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从100G到400G光模块,硅光技术与激光器芯片的碰撞

发布于 2020年03月26日 by
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为了适应AI、深度学习、大数据计算等业务的规模部署,100G网络架构已经成为数据中心主流架构,并且驱动了100G光模块行业的繁荣。就长远来看,数据中心仍有不断升级的需求,业内普遍认为400G网络架构将是100G网络的演进方向。这将进而带动400G光模块的市场需求与技术革新,其中光模块激光器技术成为关注焦点。

 

光模块核心组件之激光器芯片

光模块是由多种光学器件封装而成,其内部组件中激光器芯片是比较关键的部分,占光模块成本的60%,主要影响光模块的传输距离。激光器的主要类型有:VCSEL、FP、DFB、DML、EML,不同类型的激光器有不同的工作波长、方式和应用环境,如下表所示。

激光器类型 工作波长 工作方式 应用场景
VCSEL 850nm 面发射 短距离200M内
FP 1310nm/1550nm 边发射 中距离500M-10KM
DFB 1310nm/1550nm 边发射 长距离40KM
DML 1310nm/1550nm 直接调制 中距离500M-10KM
EML 1310nm/1550nm 外部调制、电吸收调制 长距离40KM
 

100G光模块激光器芯片与硅光技术

在100G光模块市场中,属100G QSFP28光模块市场份额较大,不同的QSFP28光模块采用了上述不同的激光器。

100G-SR4 QSFP28封装光模块,主要用于100m内的多模并行方案,其内部多采用VCSEL激光器,VCSEL激光器具有体积小、耦合率高、功耗低、易集成、价格低等优势;

100G-ER4 QSFP28100G-LR4 QSFP28封装光模块,主要用于10km左右中长距离单模方案,其内部多采用EML激光器,EML激光器具有眼图裕量大、色散小、消光比大、距离远等优势;

100G-CWDM4 QSFP28封装光模块,主要用于2km的粗波分复用方案,其内部多采用DML激光器,DML激光器具有尺寸小、功耗低、成本低等优势;

而对于100G-PSM4 QSFP28封装光模块,在芯片技术上有了新的突破---Intel面向数据中心场景的硅光混合集成100G PSM4光模块早已实现量产,并且由于更低的BOM(零件物料)成本优势占据了PSM4产品80%的市场份额,主要用于500m以下的4通道并行单模方案。

 

硅光技术在光模块行业面临的优势与挑战

目前光集成商业产品技术路线主要分为InP和Si两大阵营,其中DFB、DML、EML等激光器是InP阵营,虽然技术相对成熟,但是成本高,与CMOS工艺(集成电路工艺)不兼容,其衬底材料每2.6年才翻一倍。而Si硅光器件,采用COMS工艺实现无源光电子器件和集成电路单片集成,可大规模集成,具有高密度的优势,其衬底材料每1年可翻一倍。

目前100G光模块已打开了硅光技术的大门,但其发展仍然面临一些挑战。

首先, 硅基集成激光光源有待解决。硅是间接带隙半导体,相比于InP等直接带隙半导体,硅光模块中需要单独引入光源,而光源并不符合摩尔定律,耦合集成得越多成本也越高,将会不断抵消硅材料和工艺集成带来的成本优势。

其次,硅光模块封装难度大,良率低。硅光接口封装处于初期阶段,主要瓶颈在于光电子芯片和光纤阵列组建的光接口封装,其对准与封装的精度要求高,封装效率低,现阶段的封装技术难以实现高质量,低成本的封装,产品良率限制了硅光模块的大规模量产。

另外, 硅光芯片可获得量产化资源少。尽管硅光芯片与CMOS工艺兼容,但成熟的CMOS资源不对外开放或者没有硅光流片经验。

 

400G数据中心硅光技术将成为光模块主流吗?

从长期来看,硅光方案是大势所趋,在400G光模块时代或将大规模发力。

硅光模块市场规模预测.png

面对400G网络高速率的需求,市面上提出的多通道相干技术虽然降低了对芯片的要求,但整体成本较高,而单通道技术对芯片的要求更高,以100G光模块情况来看,传统的激光器已接近带宽极限,唯一有可能的EML激光器成本也比较高,如果说硅光技术可以攻克上述难题,或将在400G光模块时代成为主流。

如果您想进一步了解400G 硅光模块,可查看:一文带你了解400G QSFP-DD DR4硅光模块

 

结论

虽然400G光模块时代硅光技术有可能成为主流,但是毕竟目前是100G网络的主流时代,100G QSFP28光模块激光器芯片仍然以VCSEL、EML、DML为主。

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