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(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(yīng)用在光通訊的中長距離傳輸和數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)中。

并行傳輸&波分復(fù)用傳輸

目前光模塊的波分復(fù)用組件主要有兩種實現(xiàn)技術(shù)：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(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方法來實現(xiàn)。利用自由空間光學（Free Space Optics）設(shè)計，結(jié)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(fù)用/解復(fù)用器，在一根光纖中傳輸1271nm、1291nm、1311nm、1331nm四個波長信號。

TFF（Thin Film Filter）薄膜濾光片技術(shù)

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(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，也進一步簡化了波導(dǎo)與光纖陣列之間的耦合工藝。當然，由于芯片寬度有限，波導(dǎo)彎曲半徑小于1mm，會引入一定的彎曲損耗。

CWDM4 AWG

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(fù)用發(fā)射，另一個用于光信號的解復(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(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，實現(xiàn)光束的90度轉(zhuǎn)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(shù)具有損耗低和信道質(zhì)量好的優(yōu)點，基于Z-block技術(shù)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(yīng)用趨勢上，AWG多應(yīng)用于傳統(tǒng)光模塊接收端，具備極佳的成本優(yōu)勢和封裝優(yōu)勢。 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(cè)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。

Z-block的典型結(jié)構(gòu)

從右側(cè)4個準直器發(fā)射的光信號,分別透過對應(yīng)的濾波片,經(jīng)不同反射次數(shù),到達左側(cè)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(shè)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的復(fù)用發(fā)射光路

Z-block組件的波分解復(fù)用接收光路如下圖所示,公共端光信號從左側(cè)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(yīng)的濾波片,經(jīng)微透鏡聚焦在光探測器陣列上的對應(yīng)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(fù)用的光束,需經(jīng)過一個直角棱鏡實現(xiàn)90度轉(zhuǎn)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(fù)雜度。

Z-block組件的波分解復(fù)用接收光路

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(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：

8×100G的方案

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(zhuǎn)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(dǎo)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。

準直器fiber collimators

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(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(zhuǎn)角度θ， 如果反射光再一次通過法拉第光偏振面將旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)器。

光隔離器 Isolator

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(zhuǎn)器，旋轉(zhuǎn)器只會朝一個方向旋轉(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)通過并輸出。當反方向的光通過右邊的偏光片進入到旋轉(zhuǎn)器，又再同一個方向旋轉(zhuǎn)45°，被旋轉(zhuǎn)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(fù)用解復(fù)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(shù)，可集成透鏡、準直器、隔離器等組件，通過精準的光路設(shè)計優(yōu)化，提高耦合效率。

HYC的這款集成光學組件主要是應(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(shù)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(shè)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(shè)計全光路模擬仿真，Z-block面型尺寸控制，基于客戶側(cè)設(shè)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(wù)。

HYC的這款集成光學組件

審核編輯 黃宇