亿源通谈数据中心CWDM4传输技术
发布时间：2021-02-06 12:16:38 热度：3819
2/06/2021，光纤在线讯，今日，亿源通发来关于数据中心CWDM4传输的技术文章，文中从数据中心光传输技术演进、到Z-block、AWG和ITL三种CWDM技术方案优劣对比，最后谈到亿源通推出的CWDM4解决方案，图文并茂分析，以下为内容全文：
数据中心光传输技术的演进
随着移动互联网的推广应用，数据中心得到迅猛发展，成为信息社会中的重要基础设施。数据中心由大量服务器组成，服务器之间需要高速、大容量的数据传输和交换，传统的电缆传输不能满足速率要求，光纤传输技术自2010年左右进入数据中心，至今已经成为主流传输技术。
早期的数据中心规模不大，所需传输距离在数十至数百米，通常采用多模光纤并行传输技术，并不断优化多模光纤的色散性能，以支持更高速率、更长距离的传输需求。其中符合OM4标准的多模光纤，可支持10G信号传输550米。
然而，数据中心的主流传输速率已进入100G时代，通常采用4×25G传输方案，单信道传输速率达到25G，多模光纤已经不能支持这么高的传输速率，单模光纤被引入100G传输系统。事实上，单模光纤的成本比多模光纤高，但单模光纤的传输波长在1310nm波段，而多模光纤的传输波长在850nm波段，1310nm波段的光电子器件较850nm波段的光电子器件贵得多。
单模光纤传输4×25G光信号，最早采用的是PSM4方案，通过8根光纤实现一对收发模块之间的双向数据传输。PSM4的每个光纤收发器仅需采用一个激光器，分光四路，分别经四个调制器输出，因此节省了光源成本。但是随着传输距离的增加，光纤成本迅速增加，因此PSM4通常应用于传输距离在500米以下的场景。
对于传输距离大于500米的应用场景，为了节约光纤成本，电信网中的CWDM技术被引入数据中心，即为CWDM4传输方案，通过波分复用/解复用器，在一根光纤中传输1271nm、1291nm、1311nm、1331nm四个间隔20nm的波长，这样在两个光纤收发模块之间，只需两根光纤就可实现双向传输。CWDM4可支持4×25G信号传输，在500~2000米传输距离较PSM4方案有成本优势。、
CWDM4技术方案
CWDM技术在电信网的应用已经非常成熟，国际电信联盟ITU在1271-1611nm波段定义了18个间隔20nm的CWDM信道。数据通信中的CWDM4标准，采用其中靠近G652单模光纤的零色散点的四个波长，即1271-1331nm。
数据中心100G光纤收发模块，目前的主流封装形式是QSFP28，模块中集成了4个半导体激光器、光探测器阵列及其驱动电路，以及无源的CWDM4组件。为了将CWDM4组件集成到QSFP28模块中，需要尽量小型化设计，对尺寸的要求比电信应用中的CCWDM模块（一种紧凑型CWDM模块）更严苛。
（1）Z-block技术
最早采用的CWDM4组件是基于薄膜滤波片TFF的Z-block技术，如图1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。
图1. 贴装CWDM4滤波片的Z-block结构
Z-block组件的波分复用发射光路如图2所示，注意斜方棱镜的背面部分区域镀了高反膜。从右侧4个准直器发射的光信号，分别透过对应的滤波片，经不同反射次数，到达左侧公共端的准直器，耦合到输出光纤中。由于斜方棱镜中的光路较长，达到10mm量级，因此必须采用总共五个准直器。反射光路及准直光束的耦合，对角度非常敏感，因此不能采用一体化的准直器阵列，而必须对每个输入准直器独立调节对准，组装工艺较为复杂。
图2. Z-block的复用发射光路
Z-block组件的波分解复用接收光路如图3所示，公共端光信号从左侧准直器输入，各信道的光信号经过不同反射次数，透过对应的滤波片，经微透镜聚焦在光探测器阵列上的对应单元。光探测器阵列贴装在PCB板上，如图3（b）所示。在水平面内被波分解复用的光束，需经过一个直角棱镜实现90度转向，沿竖直方向入射在光探测器上。光探测器的有源区尺寸通常只有Φ50微米，Z-block中传输的准直光束直径远大于此，因此需要微透镜聚焦，并且微透镜需要在垂直光路的横截面内，上下左右调节，以将聚焦光斑对准光探测器的有源区。这个调节对焦过程，也增加了Z-block组装工艺的复杂度。
图3. Z-block的解复用接收光路
（2）AWG技术
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。电信网中的AWG被用于复用/解复用DWDM光信号，信道间隔通常为200G或者100G（对应波长间隔1.6nm或者0.8nm）。因为应用场景主要是电信网的骨干网，对成本不敏感。
将AWG技术引入数据中心的CWDM4传输系统，波长间隔增加至20nm，技术难点降低了，但为了集成到QSFP28模块中并规模应用，对AWG芯片的尺寸和成本约束要严苛得多，目前主流的CWDM4 AWG芯片，尺寸可以控制在2mm×10mm以内。最早的CWDM4 AWG芯片，输入/输出端口位于两端，如图4所示。为了便于绕纤并集成于光纤收发模块中，人们开发了单侧输入/输出的CWDM4 AWG芯片，通过弯曲波导将输入端口绕至输出端，如图5所示。这样的设计，也进一步简化了波导与光纤阵列之间的耦合工艺。当然，由于芯片宽度有限，波导弯曲半径小于1mm，会引入一定的弯曲损耗。
图4. CWDM4 AWG芯片结构—两侧输入/输出
图5. CWDM4 AWG芯片结构—单侧输入/输出
一个CWDM4光纤收发模块中，需要两个CWDM4 AWG芯片，一个用于光信号的复用发射，另一个用于光信号的解复用接收。发射端的CWDM4 AWG芯片目前主要采用图5所示的单侧输入/输出结构，而在接收端，解复用的各个波长终将被光探测器检测，无需耦合到单模光纤中继续传输。为此，接收端CWDM4 AWG芯片通常采用图4所示的两侧输入/输出结构，输出端口采用多模光波导，并将输出端面抛光成45°斜面，实现光束的90度转折，入射在光探测器阵列上，后者被直接贴装在PCB板上。
这种设计有两点好处，其一采用多模波导输出，可以实现AWG通带谱线的平坦化设计，优化信道质量；其二输出光经90度转折后直接入射光探测器阵列，省去了波导阵列与光纤阵列之间的对接耦合，简化了组装工艺。
（3）梳状滤波器技术
采用集成光学技术的CWDM4 AWG芯片，相对于Z-block技术，尺寸减小，并且装配工艺大大简化，有利于降低成本。但是AWG器件的通带平坦度不好，信道质量劣化，并且损耗比Z-block大得多。
有厂商将电信网中的光学梳状滤波器ITL技术引入数据通信，图6所示为基于集成光学技术的光学梳状滤波器，它是由数个级联的MZI干涉臂组成的。实际上，电信网中的光学梳状滤波器，主要面向DWDM应用，考虑温度稳定性，通常采用GTI谐振腔或者双折射晶体方案，集成光学梳状滤波器无法满足实用条件。
图6. 基于集成光学技术的光学梳状滤波器
但CWDM4传输系统的信道间隔是20nm，对温漂的容差较大，因此可以采用集成光学梳状滤波器。注意图6中的MZI干涉臂，通过弯曲波导实现光程差，而波导弯曲会产生损耗。光波导可避免产生弯曲损耗的最小弯曲半径，取决于波导的折射率差，为了减小弯曲半径以缩小芯片尺寸，现有供应商采用的是氮化硅波导。然而，折射率差越大的光波导，良率会受影响，并且与光纤的耦合损耗会增大。
光学梳状滤波器是一种1×2端口器件，为了实现1×4波分复用/解复用，需要通过三个梳状滤波器串并联来实现，如图7所示，其中ITL#1的波长间隔是20nm，ITL#2和ITL#3的波长间隔是40nm。
图7. 由三个光学梳状滤波器ITL串并联而成的CWDM4芯片
CWDM4系统中的光学梳状滤波器和AWG均采用集成光学技术，前者具有更低的损耗和更好的信道质量，但良率稍低。
（4）CWDM4技术对比
Z-block、AWG和ITL三种CWDM技术方案，各自的优缺点对比，如表1所示。
对比可知，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，甚至能支持100G信号传输10公里。但是该技术的工艺难度高，造成成本居高不下。AWG技术的损耗最大，信道质量最差，但工艺难度和成本最低，满足数据中心市场降成本的诉求，正在逐步替代Z-block技术的市场。ITL技术具有媲美Z-block技术的信道质量，损耗也比AWG小得多，组装工艺难度与AWG相当，目前的问题是芯片良率偏低，如这个问题得到解决，将是最好的CWDM4解决方案。
（5）亿源通的CWDM4产品
为满足数据中心中长距离传输，又要符合降本需求，亿源通推出了小尺寸，相对低成本，可封装在光收发模块的AWG CWDM4产品。
亿源通的 AWG CWDM4模块基于硅基芯片技术，拥有紧凑性、易组装的结构以及很好的可靠性，每个ITU通带均有足够的工作带宽，在高低温的影响下都可以保持ITU理想的插入损耗指标。该AWG CWDM4器件可安装在狭窄的空间内，其主体尺寸能压缩到长15x宽2x高2mm以内，且采用的是Corning ClearCurve ZBL光纤，该光纤弯曲半径达到了5mm，几乎零弯曲损耗，具有高保真、高传输速率。
关于亿源通
亿源通专注于光通信光无源基础器件的设计、研发、制造与销售，为客户提供一站式产品采购、定制化服务。生产和销售产品包括光纤连接器（数据中心高密度光连接产品）、WDM波分复用器、PLC光分路器、MEMS光开关等，并不断探索开拓新的产品领域，包括Hybrid组合器件、光纤环形器等微光源器件产品。详情请访问 www.hyc-system.com
数据中心光传输技术的演进
随着移动互联网的推广应用，数据中心得到迅猛发展，成为信息社会中的重要基础设施。数据中心由大量服务器组成，服务器之间需要高速、大容量的数据传输和交换，传统的电缆传输不能满足速率要求，光纤传输技术自2010年左右进入数据中心，至今已经成为主流传输技术。
早期的数据中心规模不大，所需传输距离在数十至数百米，通常采用多模光纤并行传输技术，并不断优化多模光纤的色散性能，以支持更高速率、更长距离的传输需求。其中符合OM4标准的多模光纤，可支持10G信号传输550米。
然而，数据中心的主流传输速率已进入100G时代，通常采用4×25G传输方案，单信道传输速率达到25G，多模光纤已经不能支持这么高的传输速率，单模光纤被引入100G传输系统。事实上，单模光纤的成本比多模光纤高，但单模光纤的传输波长在1310nm波段，而多模光纤的传输波长在850nm波段，1310nm波段的光电子器件较850nm波段的光电子器件贵得多。
单模光纤传输4×25G光信号，最早采用的是PSM4方案，通过8根光纤实现一对收发模块之间的双向数据传输。PSM4的每个光纤收发器仅需采用一个激光器，分光四路，分别经四个调制器输出，因此节省了光源成本。但是随着传输距离的增加，光纤成本迅速增加，因此PSM4通常应用于传输距离在500米以下的场景。
对于传输距离大于500米的应用场景，为了节约光纤成本，电信网中的CWDM技术被引入数据中心，即为CWDM4传输方案，通过波分复用/解复用器，在一根光纤中传输1271nm、1291nm、1311nm、1331nm四个间隔20nm的波长，这样在两个光纤收发模块之间，只需两根光纤就可实现双向传输。CWDM4可支持4×25G信号传输，在500~2000米传输距离较PSM4方案有成本优势。、
CWDM4技术方案
CWDM技术在电信网的应用已经非常成熟，国际电信联盟ITU在1271-1611nm波段定义了18个间隔20nm的CWDM信道。数据通信中的CWDM4标准，采用其中靠近G652单模光纤的零色散点的四个波长，即1271-1331nm。
数据中心100G光纤收发模块，目前的主流封装形式是QSFP28，模块中集成了4个半导体激光器、光探测器阵列及其驱动电路，以及无源的CWDM4组件。为了将CWDM4组件集成到QSFP28模块中，需要尽量小型化设计，对尺寸的要求比电信应用中的CCWDM模块（一种紧凑型CWDM模块）更严苛。
（1）Z-block技术
最早采用的CWDM4组件是基于薄膜滤波片TFF的Z-block技术，如图1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。
图1. 贴装CWDM4滤波片的Z-block结构
Z-block组件的波分复用发射光路如图2所示，注意斜方棱镜的背面部分区域镀了高反膜。从右侧4个准直器发射的光信号，分别透过对应的滤波片，经不同反射次数，到达左侧公共端的准直器，耦合到输出光纤中。由于斜方棱镜中的光路较长，达到10mm量级，因此必须采用总共五个准直器。反射光路及准直光束的耦合，对角度非常敏感，因此不能采用一体化的准直器阵列，而必须对每个输入准直器独立调节对准，组装工艺较为复杂。
图2. Z-block的复用发射光路
Z-block组件的波分解复用接收光路如图3所示，公共端光信号从左侧准直器输入，各信道的光信号经过不同反射次数，透过对应的滤波片，经微透镜聚焦在光探测器阵列上的对应单元。光探测器阵列贴装在PCB板上，如图3（b）所示。在水平面内被波分解复用的光束，需经过一个直角棱镜实现90度转向，沿竖直方向入射在光探测器上。光探测器的有源区尺寸通常只有Φ50微米，Z-block中传输的准直光束直径远大于此，因此需要微透镜聚焦，并且微透镜需要在垂直光路的横截面内，上下左右调节，以将聚焦光斑对准光探测器的有源区。这个调节对焦过程，也增加了Z-block组装工艺的复杂度。
图3. Z-block的解复用接收光路
（2）AWG技术
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。电信网中的AWG被用于复用/解复用DWDM光信号，信道间隔通常为200G或者100G（对应波长间隔1.6nm或者0.8nm）。因为应用场景主要是电信网的骨干网，对成本不敏感。
将AWG技术引入数据中心的CWDM4传输系统，波长间隔增加至20nm，技术难点降低了，但为了集成到QSFP28模块中并规模应用，对AWG芯片的尺寸和成本约束要严苛得多，目前主流的CWDM4 AWG芯片，尺寸可以控制在2mm×10mm以内。最早的CWDM4 AWG芯片，输入/输出端口位于两端，如图4所示。为了便于绕纤并集成于光纤收发模块中，人们开发了单侧输入/输出的CWDM4 AWG芯片，通过弯曲波导将输入端口绕至输出端，如图5所示。这样的设计，也进一步简化了波导与光纤阵列之间的耦合工艺。当然，由于芯片宽度有限，波导弯曲半径小于1mm，会引入一定的弯曲损耗。
图4. CWDM4 AWG芯片结构—两侧输入/输出
图5. CWDM4 AWG芯片结构—单侧输入/输出
一个CWDM4光纤收发模块中，需要两个CWDM4 AWG芯片，一个用于光信号的复用发射，另一个用于光信号的解复用接收。发射端的CWDM4 AWG芯片目前主要采用图5所示的单侧输入/输出结构，而在接收端，解复用的各个波长终将被光探测器检测，无需耦合到单模光纤中继续传输。为此，接收端CWDM4 AWG芯片通常采用图4所示的两侧输入/输出结构，输出端口采用多模光波导，并将输出端面抛光成45°斜面，实现光束的90度转折，入射在光探测器阵列上，后者被直接贴装在PCB板上。
这种设计有两点好处，其一采用多模波导输出，可以实现AWG通带谱线的平坦化设计，优化信道质量；其二输出光经90度转折后直接入射光探测器阵列，省去了波导阵列与光纤阵列之间的对接耦合，简化了组装工艺。
（3）梳状滤波器技术
采用集成光学技术的CWDM4 AWG芯片，相对于Z-block技术，尺寸减小，并且装配工艺大大简化，有利于降低成本。但是AWG器件的通带平坦度不好，信道质量劣化，并且损耗比Z-block大得多。
有厂商将电信网中的光学梳状滤波器ITL技术引入数据通信，图6所示为基于集成光学技术的光学梳状滤波器，它是由数个级联的MZI干涉臂组成的。实际上，电信网中的光学梳状滤波器，主要面向DWDM应用，考虑温度稳定性，通常采用GTI谐振腔或者双折射晶体方案，集成光学梳状滤波器无法满足实用条件。
图6. 基于集成光学技术的光学梳状滤波器
但CWDM4传输系统的信道间隔是20nm，对温漂的容差较大，因此可以采用集成光学梳状滤波器。注意图6中的MZI干涉臂，通过弯曲波导实现光程差，而波导弯曲会产生损耗。光波导可避免产生弯曲损耗的最小弯曲半径，取决于波导的折射率差，为了减小弯曲半径以缩小芯片尺寸，现有供应商采用的是氮化硅波导。然而，折射率差越大的光波导，良率会受影响，并且与光纤的耦合损耗会增大。
光学梳状滤波器是一种1×2端口器件，为了实现1×4波分复用/解复用，需要通过三个梳状滤波器串并联来实现，如图7所示，其中ITL#1的波长间隔是20nm，ITL#2和ITL#3的波长间隔是40nm。
图7. 由三个光学梳状滤波器ITL串并联而成的CWDM4芯片
CWDM4系统中的光学梳状滤波器和AWG均采用集成光学技术，前者具有更低的损耗和更好的信道质量，但良率稍低。
（4）CWDM4技术对比
Z-block、AWG和ITL三种CWDM技术方案，各自的优缺点对比，如表1所示。
对比可知，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，甚至能支持100G信号传输10公里。但是该技术的工艺难度高，造成成本居高不下。AWG技术的损耗最大，信道质量最差，但工艺难度和成本最低，满足数据中心市场降成本的诉求，正在逐步替代Z-block技术的市场。ITL技术具有媲美Z-block技术的信道质量，损耗也比AWG小得多，组装工艺难度与AWG相当，目前的问题是芯片良率偏低，如这个问题得到解决，将是最好的CWDM4解决方案。
（5）亿源通的CWDM4产品
为满足数据中心中长距离传输，又要符合降本需求，亿源通推出了小尺寸，相对低成本，可封装在光收发模块的AWG CWDM4产品。
亿源通的 AWG CWDM4模块基于硅基芯片技术，拥有紧凑性、易组装的结构以及很好的可靠性，每个ITU通带均有足够的工作带宽，在高低温的影响下都可以保持ITU理想的插入损耗指标。该AWG CWDM4器件可安装在狭窄的空间内，其主体尺寸能压缩到长15x宽2x高2mm以内，且采用的是Corning ClearCurve ZBL光纤，该光纤弯曲半径达到了5mm，几乎零弯曲损耗，具有高保真、高传输速率。
关于亿源通
亿源通专注于光通信光无源基础器件的设计、研发、制造与销售，为客户提供一站式产品采购、定制化服务。生产和销售产品包括光纤连接器（数据中心高密度光连接产品）、WDM波分复用器、PLC光分路器、MEMS光开关等，并不断探索开拓新的产品领域，包括Hybrid组合器件、光纤环形器等微光源器件产品。详情请访问 www.hyc-system.com
