法满足日益增长的高速传输需求，而并行光学技术可以成为 4×50G，8×50Gbps传输的经济高效的解决方案。 在并行光学的信号传输中，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，并行传输利用可支持每秒 10 至 100 Gigabit 数据速率的多个通道。如下图所示，8路同时并行传输，这样数量传输速率大大提高。也就是说A端以4个Tx端通过四根光纤以每路50Gbps的速率传输到B端 Rx端接收，达到总和200Gbps的传输速率。 在长距离传输中，光模块一般采用的是WDM波分复用技术。波分复用技术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。 在光收发器中，为了实现波分复用（mux）和解复用(demux)，最核心的光器件就是mux和demux光组件，mux和demux都属于无源器件。目前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 ）的阵列波导光栅(ArrayedWaveguide Grating，AWG)、刻蚀衍射光栅（Echelle Diffraction Grating,EDG）、级联MZI阵列（Mach-Zehnder interferometer, MZI）等。 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CWDM波长的滤光片通过微光学的方式进行合波和分波。最早采用的CWDM4组件是基于薄膜滤波片TFF的Z-block技术,如图所示,8个TFF滤波片分两组粘贴在一个斜方棱镜上,一组用于波分复用,另一组用于波分解复用,各滤波片的透射波长分别为1271nm、1291nm、1311nm、1331nm。 为了简化封装工艺，以减小尺寸和降低成本，人们开发了基于集成光学技术的CWDM4 AWG芯片。AWG是阵列波导光栅的简称，在电信网中早已成熟应用。AWG和Z-block都是高速光模块大量应用的光学组件。Z-block技术在一定程序上优于AWG，性能更好，链路损耗更小，能够传输更远距离。但是对耦合要求比较高，组装比较复杂，对于空间要求较高，不利于更多通道数的应用。相比于 TFF 技术，AWG 的集成度更高，一个 AWG 芯片可完成多个波长的复用及解复用功能， 减少复杂组装工艺，利于降低封装成本，通道数目多，插入损耗较小。在未来更高集成应用上，如果AWG在波长稳定以及制作工艺上进行优化升级，可能会更具优势。 电信传输网中的AWG被用于复用/解复用DWDM光信号，与CWDM4 AWG有些区别，其通道数一般为32/40/48通道，其通道间隔通常为200G或者100G（对应波长间隔1.6nm或者0.8nm），应用场景主要是电信网的骨干网，典型的结构如图所示，它包括一个输入波导、一个输入星形耦合器（图中自由传输区域FPR）、一组阵列波导、一个输出星形耦合器和数十根输出波导。 Z-block技术具有损耗低和信道质量好的优点，基于Z-block技术的CWDM4模块，能支持100G或更高速率的信号传输10公里及以上。在应用趋势上，AWG多应用于传统光模块接收端，具备极佳的成本优势和封装优势。发射端，AWG和TFF方案都有应用，而由于TFF在性能上更优，早起TFF应用更多，但综合考虑成本和性能，AWG性能也能大致满足，在传统方案中占比有一定提升。