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100G光モジュールのシリコンフォトニクスとレーザー

Migelle

翻訳者 ともや
2019年10月25日 に投稿された

100Gネットワークアーキテクチャは、今日のデータセンターネットワーク展開の主流となり、100G光モジュール市場の繁栄を促進しています。長期的には、データセンターのアップグレードが依然として必要です。業界では一般に、ネットワークは400Gネットワークアーキテクチャに向かって進化し、400G光モジュールの市場需要と技術革新を促進すると考えられています。一方、デバイス内の光ファイバの原理を使用する新しいアイデアであるシリコンフォトニクスは、Intel、IBM、HPなどの業界最大のプレーヤーによって選択されています。

レーザー光モジュール

レーザーは、 光モジュールのコアデバイスで、半導体材料に電流を注入し、共振器の光子振動とゲインを介してレーザー光を注入します。レーザーは光モジュールのコストの60%を占め、伝送距離に密接に関連しています。市場の典型的なレーザーの種類には、VCSEL、FP、DFB、DML、EMLが含まれます。以下の表は、波長、動作パターン、およびアプリケーションを示しています。

レーザー
波長 動作パターン アプリケーション
VCSEL 850nm 面発光 <200M
FP 1310nm/1550nm 端面発光 500M-10KM
DFB
1310nm/1550nm 端面発光 40KM
DML 1310nm/1550nm 直接変調 500M-10KM
EML 1310nm/1550nm 外部変調、電界吸収 40KM

QSFP28 100G光モジュールレーザーおよびシリコンフォトニクス

VCSELレーザーは、小型、高結合率、低消費電力、低価格を特長としており、100Gマルチモードファイバネットワークで主に使用される100G-SR4 QSFP28光モジュールに好まれています。

EMLは、波長分散が小さく、高速動作で安定した波長を持ちます。EMLの周波数応答はEAMセクションの静電容量に依存し、40 GHz以上でも高い動作速度を実現できます。多くの場合、100G-ER4および100G-LR4 QSFP28モジュールで使用されており、最大10kmの伝送距離のシングルモードファイバ(SMF)を介したアプリケーション向けに設計されています。

DMLはEMLと比べて、色分散が大きく、周波数応答が低く、消光比が低いため、通信およびデータ通信アプリケーションの中で、主に低速(≤25Gbps)、 媒体の伝送距離が短い(2〜10 km)に使用されます。2kmを超えるCWDMプログラム用の100G-CWDM4 QSFP28オプティクスは、DMLレーザーをよく使っています。

100G-PSM4 QSFP28光モジュールに関しては、Intelがシリコンフォトニクステクノロジーを活用した100 Gbps PSM4光モジュールの大量出荷を実現したため、チップテクノロジーに新たなブレークスルーがあります。さらに、競争力のあるコスト優位性により、光モジュールはPSM4製品の市場シェアの80%を占めています。

100G光モジュール業界におけるシリコンフォトニクスのメリットと課題

現在、光集積商用製品の技術ルートは、主にInPとSiに分かれています。DFB、DML、EMLなどのレーザーは、InPに属します。技術的に成熟していますが、コストが高く、CMOSプロセスと互換性がなく、その基板材料は2.6年ごとに2倍になりました。シリコンフォトニックデバイスは、受動光電子デバイスと集積回路を使用して、CMOSプロセスにより大規模に統合できます。高密度が特徴で、基材は毎年2倍になります。

現在、 100G光モジュール は、Intelシリコンフォトニクスモジュールの登場により、シリコンフォトニクスの明るい未来を見ていますが、開発においていくつかの課題に直面しました。

フォトニクスとシリコンベースのマイクロエレクトロニクスを統合するアプローチを実現する必要があります。シリコンは間接遷移半導体で、効率的に発光デバイスになれないため、独立した発光デバイスが必要ですが、これはムーアの法則に準拠していません。統合が多いほど、コストが高くなり、最終的にシリコン材料とプロセス統合のコスト上のメリットを相殺します。

さらに、シリコンフォトニクスモジュールはパッケージングが難しく、歩留まりが低くなります。シリコンフォトニックインターフェースのパッケージングは初期段階にあり、オプトエレクトロニクスチップと光ファイバアレイによって形成される光学インターフェースのパッケージングに難問があり、高精度が必要ですが、効率が低くなっています。現在の技術では、高品質で低コストのパッケージングを実現することは困難です。さらに悪いことに、製品の歩留まりは、シリコンフォトニクスモジュールの大量生産を妨げます。

シリコンフォトニクスは400Gデータセンターモジュールを支配しますか?

シリコンフォトニクスは、長期的には100G光モジュール業界の魅力的なトレンドで、400G光モジュール市場に参入する可能性があります。

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高速400Gネットワークの需要に直面して、提案されたマルチチャネルコヒーレントテクノロジーはレーザーチップの要件を下げますが、全体的なコストは高くなります。ただし、シングルチャネルテクノロジーには、チップに対する要求がはるかに高くなっています。100G光モジュールの場合、従来のレーザーは帯域幅の限界に近く、使用可能な唯一のEMLレーザーは比較的コストが高くなります。これを考えると、上記のパズルに対処できれば、シリコンフォトニクスが400G時代の主流になる可能性があります。

結論

シリコンフォトニクスモジュールの光学系は、400G光モジュールの時代の主流になる可能性がありますが、現時点ではまだ100Gネットワークが普及しています。100G QSFP28光モジュールレーザーチップは、依然としてVCSEL、EML、およびDMLによって支配されています。100Gイーサネットデータセンターの展開は、シリコンフォトニクスに大きな注目を集めています。多くの100G光モジュールは、シリコンフォトニクス技術で作られています。

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