在光接入网的运维现场摸爬过的人一定见过这种场景机房里WDM-PON设备的每个PON口都贴好了波长标签从1528nm到1563nm一个波长一种规格仓库里堆着一排不同颜色的ONU备件A小区的光模块坏了拿B小区的库存顶不上因为颜色不对。这就是传统WDM-PON最让人头疼的有色问题。这个项目要解决的正是这个痛点——把ONU端的光模块做成无色的不管哪个波长通道同一个硬件直接插上去就能用。实现无色ONU的核心就在那颗光芯片上。我们做的是把反射式电吸收调制器R-EAM和半导体光放大器SOA单片集成在同一个InP衬底上用10.7 Gb/s的速率完成上行数据的调制和发射。这个方案不是从零发明的而是在可调谐激光器、注入锁定、反射式远端调制这三条无色技术路线里反复权衡之后选出来最适合成本敏感型接入网场景的一条。这篇博客不打算写教科书就老老实实把这颗芯片的来龙去脉、设计取舍和实测中的坑讲清楚希望能给做光模块、光通信系统或者光芯片设计的同行一些参考。1. 从有色到无色ONU端不再挑波长的代价1.1 传统WDM-PON的有色包袱WDM-PON波分复用无源光网络的基本思路很简单每个ONU光网络单元独享一个波长相当于每个用户家里拉了一条专属的光纤车道。带宽充裕、隔离度好、安全性高这些都是它的优点。但代价也很直白——每个ONU里的激光器波长必须和OLT端对应的端口波长严格对上。用户开通业务时就得先确认装的是哪个波长的光模块装错了就完全不通。从运营商的角度看这就变成了供应链的噩梦。每增加一个波长就要多一种ONU库存多一份装维培训多一类排障问题。GPON和EPON时代那种一个模块通吃所有端口的爽快感在WDM-PON这里完全体会不到。行业里给这种ONU起了个外号叫有色ONU波长就是它的颜色。把ONU做成无色Colorless意思就是让同一个ONU硬件在任何波长上都能正常工作不挑颜色。无色的好处非常直观运营商只需要备一种库存装维不需要查波长表OLT端口和ONU之间没有绑定关系哪个波长空着就用哪个。对于要大规模部署WDM-PON的运营商来说这几乎是上不上量的一道门槛。1.2 三条无色路线怎么选要做到无色ONU业内有三种主流方案我们逐一做过评估。第一条路是可调谐激光器。在ONU里装一个能调波长的激光器装维的时候调到和OLT对应端口一致的波长。技术上完全可行DFB阵列加波长锁定就能实现但成本太高。ONU是成本极其敏感的器件一颗可调谐激光器芯片的价格比固定波长DFB贵好几倍再加上波长锁定和控制电路整颗模块的BOM成本直接翻上去。这个方案更适合长距核心网不适合接入网。第二条路是注入锁定。ONU端不放激光器用一个宽带光源比如FP-LD或RSOA靠OLT端发下来的下行光注入锁定让ONU的发光波长被迫跟随下行光。这个方案能省掉可调谐的成本但注入锁定对功率和偏振比较敏感光功率波动或者光纤扰动的时候容易失锁稳定性在大规模部署里是个隐患。第三条路就是本项目采用的反射式远端调制。ONU端完全不放激光器OLT端送一个连续波CW光载波下来ONU用反射式调制器把上行数据刻到这个连续光上再反射回OLT端。ONU里面的光芯片不做波长选择来什么波长就处理什么波长天然无色。三条路放在一起对比反射式方案的结构最简单、成本最低但有一个明显短板光从OLT送下来要经过光纤传输在ONU端经过调制器的时候又会有插入损耗反射回去还要再走一遍光纤整个往返链路的损耗比传统的激光器方案高不少。所以必须在ONU端引入光放大——这就是SOA半导体光放大器出现在这个标题里的原因。R-EAM负责调制信号SOA负责补偿链路损耗这两个器件必须放在一起工作。2. 一块InP芯片上怎么同时塞进EAM和SOA2.1 EAM和SOA的分工一个负责画信号一个负责加油先分别说清楚这两个器件是干什么的。反射式电吸收调制器R-EAM核心原理是量子限制斯塔克效应QCSE。芯片里的多量子阱结构在加电场的时候吸收边会向长波长方向移动。不加电压的时候量子阱对特定波长的光基本不吸收光能顺利通过加上反向偏压之后吸收边移过来光就被强烈吸收。所以通过改变加在EAM上的电压就能把电信号写成光信号的有无实现强度调制。用大白话说EAM就像一个光阀门电压控制这个阀门的开和关。半导体光放大器SOA原理是受激辐射放大。在有源区注入大电流让载流子形成粒子数反转光通过的时候被受激辐射过程放大。它可以理解为给光信号加油让信号从ONU反射回去的时候有足够的功率撑过整段上行光纤链路。到这里有个关键问题既然EAM和SOA都是基于InP基多量子阱MQW结构的它们能不能在同一个芯片上用同一套外延结构做出来答案是能的这也是整个器件能单片集成的物理基础。EAM用的是反向偏置SOA用的是正向偏置本质上都是同一片量子阱材料只是加的偏置完全不同——同一个人的左手和右手干的活却不一样。EAM在调制的时候需要量子阱的吸收边和信号波长有合适的失谐量SOA需要增益峰值覆盖信号波长。这意味着量子阱的组分、厚度、应变量设计必须同时兼顾增益谱和调制效率不能只优化某一个器件。这也是项目里最先要拍板的事情——外延结构不先定好后面什么都白搭。2.2 反射式的巧妙之处光进光出都走一个口反射式Reflective是这个器件区别于普通EAM的核心差异。普通EAM是透射式的光从一端进从另一端出。R-EAM不一样光的输入和输出是同一个端面光进入芯片之后经过调制区域被端面的高反膜反射回来再从这个端口出去。这个结构在系统里的意义在于ONU端只需要做一个光纤接口即可不用像透射式方案那样引两根光纤或者用一个光环形器区分输入输出。系统结构简化成OLT端不断发连续光经光纤传输到ONUONU的R-EAM把这个连续光调制后反射回光纤再沿同一根光纤回到OLT。整个ONU成了一个会说话的反光镜。R-EAM的芯片结构通常是这样排布的输入端也是输出端是低反膜芯片末端是高反膜。光从低反端面进入后先经过一段SOA放大区做增益补偿再进入EAM调制区到达末端的高反膜后反射回来再次经过EAM和SOA从低反端面回光纤。这样光在芯片内其实是走了两趟SOA和EAM相当于每个器件的有效作用长度都翻了一倍。所以R-EAM面临的损耗问题也比透射式更严重。普通透射式EAM的插入损耗大概6~8dB反射式因为光来回路过两次损耗直接双倍动辄12dB以上。没有SOA做补偿这个方案在系统里根本跑不通。这也是为什么标题里R-EAM和SOA必须同时出现——这是一个互为前提的设计SOA解决R-EAM的使用价值问题R-EAM解决SOA在调制器里集成的问题。2.3 外延结构和量子阱设计的共享单片集成的核心难点在于EAM和SOA的量子阱参数需求有冲突。EAM希望量子阱的吸收边和信号波长接近这样较小的电压变化就能产生明显的吸收变化调制效率高SOA希望增益峰值正好在信号波长上放大效率高。但两者如果真的完全对齐EAM在零偏压的时候也会因为残余吸收而引入额外损耗SOA则会因为吸收饱和而增益下降。实际设计的时候要把量子阱的吸收边或者说增益峰值放在信号波长稍微偏短的位置。比如工作在1550nm窗口量子阱的吸收边放在1540nm附近。这样SOA的增益在1550nm处虽然没到峰值但仍然有可观的增益EAM在零偏压时残余吸收较小因为1550nm离吸收边有约10nm的失谐加电压后吸收边红移压过1550nm调制效率也就出来了。这个失谐量的选择基本决定了整个芯片的调制电压范围和SOA增益上限是外延结构设计里最关键的折中。工艺实现上EAM区域和SOA区域是并排做在同一片外延片上的。EAM区的P型层要做电隔离防止正向偏置的SOA电流窜到反向偏置的EAM里。我们当时用的是质子注入隔离加台面腐蚀在两种器件之间形成一个高阻隔离区实测隔离度能到几十千欧以上。整个过程对光刻对准精度的要求很高两个功能区的长度、位置、波导宽度稍有偏差器件的增益和调制性能就会跟着漂。3. 10.7 Gb/s是怎么定出来的速率、啁啾和链路预算3.1 为什么偏偏是10.7G而不是10G标题里的10.7 Gb/s不是拍脑袋定的也不是市面上10G模块那种10G10.3125G的以太网速率。10.7 Gb/s是ITU-T G.709标准里OTU2的线速率准确值是10.709 Gb/s。它和10G以太网速率的差别在于OTU2的净荷是9.995 Gb/s多出来的部分全部用作前向纠错FEC开销。为什么一条10G级别的链路要主动放弃约7%的带宽去做FEC原因在无色方案的系统架构上。ONU端反射式调制的光信号路径比传统方案长得多——连续光要经过几十公里的下行光纤送到ONU在ONU端经历芯片的往返损耗再走几十公里上行光纤回到OLT。整个链路预算非常紧张接收端的光信噪比OSNR余量很有限。加了FEC之后接收机能容忍高得多的误码率比如从1E-12放宽到1E-3相当于变相增加了接收灵敏度余量这对预算紧张的无色链路来说是救命的。从工程角度说FEC带来的编码增益大概有5~7dB。用这7%的速率开销换6dB左右的链路余量在经济上也是划算的——光模块的发射功率、接收机灵敏度每提升1dB都是要花钱的但FEC已经是数字芯片里很成熟、很便宜的功能了。所以10.7G这个速率约定俗成不是技术极限是系统预算算出来最舒服的那个点。3.2 集总电极和RC带宽10.7 Gb/s的NRZ信号基波频率大约5.3GHz而一个调制器要撑起这个速率3dB电光带宽通常要求做到8GHz以上留出足够的裕量来保证眼图的上升沿和下降沿足够陡峭。EAM在10G这个量级上不需要行波电极用集总电极就够了——这也是EAM相比MZM的一大优势。集总电极的带宽主要受RC时间常数限制R来自电极和接触层的串联电阻C来自结电容。我们的EAM区长度大概在150~200μm波导宽度2μm左右加上隔离区域结电容大约在0.3~0.5pF这个量级。要把RC带宽推到8GHz以上串联电阻需要控制在40Ω以内。这里有个很实际的工艺矛盾为了降低接触电阻P型接触层的掺杂浓度要高但EAM区的多量子阱又需要良好的晶体质量来保证QCSE效率掺杂高了会影响材料质量。当时我们采用了选择性掺杂的办法——EAM区的P型接触层用中等掺杂避免过度损害量子阱在电极接触的位置做局部重掺杂两头兼顾。频率啁啾Chirp是另一个在10G速率下绕不开的问题。EAM在调制过程中吸收边的变化会同时引起折射率的变化导致光的相位也跟着抖动这就是啁啾。啁啾会导致光在光纤中传输时展宽脉冲造成色散代价。EAM的啁啾参数α可以在正负之间变化取决于偏置点。负啁啾在标准单模光纤G.652上还能和光纤的正色散形成部分抵消这就意味着EAM在1550nm窗口的色散容限其实比MZM还要好一点。设计的时候我们会刻意把EAM的偏置点选在稍微偏负啁啾的区域让10.7G的信号在20km标准单模光纤上传输时不至于因为色散代价吃掉太多功率预算。3.3 往返损耗与增益预算反射式结构带来的最大问题是光要穿过芯片两趟。我们实测过这个芯片的损耗预算大致是这样的EAM调制区单趟插入损耗约6~8dB两趟就是12~16dB端面耦合损耗每趟约1~1.5dB透镜光纤耦合两趟又是2~3dB末端高反膜反射率做在90%左右等效带来约0.5dB的反射损耗SOA单趟增益约7~9dB两趟合计约14~18dB算下来芯片整体的净增益从光纤输入到光纤输出能做到0~2dB基本能把损耗持平甚至略有富余。这个数字看着不惊人但对一个从外面看只是反射镜的器件来说能做到净增益为正已经意味着系统里的SNR有余量不再是纯损耗器件了。SOA的增益也不能一味加大。增益大了之后SOA的噪声指数NF也会跟着变大自发辐射ASE噪声水平升高反而会淹没信号。而且SOA增益太高还会出现增益饱和效应信号幅度大的时候增益被压缩眼图的线性度变差。我们在系统测试里发现SOA电流调整到增益刚好能覆盖链路预算时整体性能最好再往上加电流误码率反而变差。这个拐点在后面的实测章节里会细说。4. 单片集成为什么能打赢分立方案4.1 分立方案到底输在哪做光器件的人都知道把一个芯片集成在模块里的时候最大的成本和时间开销往往不在芯片本身而在光路上的耦合和对准。如果是分立方案R-EAM和SOA是两颗独立的芯片需要分别通过透镜耦合到光纤或者波导上。每颗芯片和光纤的耦合界面都是要烧钱的透镜、隔离器、光纤对准组件、胶水固化、焊接每一步都有损耗和良率风险。一个典型的混合集成光模块光路上的耦合损耗轻松到3~5dB这些损耗最终都要靠更高的光功率或更好的接收机来补偿也就是靠钱来补。分立还带来一个波长匹配问题。调制器的量子阱设计是和目标波长严格对应的放大器也一样。两颗独立芯片分别流片的时候工艺波动会让实际波长偏移个几纳米如果SOA的增益峰值和EAM的最佳工作点对不上整个模块的良率就非常依赖挑芯片——每颗芯片测完增益谱再配对各取所需这种配对工序在批量生产里是要命的。4.2 单片集成的良率和成本换算单片集成把这些问题变成了一个芯片上的问题。R-EAM和SOA共享同一片外延、同一个流片工艺波长偏差是整体的、一致的——SOA增益偏了EAM的吸收边也同步偏了两者相对关系不会乱。这就在源头上消灭了分立方案里频谱配对的需求。但单片集成也有它的代价。芯片长度变长了工艺复杂度上去了良率确实会比单一器件低一些。EAM区或SOA区任何一个区域出问题整颗芯片就报废。我们在初期做DOE实验设计的时候经历过几次低良率最后是通过优化台面腐蚀的均匀性和P型隔离工艺才把良率拉回正常水平。不过算经济账的时候单片集成的优势还是很明显的。一副透镜的成本、两次耦合对准的时间、一套额外的光纤封装这些都是模块层面的真金白银。芯片贵一点没关系模块的成本结构会告诉你答案在ONU这种成本敏感的终端设备里BOM上省掉的每一块钱都决定这个方案能不能最终被运营商接受。4.3 温控与波长匹配的隐性优势还有一个不太容易被注意到的优势热管理。SOA是个电流驱动的发热大户工作时结温能比环境温度高出好几度。如果SOA和EAM是分立的两颗芯片SOA发热会影响旁边EAM的温度而EAM的量子阱吸收边对温度非常敏感温度一变调制电压和消光比就会跟着漂。单片集成之后两个器件紧挨着温度梯度更均匀而且可以在同一块TEC半导体制冷器上做闭环控制。我们实测过在-5℃到70℃的温度变化范围内单片集成芯片的EAM最佳工作电压漂移比分立方案小得多。这意味着模块的软件里可以少写很多温度补偿的表项对现场长期稳定运行来说这个省心的优势比实验室里的指标更重要。5. 实测链路的关键指标与调试心得5.1 测试平台怎么搭在实验室验证这个芯片的时候测试平台搭得比较直接OLT端用一个可调谐激光器替代输出连续光经过一个光环行器从环行器的1口进、2口出经过一段光纤送到芯片芯片反射回来的调制信号原路回到环行器从3口出来进高速光电探测器再送到误码仪。整套系统完美模拟了无色WDM-PON里OLT到ONU的上行链路。环行器的隔离度是关键指标一般要求大于30dB否则发射的连续光会串扰到接收端的光电探测器里把微弱的上行信号直接淹没。我们一开始用了一个隔离度只有25dB的旧环行器测试出来的接收灵敏度差了快2dB后来换器件才恢复了正常。这种测试系统本身吃掉指标的情况在光通信验证里非常常见。5.2 眼图和误码率怎么看芯片上电调好之后第一眼看的是眼图。一个好看的眼图消光比能做到8dB以上眼图张开度足够大上升沿和下降沿对称、没有明显的过冲和振铃。如果SOA电流给得不够眼图的下眼皮会明显收紧这是ASE噪声叠加导致的如果SOA电流过大出现增益饱和眼图的上眼皮会被压平幅度变小。要找到那个中间甜点——SOA增益刚好充足但还没进入明显饱和的位置。误码率方面我们测了背靠背芯片直接放到环行器旁边和过20km标准单模光纤两种配置。背靠背时接收机灵敏度能做到-20dBm左右误码率1E-9加了20km光纤之后由于色散和反射信号残余的啁啾灵敏度会劣化0.5~1.5dB。结合FEC的能力这个链路预算在民用WDM-PON系统里是够用的。调试过程中曾经遇到过一个问题眼图的交叉点位置不对上下眼不一致。最开始怀疑是调制电压幅度没调对后来排查发现是EAM的直流偏置点偏了导致调制器工作在吸收曲线的非线性段。EAM的调制特性不是线性的直流偏置不仅要保证消光比还要保证调制信号的线性度偏置偏了哪怕0.1V眼图都会有肉眼可见的变化。5.3 调试过程中最容易被忽视的环节最后整理几个调试过程中的实战经验都是踩过坑之后才沉淀下来的。EAM的偏置电压和吸收边失谐量是做夫妻的关系。外延片流片回来之后实际吸收边和设计值会有偏差这个偏差直接决定了EAM的最佳偏置电压在哪里。每颗芯片的最佳偏置都不一样不能直接用上一轮流片封装的电压数据。量产的时候必须有自动搜索最佳偏置的流程否则人工一台一台调能把产线的人逼疯。ASE问题和消光比之间的矛盾前面提过这里再强调一下。SOA的增益不能单独作为优化目标我们遇到过加班加电流想把链路余量做大、结果误码率反而变差的案例。增益上去了ASE也上去了OSNR整体恶化得不偿失。合理的做法是先用链路预算算清楚需要的最小增益再在这个增益基础上往回收一点余量。末端高反膜的镀膜质量对反射式器件来说重要性怎么强调都不为过。高反膜的反射率、均匀性、应力都会影响器件的反射损耗和偏振特性。有一次我们换了一炉镀膜之后整批芯片的性能都变差了后来发现是镀膜机的温度不均匀导致高反膜反射率下降了好几个百分点。对于反射式器件而言这个膜层就是它的半条命。偏振敏感性问题也是在系统联调的时候暴露出来的。R-EAM和SOA都是偏振敏感的波导器件而实际光纤链路里的偏振状态是随机漂移的。我们做的芯片在TE和TM偏振下的增益差大约在2~3dB这意味着如果光纤链路里的偏振发生变化接收光功率也会跟着漂。在实验室里用保偏光纤装芯片测试完全发现不了这个问题接到真实系统里一做长时间稳定性测试功率波动就出来了。量产版本考虑加偏振控制方案或者优化波导结构降低PDA这个还在验证中。这个项目做完我的体会是R-EAM与SOA单片集成这个方案在系统层面其实是在做一道减法——用ONU端更简单的结构去换整个WDM-PON系统更低的部署成本。芯片内部的所有设计取舍无论是量子阱失谐量的选择、集成电极的RC优化还是SOA增益的折中最终都是为无色这两个字服务的。无色不是免费午餐它让ONU不再挑波长代价就是链路预算变紧张、芯片复杂度上升。但只要能把这个账算平这个技术路径在未来的WDM-PON里就有很强的生命力。至少从我接触的多个运营商和系统厂商需求来看无色已经被当作WDM-PON的默认属性了不能做到无色的ONU连送测的入场券都拿不到。