Photonique sur silicium et lasers dans les modules émetteurs-récepteurs optiques 100G

L'architecture de réseau 100G devient progressivement le modèle dominant dans le déploiement actuel des réseaux de centres de données, ce qui a entraîné une explosion du marché des émetteurs-récepteurs 100G. À long terme, il est nécessaire de moderniser les centres de données. Le secteur estime que les réseaux évolueront vers une architecture de réseau 400G et qu'ils seront à l'origine de la demande du marché et de l'innovation technique du module optique 400G. Entre-temps, la photonique sur silicium, la récente innovation qui utiliserait les principes de la fibre optique à l'intérieur des dispositifs, a été poursuivie par les plus grands protagonistes de l'industrie, dont Intel, IBM et HP.

Le laser de l'émetteur-récepteur à fibre optique

Les lasers sont les éléments principaux des modules à fibre optique, qui injectent du courant dans les matériaux semi-conducteurs et diffusent la lumière laser à travers les oscillations des photons et les gains dans le résonateur. Représentant 60 % du coût de l’émetteur-récepteur, le laser est fortement lié à la distance de transmission du module. Les types de laser les plus courants sur le marché sont les suivants : VCSEL, FP, DFB, DML et EML. Le tableau ci-dessous indique leurs longueurs d'onde, leur mode de fonctionnement et leurs applications.

Emetteur-récepteur optique QSFP28 100G laser et en photonique sur silicium

Le laser VCSEL se caractérise par sa petite taille, son taux de couplage élevé, sa faible consommation d'énergie et son prix bas. Il est donc favorisé par l'émetteur-récepteur optique 100G-SR4 QSFP28 qui est principalement déployé dans le réseau de fibre multimode 100G.

Le Laser EML a une dispersion de longueur d'onde plus faible et une longueur d'onde stable à grande vitesse. Sa réponse de fréquence dépend de la capacité de la section EAM et peut atteindre des vitesses de fonctionnement élevées même au-dessus de 40 GHz. Il est souvent adopté par les émetteurs-récepteurs QSFP28 100G-ER4 et 100G-LR4 qui sont conçus pour des applications sur fibre monomode (SMF) avec des distances de transmission allant jusqu'à 10 km.

Les Lasers DML sont principalement utilisés pour des vitesses relativement plus faibles (≤25Gbps), et des portées plus courtes (2-10km) dans des applications de télécommunications et de datacoms, en raison de diverses contraintes telles qu’une dispersion chromatique plus importante, une réponse en fréquence plus faible et un taux d'extinction relativement faible, par rapport aux Lasers EML. Les modules optiques QSFP28 100G-CWDM4 pour les applications CWDM de plus de 2 km adoptent fréquemment le laser DML.

Quant à l'émetteur-récepteur QSFP28 100G-PSM4, il y a une innovation dans la technologie des puces car Intel a effectué des livraisons en grand volume d'émetteurs-récepteurs optiques 100 Gbps PSM4 qui utilisent la technologie de photonique sur silicium. De plus, l'avantage concurrentiel en termes de coût fait que l'émetteur-récepteur occupe 80 % de la part du marché des produits PSM4.

Avantages et défis de la photonique sur silicium dans l'industrie des émetteurs-récepteurs optiques 100G

Actuellement, la gamme technologique des produits commerciaux d'intégration optique est principalement divisée en InP (phosphure d'indium) et Si(Silicium). Les lasers comme le DFB, le DML, l'EML proviennent du phosphure d’indium (InP), dont la technologie est relativement développée, mais qui a un coût élevé et est incompatible avec le système CMOS, et son matériau de base ne double que tous les 2,6 ans. Les dispositifs en photonique sur silicium (Si) peuvent être intégrés à grande échelle par des composants optoélectroniques passifs et des circuits intégrés avec le système CMOS. Le matériau de base double chaque année et il se caractérise par sa haute densité.

À l'heure actuelle, le module optique 100G a bénéficié d'un brillant avenir dans le domaine de la photonique sur silicium avec le lancement de l'émetteur-récepteur photonique sur silicium d'Intel, mais a toutefois rencontré quelques difficultés lors de son développement.

L'approche visant à intégrer la photonique à la microélectronique basée sur le silicium devrait être concrétisée. Le silicium est un semi-conducteur à bande interdite indirecte, incapable d'émettre de la lumière de manière efficace. Il faut donc une lumière indépendante, ce qui n'est cependant pas conforme à la loi de Moore. Plus l'intégration est couplée, plus le coût est élevé, ce qui finit par contrebalancer les avantages de coût des matériaux en silicium et de l'intégration des procédures.

En outre, l'émetteur-récepteur photonique sur silicium est difficile à intégrer, avec un faible rendement. Le packaging de l'interface photonique sur silicium est en phase initiale, avec une difficulté qui réside dans le packaging de l'interface optique formée par la puce optoélectronique et le réseau de fibres optiques, qui exige une grande précision mais présente une faible efficacité. La technologie actuelle ne permet pas d'obtenir un packaging de haute qualité et à faible coût. Bien plus encore, le rendement des produits empêche la production en masse d'émetteurs-récepteurs photoniques en silicium.

Est-ce que la photonique sur silicium dominera le marché des émetteurs-récepteurs de centres de données 400G ?

La photonique sur silicium est une tendance très forte dans l'industrie des émetteurs-récepteurs optiques 100G à long terme, et pourrait progresser sur le marché des modules à fibre optique 400G.

Face à la demande de réseaux 400G à haut débit, bien que la technologie cohérente multicanal proposée réduise le besoin de puce laser, le coût global est plus élevé. Cependant, la technologie à canal unique a des exigences beaucoup plus élevées en ce qui concerne les puces. Dans le cas du module optique 100G, le laser traditionnel est proche de la limite de la largeur de bande, et le seul laser EML possible a un coût relativement élevé. Dans ces conditions, la photonique sur silicium pourrait devenir le standard de la génération 400G si les problèmes ci-dessus peuvent être résolus.

Conclusion

Bien que l'optique des émetteurs-récepteurs photoniques sur silicium puisse devenir le standard dans l'ère des modules optiques 400G, les réseaux 100G prédomine toujours à l'heure actuelle. La puce laser du module optique QSFP28 100G est toujours caractérisée par le VCSEL, l'EML et le DML. Le déploiement de centres de données Ethernet 100G a attiré beaucoup d'attention sur la photonique sur silicium ; de nombreux modules émetteurs-récepteurs optiques 100G sont fabriqués avec la technologie de la photonique sur silicium.