武汉耀晟互连: 浅谈FA在40G/100G模块中的应用前景

3/17/2016,Fiber Array，对于做无源器件的厂家来说并不陌生，即大家常说的FA，广泛应用于光分路器等产品中，使用不同通道的PLC芯片+FA，即可制作出相应的1:4、1:8、1:16、1:32等不同分支比的splitter。12~13年FTTH市场启动时，曾经引发了无源器件的一个小高潮，但随着市场的回落，FA器件厂家一度难以维持，举步维艰。
从15年起，40G、100G光器件的需求开始增长，FA似乎又迎来了新一轮的春天。今天，我就来跟大家一起聊聊FA在高速光通信市场中的应用。

   Fiber Array，一般采用4芯、8芯、12芯的光纤带，配合全石英材质刻有V槽的基板，组装成为连接光器件和光纤之间的重要耦合组件。用于Splitter的FA一般要求FA与端面齐平，与PLC器件水平耦合，采用普通的研磨工艺即可达到。但用于40G/100G有源产品的FA，主要用于激光器、探测器等与光纤之间的耦合，绝大部分是采用垂直耦合，因此FA要求光纤突出基板0.2mm左右。下图为采用45°全反射实现光路耦合的FA的实物照片和原理图。

            
                         图1： 武汉耀晟互连45°FA实物照片与原理示意图

   在40G、100G产品中，高密度、小体积成为业界共同追求的目标，因此阵列芯片已经成为高速产品的唯一选择。对于长距传输的DFB、FP激光器，由于材料和工艺本身的限制，加工成为阵列非常困难，行业里很难见到DFB阵列芯片或者FP阵列芯片。但是对于PD和VCSEL来说，加工成为阵列相对容易很多。

   从原理上可以很容易看出，45°FA将光纤传输的光实现了全反射，转向90°后，直接导向光器件表面；同理光器件发出的光也可以经过90°转角后，进入光纤进行传输。因此对于VCSEL阵列和PD阵列来说是非常匹配的一种解决方案。
FA由于加工工艺复杂，成本高，导致在10G及10G速率为主导的市场中无用武之地。但对于40G和100G产品来说，在研发前期，难以找到非常匹配的塑料透镜来进行验证；尤其是市场还没有完全起量，透镜研发及生产的投入难以回收成本的情况下，采用45°FA是非常高效、实用的一种光学解决方案。

相对于透镜方案（基本原理如下图），45°FA也具有无可比拟的优势：
1，45°FA采用的光学原理非常简单，是教科书中的公理，因此不存在专利纠纷。而透镜方案由于目前国际大厂的控制，导致透镜创新设计困难，稍不留神就可能陷入国际专利纠纷中。
2，45°FA所使用的基板和盖板，全是石英玻璃材质，不存在光通道上的光学老化效应（激光器的能量密度很高，长时间会导致塑料老化，从而使得透镜失效），更有可能用于对环境要求温度较高的场景中，如-40~+85℃。

             
                              图2： 透镜耦合原理示意图
   
   当然，FA自身的工艺决定，FA的生产过程较为复杂，相对透镜来说成本非常高。尤其是，由于45°FA的原理是要在光纤端面上实现全反射，而不是传统光纤跳线的透射，所以其加工工艺与传统光纤端面处理有非常大的区别，其端面处理对于光模块的耦合效率以及接收机灵敏度有非常大的影响。可能不同厂家提供的参数一模一样的FA，生产出来的光模块却差异较大。目前市面上45°FA大部分还是由无源厂家来进行生产，对于后端光模块性能的验证较为薄弱，所以在选用FA时还需进行较多的验证。

   目前行业中，45°FA已经在40G QSFP SR4模块、100G QSFP SR光模块、40G PSM模块的阵列接收以及100G LR光模块的阵列接收中广泛应用。

作者简介：钱银博 博士，武汉耀晟互连（YSLINK）科技有限公司创始人，中国通信学会科学技术一等奖获得者，自主研发国内首条自主知识产权的纳米级COB贴装、耦合生产线，提供40G、100G高端光模块产品及解决方案；提供45°Fiber Array光学耦合产品。