100G/400G光モジュールのシリコンフォトニクス技術とレーザー光源
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
100G QSFP28モジュールの代表的なレーザーにはVCSEL、DML、EMLという三つのレーザータイプがあります。VCSEL、DML、EML、それぞれの違いは以下の図表のように示しています。
| レーザーのタイプ | 類別 | 適用する光モジュール・タイプ | 接続するケーブル・タイプ | 伝送距離 | メリット |
|---|---|---|---|---|---|
| VCSEL | 垂直共振器型面発光レーザ | 100G-SR4 QSFP28光モジュール | マルチモードファイバ | 短距離 | 小型、高結合率、低消費電力、低価格 |
| DML | 分布帰還型レーザ | 100G-CWDM4 QSFP28 | シングルモードファイ | 短距離（2～10km）、低速（≦25Gbps） | 光の分散が大きい、周波数特性が低い、消光比も比較的小さい |
| EML | 変調器集積型 | 100G-ER4および100G-LR4 QSFP28モジュール | シングルモードファイ | 長距離（10-40 km）、高速（> 25 Gbps） | 波長分散が少ない、高速動作でも高安定性、40 GHz以上でも高い動作速度の実現 |
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
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。
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。
