Optischer Transceiver von Silicon Photonics (SiPh): Fragen und Antworten

Das optische Modul ist ein wichtiger Bestandteil des optischen Kommunikationsnetzes. Es ist ein aktives optisches Gerät mit einem Laser als Träger und einer Glasfaser als Übertragungsmedium. Seine Kernfunktion besteht darin, eine photoelektrische Umwandlung zu realisieren. Gegenwärtig werden herkömmliche optische Module hauptsächlich von III-V-Halbleiterchips, Siliziumchips für Hochgeschwindigkeitsschaltungen, optischen Komponenten und anderen Geräten verpackt, die im Wesentlichen zur „elektrischen Verbindung“ gehören. Mit der allmählichen Reduzierung der Transistorverarbeitungsgröße wird die elektrische Verbindung allmählich auf den Übertragungsengpass stoßen, so dass die Silizium-Photonik-Technologie entstand.

1. Was ist das? silicon pHotonics optischer Transceiver?

Einfach ausgedrückt besteht der Silizium-Photonik-Transceiver darin, die fotoelektrische Umwandlung und Übertragung auf einem Silizium-Chip unter Verwendung der Silizium-Photonik-Technologie zu integrieren. Die Kernidee der siliziumoptischen Technologie besteht darin, „Strom durch Licht zu ersetzen“, also einen Laserstrahl anstelle eines elektronischen Signals zur Datenübertragung zu verwenden und optische Geräte und elektronische Komponenten in einem eigenständigen Mikrochip zu integrieren.

Die Siliziumphotonik zeichnet sich durch einen geringen Stromverbrauch, eine hohe Integration und eine hohe Rate aus, was die Schlüsseltechnologie der optischen Kommunikation in der Post-Moore-Ära ist. Laut Intels Silicon Photonics Industry Development Plan ist die Branche der optischen Siliziummodule in eine Phase rasanter Entwicklung eingetreten. Im Jahr 2022 wird die Silizium-Photonik-Technologie herkömmliche optische Module in Bezug auf Spitzengeschwindigkeit pro Sekunde, Energieverbrauch und Kosten umfassend übertreffen.

Nach Angaben von LightCounting, einem Marktforschungsunternehmen, ist der Wendepunkt für die Silizium-Photonik-Technologie gekommen, der die Branche der optischen Geräte verändern wird. Im Jahr 2025 wird der Markt für optische Silizium-Photonik-Module nahezu 6 Milliarden US-Dollar betragen und der Anteil wird von 14 % im Zeitraum 2018–2019 auf 45 % im Jahr 2025 steigen. In den nächsten vier Jahren wird der Markt ein zweistelliges Wachstum erzielen .

2. Was sind die Vor-und Nachteile dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. silicon pHotonics optischer Transceiver?

Vorteile des Silizium-Photonik-Transceivers:

Im Allgemeinen hat die Silizium-Photonik-Technologie drei Vorteile: geringer Stromverbrauch, hohe Integration und hohe Übertragungsbandbreite.

• Im Vergleich zu herkömmlichen diskreten Geräten basiert das optische Modul unter Silizium-Photonik-Technologie auf dem CMOS-Fertigungsprozess. Der Ätzprozess kann auf dem Siliziumsubstrat verwendet werden, um es schnell zu bearbeiten, das Volumen stark zu reduzieren und die Materialkosten, Chipkosten und Verpackungskosten weiter zu optimieren. Gleichzeitig kann die optische Siliziumtechnologie Batch-Tests durch Wafertests und andere Methoden durchführen, und die Testeffizienz wird erheblich verbessert.

400GDR4 Diagramm des optischen Transceivers von Silicon Photonics

• Die Silizium-Photonik-Technologie verwendet Laserstrahlen anstelle von elektronischen Signalen, um Daten zu übertragen, und integriert optische Geräte und elektronische Komponenten in einem separaten Mikrochip, wobei Kupferdrähte durch Licht als Informationsleitungsmedium auf einem Siliziumchip ersetzt werden, um die Geschwindigkeit von Chip zu Chip zu erhöhen Verbindungen.
• Im Vergleich zu Systemen, die elektrische Signale über Kupferdrähte übertragen, übertragen auf optischer Kommunikation basierende Systeme optische Signale über Glasfaserleitungen, wodurch Daten schneller und effizienter übertragen werden. Darüber hinaus verbessern fortschrittliche optische Modulationsformate sowie kohärente Detektionstechniken die spektrale Effizienz. Die Abdeckung von Silizium-Optiken vom Chip bis hin zu lokalen Netzwerken (LANs) und Weitverkehrsnetzen (WANs) kann eine Übertragungsentfernung von 100 km überschreiten.

Nachteile des Silizium-Photonik-Transceivers:

Aufgrund der großen Einfügungsdämpfung des Silizium-Photonik-Transceivers kann eine ausreichende Zuverlässigkeit nur bei der Übertragung über kurze Entfernungen aufrechterhalten werden. Daher ist es für die Silizium-Photonik-Technologie schwierig, die Integration aktiver Funktionsgeräte (Lichtquelle und optischer Verstärker) in kurzer Zeit zu realisieren, und es gibt immer noch Hindernisse für eine groß angelegte Kommerzialisierung.

Optische Module, insbesondere optische Hochgeschwindigkeitsmodule, machen 50 bis 60 % der Kosten für Kommunikationsnetzwerkausrüstung aus. Die Auswahl und die Kosten optischer Module wirken sich direkt auf die Gesamtbaukosten des Netzwerks aus. Die hohen Kosten optischer Module sind zu einem zentralen Problem geworden, das die Entwicklung der optischen Kommunikation behindert. Bei den Kosten für das optische Modul entfallen 40 % auf den optischen Chip, davon etwa 20 % auf den Laser. Wenn die Laserkosten um 3/4 eingespart werden, können die Gesamtkosten um 15 % gesenkt werden, und gleichzeitig kann ein Teil der Arbeits- und Komponentenkosten gesenkt werden.

Die Haupttypen von Lasern im optischen Modul sind VCSEL, FP, DFB, DML und EML. Unterschiedliche Lasertypen haben unterschiedliche Arbeitswellenlängen, Modi und Anwendungsumgebungen. Gegenwärtig ist der technische Weg von kommerziellen Produkten mit optischer Integration hauptsächlich in InP und Si unterteilt. Darunter sind DFB-, DML-, EML- und andere Laser InP-Typen. Obwohl die Technologie relativ ausgereift ist, sind die Kosten hoch und mit dem CMOS-Prozess (integrierter Schaltungsprozess) nicht kompatibel. Die optische Siliziumvorrichtung vom Si-Typ wendet jedoch den COMS-Prozess an, um die monolithische Integration von passiven optoelektronischen Vorrichtungen und integrierten Schaltungen zu realisieren, die in großem Umfang integriert werden können und die Vorteile hoher Dichte und niedriger Kosten aufweisen. Aber es gibt einen Nachteil – obwohl die Silizium-Photonik-Chips mit CMOS-Prozessen kompatibel sind, behindert die Produktausbeute die Massenproduktion von Silizium-Photonik-Transceivern.

3. Was sind die Anwendungsfelder und Märkte der Silicon PHotonics Optischer Transceiver?

Unter den derzeit ausgelieferten optischen Silizium-Photonik-Modulprodukten gibt es zwei Hauptkategorien: optische Module für Rechenzentren mit kurzer Reichweite und kohärente optische Module für die Telekommunikation mit mittlerer und großer Reichweite. Bei 100G-Kurzstrecken-CWDM4- und 100G-Mittel- und Langstrecken-kohärenten optischen Modulen bietet Siliziumoptik nur geringe Kostenvorteile. Im Szenario mit einer Rate über 400 G sind die Kosten für herkömmliche DML-Laser und EML-Laser jedoch hoch, während der Silizium-Photonik-Transceiver optische/elektrische Chips wie Mehrkanallaser, Modulator und Mehrkanaldetektor auf Silizium-Photonik integriert Chip, der das Volumen stark reduziert und offensichtliche Kostenvorteile mit sich bringt. Daher wird die Silizium-Photonik-Technologie meist bei Übertragungsraten von 400G oder sogar 800G eingesetzt.

400G DR4 – Die Grundform von 400G Silicon Photonics Module:

400G QSFP-DD DR4 ist ein optisches Transceivermodul, das für die 400G-Ethernet-Rechenzentrumsverbindung im 400G-QSFP-DD-Formfaktor (Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density) entwickelt wurde. Auf der Senderseite wandelt dieses DR4-Modul 8 Kanäle mit 50 Gbit/s (PAM4) elektrischen Signalen in 4 Kanäle mit parallelen optischen Ausgangsdaten um, die jeweils eine Datenrate von 100 Gbit/s für eine aggregierte Bandbreite von 400 Gbit/s ermöglichen. Auf der Empfängerseite wandelt der optische Transceiver 4 Spuren paralleler optischer Daten mit 100 Gbit/s pro Spur in aggregierte 400 Gbit/s um, um 8 Spuren mit 50 Gbit/s elektrischem PAM4-Ausgangssignal zu unterstützen.

Das 400G QSFP-DD DR4-Glasfasermodul ermöglicht die Übertragung über SMF (Singlemode-Glasfaser) mit einem MPO-12-Stecker. Es unterstützt eine maximale Übertragungsentfernung von 500 Metern bei einer Mittenwellenlänge von 1310 nm. Das Produkt ist mit digitalen Diagnosefunktionen gemäß dem QSFP-DD Multi-Source Agreement (MSA) ausgestattet.

Die wichtigste Anwendung für Silizium-Photonik-Produkte sind derzeit immer noch Rechenzentren, und 400G-Silizium-Photonik-Transceiver beginnen sich von Kleinserienlieferungen im Jahr 2020 zu Großserienlieferungen im Jahr 2021 zu entwickeln. Die Zukunft der Silizium-Photonik-Transceiver ist vielversprechend.