جهاز الإرسال والاستقبال البصري للسيليكون الضوئية (SiPh): سؤال وجواب

تعد الوحدة الضوئية جزءًا مهمًا من شبكة الاتصالات الضوئية. إنه جهاز بصري نشط مع الليزر باعتباره الناقل والألياف الضوئية كوسيط الإرسال. وظيفتها الأساسية هي تحقيق التحويل الكهروضوئي. في الوقت الحاضر ، يتم تغليف الوحدات الضوئية التقليدية بشكل أساسي بواسطة رقائق أشباه الموصلات III-V ، ورقائق السيليكون ذات الدوائر عالية السرعة ، والمكونات البصرية ، والأجهزة الأخرى ، والتي تنتمي أساسًا إلى "التوصيل البيني الكهربائي". مع التخفيض التدريجي لحجم معالجة الترانزستور ، سيواجه التوصيل البيني الكهربائي تدريجياً عنق الزجاجة في النقل ، لذلك ظهرت تقنية الضوئيات السيليكونية إلى حيز الوجود.

1. ما هو sإليكون pجهاز الإرسال والاستقبال البصري hotonics؟

ببساطة ، فإن جهاز الإرسال والاستقبال لضوئيات السليكون هو دمج التحويل الكهروضوئي والإرسال على شريحة سيليكون باستخدام تقنية السليكون الضوئية. الفكرة الأساسية لتقنية السيليكون الضوئية هي "استبدال الكهرباء بالضوء" ، أي استخدام شعاع الليزر بدلاً من الإشارة الإلكترونية لنقل البيانات ، ودمج الأجهزة البصرية والمكونات الإلكترونية في رقاقة مستقلة.

تتميز فوتونات السيليكون بخصائص انخفاض استهلاك الطاقة والتكامل العالي والمعدل العالي ، وهي تقنية الاتصال البصري الرئيسية في عصر ما بعد مور. وفقًا لخطة تطوير صناعة السليكون الضوئية من إنتل ، دخلت صناعة الوحدات الضوئية للسيليكون فترة من التطور السريع. في عام 2022 ، ستتفوق تقنية فوتونات السليكون بشكل شامل على الوحدات البصرية التقليدية من حيث سرعة الذروة في الثانية ، واستهلاك الطاقة ، والتكلفة.

وفقًا لبيانات LightCounting ، وهي شركة أبحاث تسويقية ، فإن نقطة التحول لتكنولوجيا فوتونات السيليكون لتغيير صناعة الأجهزة البصرية قد حان. في عام 2025 ، سيقترب حجم السوق للوحدات الضوئية من السليكون من 6 مليارات دولار ، وستزيد الحصة من 14٪ في 2018-2019 إلى 45٪ في عام 2025. في السنوات الأربع المقبلة ، سيحقق السوق نموًا مزدوج الرقم .

2. ما هي ملفات الإيجابيات والسلبيات ل sإليكون pجهاز الإرسال والاستقبال البصري hotonics؟

مزايا جهاز الإرسال والاستقبال للسيليكون الضوئية:

بشكل عام ، تتمتع تقنية الضوئيات السيليكونية بثلاث مزايا: انخفاض استهلاك الطاقة ، والتكامل العالي ، وعرض النطاق الترددي العالي للإرسال.

• بالمقارنة مع الأجهزة المنفصلة التقليدية ، تعتمد الوحدة الضوئية تحت تكنولوجيا الضوئيات السيليكونية على عملية التصنيع CMOS. يمكن استخدام عملية النقش على ركيزة السيليكون للمعالجة السريعة ، وتقليل الحجم بشكل كبير ، وزيادة تحسين تكلفة المواد ، وتكلفة الرقاقة ، وتكلفة التغليف. في الوقت نفسه ، يمكن للتكنولوجيا البصرية السيليكونية إجراء اختبار دفعي من خلال اختبار الرقاقة وغيرها من الطرق ، كما تم تحسين كفاءة الاختبار بشكل كبير.

400 جرام DR4 مخطط جهاز الإرسال والاستقبال البصري للسيليكون الضوئية

• تستخدم تقنية السليكون الضوئية أشعة الليزر بدلاً من الإشارات الإلكترونية لنقل البيانات ، وتدمج الأجهزة الضوئية والمكونات الإلكترونية في رقاقة منفصلة ، لتحل محل الأسلاك النحاسية بالضوء كوسيط توصيل المعلومات على شريحة السيليكون لتعزيز سرعة الشريحة إلى الشريحة روابط.
• بالمقارنة مع الأنظمة التي تنقل الإشارات الكهربائية عبر الأسلاك النحاسية ، فإن الأنظمة القائمة على الاتصالات الضوئية تنقل الإشارات الضوئية عبر خطوط الألياف الضوئية مما يجعل البيانات أسرع وأكثر كفاءة. أيضًا ، تعمل تنسيقات التعديل البصري المتقدمة ، فضلاً عن تقنيات الكشف المتماسكة ، على تحسين الكفاءة الطيفية. يمكن أن تتجاوز تغطية السيليكون البصري من الشريحة إلى شبكات المنطقة المحلية (LAN) وشبكات المنطقة الواسعة (WAN) مسافة إرسال تبلغ 100 كيلومتر.

عيوب جهاز الإرسال والاستقبال السيليكوني الضوئى:

نظرًا لفقدان الإدخال الكبير لجهاز الإرسال والاستقبال السليكوني الضوئي ، يمكنه الحفاظ على موثوقية كافية فقط في الإرسال لمسافات قصيرة. لذلك ، يصعب على تقنية فوتونات السيليكون تحقيق تكامل الأجهزة الوظيفية النشطة (مصدر الضوء والمضخم البصري) في وقت قصير ، ولا تزال هناك عقبات أمام التسويق التجاري على نطاق واسع.

تمثل الوحدات الضوئية ، خاصة الوحدات الضوئية عالية السرعة ، 50٪ ~ 60٪ من تكلفة معدات شبكة الاتصالات. سيؤثر اختيار الوحدات الضوئية وتكلفتها بشكل مباشر على التكلفة الإجمالية لبناء الشبكة. أصبحت التكلفة العالية للوحدات الضوئية مشكلة رئيسية تعوق تطور الاتصالات الضوئية. في تكلفة الوحدة الضوئية ، 40٪ عبارة عن شريحة ضوئية ، منها حوالي 20٪ ليزر. إذا تم توفير تكلفة الليزر بنسبة 3/4 ، يمكن تقليل التكلفة الإجمالية بنسبة 15٪ ، ويمكن تقليل جزء من تكاليف العمالة والمكونات في نفس الوقت.

الأنواع الرئيسية من الليزر في الوحدة البصرية هي VCSEL و FP و DFB و DML و EML. أنواع مختلفة من الليزر لها أطوال موجية مختلفة ، وأنماط ، وبيئات التطبيق. في الوقت الحاضر ، ينقسم المسار التقني للمنتجات التجارية للتكامل البصري بشكل أساسي إلى InP و Si. من بينها DFB و DML و EML وأنواع الليزر الأخرى هي أنواع InP. على الرغم من أن التكنولوجيا ناضجة نسبيًا ، إلا أن التكلفة مرتفعة وغير متوافقة مع عملية CMOS (عملية الدائرة المتكاملة). ومع ذلك ، فإن الجهاز البصري للسيليكون من النوع Si يتبنى عملية COMS لتحقيق التكامل الأحادي للأجهزة الكهروضوئية السلبية والدوائر المتكاملة ، والتي يمكن دمجها على نطاق واسع وتتميز بمزايا الكثافة العالية والتكلفة المنخفضة. ولكن هناك عيبًا - على الرغم من أن رقائق الضوئيات السيليكونية متوافقة مع عمليات CMOS ، فإن عائد المنتج يعيق الإنتاج على نطاق واسع لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية السيليكونية.

3. ما هي مجالات التطبيق والأسواق الخاصة بـ Sإليكون Pجهاز الإرسال والاستقبال البصري hotonics؟

من بين منتجات الوحدات الضوئية للسيليكون الضوئية التي يتم شحنها حاليًا ، هناك فئتان رئيسيتان: الوحدات البصرية لمركز البيانات قصير المدى والوحدات البصرية متوسطة وطويلة المدى للاتصالات. في الوحدات الضوئية المتماسكة متوسطة وطويلة المدى CWDM100 و 4G CWDM100 قصيرة المدى و 400 G ، فإن السليكون البصري له ميزة تكلفة قليلة. ومع ذلك ، في السيناريو الذي يزيد معدله عن 400 جرام ، تكون تكلفة ليزر DML التقليدي وليزر EML مرتفعة ، بينما يدمج جهاز الإرسال والاستقبال الضوئى للسيليكون الرقائق الضوئية / الكهربائية مثل الليزر متعدد القنوات والمعدِّل وكاشف متعدد القنوات على ضوئيات السيليكون رقاقة ، مما يقلل بشكل كبير من الحجم وله مزايا تكلفة واضحة. لذلك ، تستخدم تقنية السليكون الضوئية في الغالب في معدلات نقل 800G أو حتى XNUMXG.

400 جرام DR4 - الشكل الأساسي لـ 400 جرام من السيليكون الفوتونيs الوحدات:

400غ QSFP-DD DR4 هي وحدة إرسال واستقبال بصرية مصممة لربط 400 جيجابت لمركز بيانات إيثرنت في عامل شكل 400G QSFP-DD (رباعي الشكل صغير الحجم قابل للتوصيل بكثافة مزدوجة). في نهاية جهاز الإرسال ، تقوم وحدة DR4 بتحويل 8 قنوات من إشارة كهربائية بسرعة 50 جيجابت / ثانية (PAM4) إلى 4 قنوات لبيانات الإخراج البصري المتوازي ، كل منها قادر على معدل بيانات 100 جيجابت / ثانية لعرض نطاق ترددي إجمالي 400 جيجابت في الثانية. على جانب المستقبل ، يحول جهاز الإرسال والاستقبال البصري 4 ممرات من البيانات الضوئية المتوازية بسرعة 100 جيجابت / ثانية لكل حارة لمجموع 400 جيجابت / ثانية لدعم 8 ممرات من إشارة الخرج الكهربائي PAM50 بسرعة 4 جيجابت / ثانية.

تحقق وحدة الألياف 400G QSFP-DD DR4 النقل عبر SMF (الألياف أحادية الوضع) باستخدام موصل MPO-12. إنه يدعم مسافة نقل قصوى تبلغ 500 متر على طول موجة مركز 1310 نانومتر. تم تصميم المنتج بوظائف التشخيص الرقمي وفقًا لاتفاقية QSFP-DD متعددة المصادر (MSA).

في الوقت الحالي ، لا يزال أهم تطبيق لمنتجات فوتونات السليكون هو مراكز البيانات ، وبدأت أجهزة الإرسال والاستقبال لضوئيات السيليكون 400 جيجا في الانتقال من الشحنات ذات الحجم الصغير في عام 2020 إلى الشحنات كبيرة الحجم في عام 2021. مستقبل أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية للسيليكون واعد.