光模塊的傳輸距離分為短距、中距、長(zhǎng)距。通常短距離傳輸是指2km以下的傳輸距離，中距為10-20km?！?0km的則為長(zhǎng)距離傳輸。根據(jù)不同的傳輸距離，光模塊類型分為SR(100m)、DR(500m)、FR(2km)、LR(10 km)、ER(40 km)、ZR(80 km)幾種。

光模塊的傳輸距離

其中，SR, LR, ER是由IEEE規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一光模塊的結(jié)構(gòu)封裝和相關(guān)接口，而DR，F(xiàn)R是由MSA組織統(tǒng)一定義的。在100G及以下速率的數(shù)據(jù)中心，SR(Short Range)短距離光模塊多采用多模并行技術(shù)。DR短距PSM4(Parallel Single Mode 4 channels)是500米傳輸，采用的是1310nm波長(zhǎng)，使用單模并行。FR短距CWDM 4光模塊則很好的填補(bǔ)了LR在2km以下成本過(guò)高的空白，是LR在500m到2km范圍下的替代產(chǎn)品，采用的是波分復(fù)用技術(shù)。LR(Long Range)在單模光纖上支持的距離最遠(yuǎn)為10km，使用CWDM或LWDM波長(zhǎng)激光。ER表示擴(kuò)展可達(dá)(Extended Reach)，在單模光纖上支持長(zhǎng)達(dá)40km的距離，使用LWDM波長(zhǎng)激光。 ZR也并不是IEEE標(biāo)準(zhǔn)，可以通過(guò)單模光纖傳輸達(dá)到80公里的距離，使用DWDM波長(zhǎng)激光。

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)。在數(shù)據(jù)中心光模塊就產(chǎn)生了兩種傳輸方案—并行和波分。在當(dāng)前100G以及以下速率的數(shù)據(jù)中心，短距離光模塊使用的更多是并行技術(shù)。

并行傳輸&波分復(fù)用

什么是并行光學(xué)技術(shù)?并行光學(xué)技術(shù)是一種特殊的光通信技術(shù)，在鏈路兩端發(fā)射并接收信號(hào)，通常采用并行光學(xué)收發(fā)光模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)兩端的高速信號(hào)傳輸。傳統(tǒng)的光纖收發(fā)模塊無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的高速傳輸需求，而并行光學(xué)技術(shù)可以成為 4×50G，8×50Gbps傳輸?shù)慕?jīng)濟(jì)高效的解決方案。

在并行光學(xué)的信號(hào)傳輸中，鏈路兩端的并行光模塊中含有多個(gè)發(fā)射器和接收器，采用多條光纖，信號(hào)通過(guò)多條路徑傳輸和接收，并行傳輸利用可支持每秒 10 至 100 Gigabit 數(shù)據(jù)速率的多個(gè)通道。如下圖所示，8路同時(shí)并行傳輸，這樣數(shù)量傳輸速率大大提高。也就是說(shuō)A端以4個(gè)Tx端通過(guò)四根光纖以每路50Gbps的速率傳輸?shù)紹端 Rx端接收，達(dá)到總和200Gbps的傳輸速率。

并行光學(xué)技術(shù)

在長(zhǎng)距離傳輸中，光模塊一般采用的是WDM波分復(fù)用技術(shù)。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。

WDM波分復(fù)用技術(shù)

在光收發(fā)器中，為了實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用(mux)和解復(fù)用(demux)，最核心的光器件就是mux和demux光組件，mux和demux都屬于無(wú)源器件。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(ArrayedWaveguide Grating，AWG)、刻蝕衍射光柵(Echelle Diffraction Grating,EDG)、級(jí)聯(lián)MZI陣列(Mach-Zehnder interferometer, MZI)等。

空間光學(xué)&波導(dǎo)光學(xué)

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。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。

Z-block技術(shù)

400G集成光學(xué)組件

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，在電信網(wǎng)中早已成熟應(yīng)用。AWG和Z-block都是高速光模塊大量應(yīng)用的光學(xué)組件。Z-block技術(shù)在一定程序上優(yōu)于AWG，性能更好，鏈路損耗更小，能夠傳輸更遠(yuǎn)距離。但是對(duì)耦合要求比較高，組裝比較復(fù)雜，對(duì)于空間要求較高，不利于更多通道數(shù)的應(yīng)用。相比于 TFF 技術(shù)，AWG 的集成度更高，一個(gè) AWG 芯片可完成多個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用及解復(fù)用功能， 減少?gòu)?fù)雜組裝工藝，利于降低封裝成本，通道數(shù)目多，插入損耗較小。在未來(lái)更高集成應(yīng)用上，如果AWG在波長(zhǎng)穩(wěn)定以及制作工藝上進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，可能會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。

AWG CWDM4

電信傳輸網(wǎng)中的AWG被用于復(fù)用/解復(fù)用DWDM光信號(hào)，與CWDM4 AWG有些區(qū)別，其通道數(shù)一般為32/40/48通道，其通道間隔通常為200G或者100G(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)間隔1.6nm或者0.8nm)，應(yīng)用場(chǎng)景主要是電信網(wǎng)的骨干網(wǎng)，典型的結(jié)構(gòu)如圖所示，它包括一個(gè)輸入波導(dǎo)、一個(gè)輸入星形耦合器(圖中自由傳輸區(qū)域FPR)、一組陣列波導(dǎo)、一個(gè)輸出星形耦合器和數(shù)十根輸出波導(dǎo)。

陣列波導(dǎo)光柵示意圖

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)。發(fā)射端，AWG和TFF方案都有應(yīng)用，而由于TFF在性能上更優(yōu)，早起TFF應(yīng)用更多，但綜合考慮成本和性能，AWG性能也能大致滿足，在傳統(tǒng)方案中占比有一定提升。

審核編輯：湯梓紅