波分复用等新技术普及带来更多无源器件封装形式
光模块内部含有光收发组件、电路控制部分等,随着光模块波分复用技术(WDM)的出现,光收发组件里面加入波分复用器(MUX)和波分解复用器(DEMUX)等无源器件,提升光收发组件封装难度,用于MUX和DEMUX封装的AWG技术逐渐成为主流。
早期的光模块从一开始的155Mb/s发展到10Gb/s,用的是时分复用(TDM)技术,即在单位时间内传输更多的比特数,后来又演进到并行传输(parallel)技术,但对于长距离通信来说,TDM与并行传输技术都有其瓶颈,于是演进到波分复用技术(WDM),及用一根光纤传输多个波长的技术,WDM又可以分为20nm间隔的粗波分复用(CWDM)技术和0.8nm间隔的密集波分复用(DWDM)技术。
波分复用WDM光模块的光发射组件里面含有波分复用器(MUX),光接收组件里面含有波分解复用器(DEMUX),MUX和DEMUX均属于光无源器件,目前光模块行业内,100G CWDM4 QSFP28光模块的波分复用组件,主要有两种:基于空间光学的薄膜滤波器(Thin-Film Filters,TFF)和基于集成平面光波导的阵列波导光栅(ArrayedWaveguide Grating,AWG)。
光模块内部结构图
资料来源:公开资料
数据中心 QSFP28 光收发模块
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基于集成平面光波导的阵列波导光栅(AWG)器件由两个多端口耦合器和连接它们的阵列波导构成,输入/输出星形耦合器采用类似凹面反射式光栅和罗兰圆的结构,输入/输出波导的端口位于罗兰圆的圆周上,分别对光进行限制和传到,阵列波导位于凹面光栅的圆周上。AWG器件可用作N*1波分复用器和1*N波分解复用器及N*N型的波长路由器等,具有尺寸小、易于集成、性能稳定、制造成本低廉等特点,利用它可以制造出成百上千信道的WDM器件,是高密集型WDM器件的首选方案。
AWG 结构原理图
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基于AWG 方案的 CWDM4 QSFP28 光模块内部光发射组件 (Transmitter Optical Sub AssemblyTOSA) 的实现方案中的一种方案具体为:将各个波长的分布式反馈激光器 ( 芯片、耦合透镜、隔离器 阵列波导光栅复用组件 AWG MUX 芯片的输入端和输出端,分别做光纤耦合;将四只 Tx 器件尾纤和耦合好的 AWGMUX 输入端进行光纤熔接来连接光路;将熔接好的光学组件,经过盘纤工艺,盘到 Q S FP28 的壳体里。
如下图所示的直接耦合无源对准 方案, 即不需要输出反馈,仅仅依靠高精度定位与贴片,实现 LD 与 AWG 波导的对准。这要求定位系统达到亚微米精度。此外激光器厚度本身的误差都超过了亚微米,所以激光器必须倒装 。
基于直接耦合无源对准 AWG 方案
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基于空间光学的薄膜滤波器(TFF)波分复用器的核心是多层介质薄膜滤光片,由反射介质薄膜隔开的两个或多个腔构成,腔的反射膜由具有不同折射率的多层介质膜堆积而成,每层膜厚都为1/4波长厚度。只允许特定波长的光通过而让其他所有波长的光反射。
TFF 波分复用器的核心是多层介质薄膜滤光片
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AWG作为复用/解复用器与传统TFF波分复用器相比,具有以下优势:1)通道数大;2)波长分辨率高,较容易实现50Ghz的波长间隔;3)集成度高,能在很小的镜片上实现40通道以上的100Ghz间隔的波长滤波;4)性价比高,通道数与价格不成正比,成本和性能与信道数无太大联系,适合量产。2007年时AWG与TFF的市场份额相当,随后AWG市场份额不断扩大,目前AWG成为WDM光模块的主要封装平台,未来随着CWDM光模块在数据中心、5G等场景的大量应用,AWG无源器件需求将进一步爆发。