Der Einfluss der Verpackung optischer Hochgeschwindigkeits-400G- und 800G-Module auf die Bandbreite

Bei den Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Modulen mit 400G, 800G und 1.6T wird erwartet, dass der Markt für VCSEL, EML und Siliziumphotonik wächst.

Bei Hochgeschwindigkeits-VCSELs, die derzeit in 100G-PAM4-Kanälen, 4x100G-400G-Modulen und 8x100G-800G-Modulen verwendet werden, muss die gesamte HF-Bandbreite berücksichtigt werden. Der Einfluss auf die Bandbreite geht über die Ebene des Chipdesigns hinaus, da auch der Verpackungsaspekt eine entscheidende Rolle spielt.

In ähnlicher Weise untersucht die Branche auch genau die Auswirkungen der EML-Verpackung auf die Bandbreite.

Die PN-Übergangskapazität ist ein wichtiger Aspekt beim Chipdesign von VCSELs und EMLs, der die Bandbreite beeinflusst.

Die Standards basieren auf 100G/Kanal für 400G und 800G werden derzeit in 802.3df diskutiert und sollen bis Ende 2024 veröffentlicht werden.

Die Standards für 400G, 800G und 1.6T basierend auf 200G/Kanal werden voraussichtlich im Jahr 2026 veröffentlicht.

Obwohl die Standards noch nicht endgültig sind, können die zugrunde liegenden Technologien nachverfolgt werden. Zum Beispiel die 800G-Multimode-Anwendung in 802.3df und die 400G Die Anwendung im kürzlich veröffentlichten 802.3db verwendet beide 100G PAM4 VCSEL, wobei 802.3df 8 Kanäle und 802.3db 4 Kanäle verwendet und bei Chipdesign und Verpackung eine gemeinsame Basis aufweist.

Ebenso kann das 100G EML, das im 2021 veröffentlichten Standard 802.3cu verwendet wird, hochskaliert werden, um den derzeit diskutierten Standard 800G 802.3df zu unterstützen.

In Bezug auf 802.3dj kann die erstmals erwähnte Schlüsseltechnologie von 200G EML durch laufende Experimente und Versuche erforscht werden, da es zahlreiche Beispiele für 200G EML-Chipdesign und Verpackungsgehäuse gibt.

Der Einfluss der Verpackung auf die Bandbreite wird durch die LC-Resonanzfrequenz begrenzt, wobei die parasitäre Induktivität L hauptsächlich durch die Bonddrähte verursacht wird. Durch die Verwendung eines Flip-Chip-Gehäuseansatzes kann die LC reduziert und die Gesamtbandbreite des Geräts verbessert werden.

Sowohl EML als auch VCSEL verfügen jetzt über Flip-Chip-Gehäuseoptionen. Bei EML wird das Licht seitlich abgestrahlt, sodass der optische Pfad im Flip-Chip-Substrat keine Rolle spielt. Bei VCSELs, die nach oben emittieren, muss der Flip-Chip-Ansatz die Auswirkungen sowohl auf den elektrischen als auch auf den optischen Pfad berücksichtigen.

Wenn der VCSEL oben emittierend ist, kann ein Glassubstrat (COG, Chip-on-Glass) verwendet werden, das sowohl als elektrische als auch als optische Schnittstelle dient.

Die Bandbreite von EML- und VCSEL-Chips wird auch von der Temperatur beeinflusst, da höhere Temperaturen zu einer Verringerung der Bandbreite führen können. Bei unten emittierenden VCSELs mit Flip-Chip-Gehäuse kann das Gehäuse nicht nur die durch die LC-Resonanz verursachten Bandbreitenänderungen berücksichtigen, sondern auch dazu beitragen, die Temperatur zu senken und so die Bandbreite weiter zu verbessern.

Bei unten emittierenden VCSELs kann die Verpackung auf undurchsichtigen Substraten wie COC/COB basieren, was ein Vorteil ist.

Der nach unten emittierende VCSEL-Ansatz kann die Kapazität des PN-Übergangs weiter reduzieren, da das P-Metall zur Ergänzung des Resonanzhohlraums verwendet werden kann, was eine Verringerung der Höhe des P-Halbleiters und folglich der PN-Übergangsfläche innerhalb des Hohlraums ermöglicht Zuverlässigkeitseinschränkungen. Zusammenfassend ist dieser Ansatz offEs bietet Vorteile hinsichtlich der Auswirkung des PN-Übergangs, der Temperatur und des Gehäuses auf die Bandbreite.

Die Herausforderung liegt in der VCSEL-Lichtemission vom Substrat, da das herkömmliche GaAs-Material bis 850 nm nicht transparent ist. Die Lösungen umfassen entweder den Austausch des Substrats gegen ein für 850 nm transparentes Material oder die Verschiebung der Emissionswellenlänge auf 940 nm, was für GaAs transparent ist.