El impacto del empaquetado de módulos ópticos de alta velocidad de 400G y 800G en el ancho de banda

En los módulos Ethernet de alta velocidad que funcionan a 400G, 800G y 1.6T, se espera que crezca el mercado de VCSEL, EML y fotónica de silicio.

Es necesario considerar el ancho de banda de RF general para los VCSEL de alta velocidad, que actualmente se utilizan en canales PAM100 de 4G, módulos 4x100G 400G y módulos 8x100G 800G. El impacto del ancho de banda va más allá del nivel de diseño del chip, ya que el aspecto del empaque también juega un papel crucial.

De manera similar, la industria también está examinando de cerca el impacto del ancho de banda del empaquetado EML.

La capacitancia de la unión PN es un aspecto importante en el diseño de chips de VCSEL y EML que afecta el ancho de banda.

Los estándares basados ​​en 100G/canal para 400G y 800G Actualmente se están discutiendo en 802.3df y se espera que se lancen a fines de 2024.

Se prevé que los estándares para 400G, 800G y 1.6T basados ​​en 200G/canal se publiquen en 2026.

Aunque los estándares aún no están finalizados, se pueden rastrear las tecnologías subyacentes. Por ejemplo, la aplicación multimodo 800G en 802.3df y la 400G La aplicación en el 802.3db recientemente lanzado usa 100G PAM4 VCSEL, con 802.3df usando 8 canales y 802.3db usando 4 canales, compartiendo puntos comunes en el diseño y empaquetamiento de chips.

De manera similar, el EML de 100G utilizado en el estándar 2021cu lanzado en 802.3 se puede ampliar para admitir el estándar 800G 802.3df actualmente en discusión.

Con respecto a 802.3dj, la tecnología clave de 200G EML, que se mencionó por primera vez, se puede explorar a través de experimentos y pruebas en curso, ya que existen numerosos ejemplos de diseños y empaques de chips 200G EML.

El impacto del empaquetado en el ancho de banda está limitado por la frecuencia de resonancia LC, donde la inductancia parásita L es causada principalmente por los cables de conexión. La adopción de un enfoque de empaquetado con chip invertido puede reducir el LC y mejorar el ancho de banda general del dispositivo.

Tanto EML como VCSEL ahora tienen opciones de empaquetado con chip invertido. Para EML, la luz se emite desde un lado, por lo que la trayectoria óptica en el sustrato del chip invertido no es una preocupación. Para los VCSEL, que tienen altas emisiones, el enfoque del chip invertido debe considerar el impacto tanto en la ruta eléctrica como en la óptica.

Si el VCSEL tiene una emisión superior, se puede utilizar un sustrato de vidrio (COG, Chip-on-Glass), que sirve como interfaz eléctrica y óptica.

El ancho de banda de los chips EML y VCSEL también se ve afectado por la temperatura, ya que temperaturas más altas pueden provocar una reducción del ancho de banda. Para los VCSEL de emisión inferior con empaque de chip invertido, además de abordar los cambios en el ancho de banda inducidos por la resonancia LC, el empaque también puede ayudar a reducir la temperatura, mejorando aún más el ancho de banda.

Para los VCSEL con emisiones inferiores, el embalaje puede utilizar sustratos opacos como COC/COB, lo cual es una ventaja.

El enfoque VCSEL de emisión inferior puede reducir aún más la capacitancia de la unión PN, ya que el metal P se puede utilizar para complementar la cavidad resonante, lo que permite una reducción en la altura del semiconductor tipo P y, en consecuencia, el área de la unión PN, dentro del limitaciones de confiabilidad. En resumen, este enfoque offOfrece ventajas en términos del impacto de la unión PN, la temperatura y el empaquetado en el ancho de banda.

El desafío radica en la emisión de luz VCSEL del sustrato, ya que el material tradicional de GaAs no es transparente a 850 nm. Las soluciones incluyen cambiar el sustrato a un material transparente a 850 nm o cambiar la longitud de onda de emisión a 940 nm, que es transparente al GaAs.