数据中心 CWDM4 传输技术

1.  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。

2.   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。

贴装CWDM4滤波片的Z-block结构

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。

Z-block的复用发射光路

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。

Z-block的解复用接收光路

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。

CWDM4 AWG芯片结构—两侧输入/输出

图4. CWDM4 AWG芯片结构—两侧输入/输出

 CWDM4 AWG芯片结构—单侧输入/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。

基于集成光学技术的光学梳状滤波器

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。

由三个光学梳状滤波器ITL串并联而成的CWDM4芯片

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。

3.   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。

项目 Z-block AWG ITL
器件尺寸
传输损耗
信道质量
工艺难度
生产良率 低(芯片良率)

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。

 作者:冯建伟,万助军

 


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