El módulo óptico (Figura 1) es un componente importante en el sistema de comunicación óptica, la función principal es realizar la conversión fotovoltaica y el monitoreo y gestión de las señales de comunicación y otras funciones. En la red de fibra óptica actual, los escenarios de aplicación de los transceptores ópticos están aumentando. Por ejemplo, cuando hacemos una llamada telefónica con un teléfono móvil, hay comunicación por radio entre la señal del teléfono móvil y la estación base. El módulo óptico es necesario cuando la estación base está conectada al servidor a través de un enlace de fibra óptica. Los transceptores ópticos también son necesarios para las redes de banda ancha de fibra óptica hasta el hogar y para la interconexión de una gran cantidad de conmutadores en los centros de datos.

Figura 1. Transceptor óptico (400G QSFP-DD SR8)

Demanda del mercado de módulos ópticos

Según Lightcounting, se espera que el mercado mundial de módulos ópticos alcance los 8.132 millones de dólares en 2022 y se espera que crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta del 13.7 % entre 2021 y 2026. Entre ellos, la proporción de módulos ópticos para aplicaciones de centros de datos ha superado esa cifra. del módulo óptico del mercado de las telecomunicaciones, y se espera que ocupe más del 55 % en 2022. La Figura 2 muestra el mercado global y el análisis de gastos de capital para los módulos ópticos.

 

Figura 2. Mercado global y gasto de capital de módulos ópticos. (a) Áreas de aplicación del mercado global de módulos ópticos. (b) Gastos de capital de los proveedores de nube chinos.

Los gastos generales de capital para los centros de datos continúan expandiéndose rápidamente. Según el pronóstico a largo plazo de Cignal AI, el gasto en infraestructura de computación y almacenamiento en la nube crecerá a una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) del 12.6 por ciento de 2021 a 2026. Cambios en los estilos de vida de trabajo en línea en la era posterior a la epidemia, nube pública ( nube pública se refiere a los servicios en la nube proporcionados a los usuarios por proveedores externos a través de la Internet pública, donde los usuarios pueden acceder a la nube y disfrutar de varios servicios, incluidos, entre otros, computación, almacenamiento, redes, etc.) Con la expansión global de gigantes y El rápido desarrollo del aterrizaje de la IA en varias industrias, la inversión en centros de datos mantiene un fuerte impulso, lo que hace que el auge del mercado de módulos ópticos para centros de datos continúe aumentando.

Figura 3. Escenario de aplicación del módulo óptico en el mercado de telecomunicaciones y centro de datos. (a) arquitectura de la red de telecomunicaciones 5G; (b) Arquitectura del servidor ridge del centro de datos

Tecnología de embalaje COB

De acuerdo con los diferentes escenarios y requisitos de la aplicación, los módulos ópticos se pueden dividir ampliamente en módulos ópticos de nivel de operador y de centro de datos. El transceptor óptico de grado portador se aplica a condiciones ambientales adversas y es difícil de reemplazar y mantener. El transceptor óptico del centro de datos se aplica a un entorno relativamente templado y es conveniente de mantener. Por ejemplo, los módulos ópticos de grado portador utilizados en las estaciones base exteriores pueden enfrentar un entorno de trabajo de alta temperatura de 80 ℃ cuando la luz del sol es fuerte, mientras que la temperatura ambiente en las noches de invierno en el norte puede ser tan baja como -40 ℃ . Al mismo tiempo, para garantizar la cobertura de la señal, estas estaciones base pueden estar ubicadas en lugares montañosos e inaccesibles, lo que dificulta la realización de un mantenimiento periódico. Todas estas características determinan los altos requisitos para garantizar la confiabilidad de los módulos ópticos de grado portador.

En el escenario de aplicación de un centro de datos, el centro de datos puede estar en una sala de equipos con control de aire, control de temperatura y control de humedad. El personal de mantenimiento residente puede realizar el mantenimiento en cualquier momento. Por lo tanto, el requisito de confiabilidad es relativamente bajo. Teniendo en cuenta el escenario de aplicación, los requisitos y el costo, se han desarrollado diferentes tecnologías de empaquetado de módulos ópticos.

Actualmente, los módulos ópticos de nivel de operador utilizan principalmente la tecnología de empaque hermético To-can o BOX. Los módulos ópticos del centro de datos utilizan principalmente tecnología de empaquetado COB no hermético, como se muestra en la Figura 4. El nombre completo de COB es chip on board, es decir, empaquetado de chip on board. El chip desnudo se une a la PCB con adhesivo conductor o no conductor, y luego la conexión eléctrica se realiza mediante la unión de cables, y el chip y el cable de unión se envuelven con adhesivo. La tecnología de empaquetado primero se usó ampliamente en el empaquetado de LED y luego se introdujo en el empaquetado de módulos ópticos.

Figura 4. (a) Diagrama del módulo óptico del paquete BOX. (b) Diagrama del módulo óptico del paquete COB

Ventajas técnicas del embalaje COB del módulo óptico

• Mejor rendimiento de conexión de señal de alta velocidad

Con transceptores ópticos de grado portador sellados herméticamente, el láser se conecta a la PCB a través de FPC (Circuito Impreso Flexible) y cerámica de alta frecuencia antes de conectarse al láser a través de un cable de oro. Es difícil garantizar la continuidad de la impedancia en múltiples puntos de conexión y la pérdida de integridad de la señal es inevitable. En el paquete COB, el láser se puede conectar directamente con el PCB a través de la unión de hilos de oro, lo que reduce en gran medida las discontinuidades de impedancia y garantiza mejor la conexión de señales de alta velocidad desde el PCB al LD, lo que muestra un mayor margen de visión. plantilla de diagrama y mayor rendimiento de sensibilidad.

• Capacidad para reducir el tamaño y el costo.

El paquete COB ahorra espacio porque ahorra caja de cerámica de alta frecuencia, cable flexible y otros componentes. Sus ventajas son más obvias hoy en día a medida que los módulos ópticos continúan buscando paquetes más miniaturizados. Tome un módulo óptico 400G QSFP-DD con láser EML como ejemplo (Figura 5), ​​requiere una gran cantidad de chips eléctricos como polarización DML, polarización EA, modulación EA, DSP, etc. La parte óptica requiere componentes como EML , aislador, lente, etc. Si se utiliza el paquete hermético, los componentes ópticos ocuparán un gran espacio, comprimiendo en gran medida el espacio de disposición de los componentes eléctricos y planteando un gran desafío para el diseño del módulo. Mientras se usa el paquete COB, el espacio ahorrado puede proporcionar electricidad para mejorar un diseño más redundante, como agregar más condensadores de filtro, un diseño de aislamiento de señal de alta frecuencia más grande, mejorando así el rendimiento del módulo.

Figura 5. El diagrama del módulo óptico de 400G, los requisitos de tamaño pequeño y una gran cantidad de componentes plantean desafíos para el diseño del paquete

En términos de costo, el paquete COB ahorra componentes como caja de cerámica de alta frecuencia y cable flexible, y pasos de proceso como soldadura y sellado con nitrógeno, detección de fugas de CAJA, soldadura FPC y pruebas separadas de dispositivos ópticos, lo que puede reducir el material. costo y costo de producción.

Desventajas del embalaje COB para módulos ópticos

• Reducción de la vida útil de los dispositivos sensibles

En el paquete COB, los dispositivos ópticos y algunos chips eléctricos, como los controladores y los TIA, están directamente expuestos, lo que provoca efectos adversos en la vida útil. Mientras que en el paquete hermético, los LD están sellados en una caja llena de nitrógeno, que está aislado del entorno externo y protege mejor el funcionamiento estable de los LD.

En los últimos años, los fabricantes de módulos también han desarrollado algunas técnicas limitadas de sellado hermético para prolongar la vida útil de LD en módulos COB, basándose en ambas tecnologías de envasado. Por ejemplo, si el LD está montado en una caja de metal semiabierta, la PCB puede ingresar a la caja de metal a través de las aberturas para conectarse directamente con el LD, mientras que la caja de metal puede sellarse con pegamento para brindar cierto grado de hermeticidad.

• No propicio para la reelaboración de productos defectuosos

En el paquete BOX, los dispositivos ópticos pueden separarse completamente de la PCB y probarse por separado. Cualquier parte del problema se puede reemplazar y reparar por separado.

En el módulo COB, dado que el dispositivo óptico está conectado directamente a la placa PCB, la prueba de rendimiento solo se puede realizar después de completar toda la producción. En caso de defectos, es más difícil verificar si la falla es un chip eléctrico o un chip óptico, y es más probable que se deseche cuando el dispositivo se vuelve a trabajar y se reemplaza. Puede haber un daño en el chip óptico, lo que resulta en el desecho de todo el módulo, lo que en cierta medida aumenta la tasa de desecho de todo el proceso de producción. Por lo tanto, el proceso de envasado COB, la estabilidad del proceso y la tasa de rendimiento son particularmente importantes.

Pasos técnicos clave para el empaquetado COB de módulos ópticos

Los principales pasos del proceso de los módulos ópticos del paquete COB incluyen la unión por matriz, la unión por cable, el acoplamiento óptico y las pruebas (Figura 6).

Figura 6. Proceso de empaquetado COB del módulo óptico

Adhesión por troquel es pegar varios tipos de chips a la PCB, como chips de recuperación de reloj, chips de controlador láser, chips amplificadores de transimpedancia, chips láser y chips detectores en el módulo óptico del centro de datos, y adhesivo conductor de uso común adherido directamente a la PCB. En el montaje, debemos prestar atención a si la precisión de la posición cumple con los requisitos, si la unión del chip es firme, etc. Para el láser, el consumo de energía del controlador es grande, chip de alta generación de calor, también debemos prestar atención al contacto rendimiento de disipación de calor después del montaje.

Unión de cables se refiere a la conexión eléctrica entre los pines del chip y las almohadillas en la PCB a través de cables, generalmente utilizando tecnología de unión de cables de oro (Figura 7). Este paso debe prestar atención a si la conexión por cable está en buen contacto y si hay una conexión virtual. Por lo general, se verifica tirando de un cable. En los módulos ópticos de alta velocidad, las líneas suelen ser complejas y requieren muchos golpes cruzados, lo que requiere atención para ver si hay problemas, como vueltas de plomo colapsadas. Para la conexión de pines de señal de alta velocidad, se debe prestar atención a la longitud y la cantidad de cables, que generalmente se usan para reducir la longitud de los cables y aumentar la cantidad de cables para mejorar la integridad de la señal.

Figura 7 y XNUMX. Unión de cables

Acoplamiento (Figura 8) es el tiempo de trabajo más largo y el paso defectuoso más probable en el empaque del módulo óptico. Para los módulos ópticos multimodo, se suele utilizar un láser emisor de superficie (VCSEL), que se acopla a la fibra multimodo a través del espejo.

El camino de la luz es simple, la tolerancia es grande y el proceso es relativamente simple. La fibra monomodo es mucho más complicada porque el diámetro del núcleo de la fibra monomodo es más pequeño que el de la fibra multimodo, solo 9 μm, lo que requiere una lente para el acoplamiento de enfoque. En el módulo que necesita acoplamiento multiplexado, como LR4, es necesario agregar y dividir elementos de onda, lo que aumenta aún más la complejidad del camino óptico. Un material auxiliar importante para el acoplamiento es el adhesivo curable por UV, que se utiliza principalmente para unir lentes de acoplamiento. Se caracteriza por un curado rápido del pegamento después de la irradiación ultravioleta, una baja tasa de contracción y es adecuado para colimar lentes de acoplamiento con altos requisitos de precisión de unión y fijación.

Figura 8. acoplamiento en embalaje COB

La prueba es el paso final en la producción de módulos ópticos, que se divide principalmente en prueba de rendimiento y prueba de confiabilidad. Los elementos de prueba de rendimiento comunes incluyen margen de diagrama de ojo, relación de extinción, potencia de transmisión, sensibilidad de recepción, etc. Los elementos de prueba de confiabilidad generalmente incluyen prueba de envejecimiento con carga a alta y baja temperatura, prueba de choque cíclico a alta y baja temperatura, prueba de vibración, prueba de taponamiento múltiple, etc.

Tendencias en la tecnología de empaquetado de módulos ópticos de centros de datos

En general, la tendencia de la demanda de módulos ópticos para centros de datos es un paquete más miniaturizado, una tasa de transmisión más alta y un costo más bajo. Actualmente, 100G QSFP28 Los módulos ópticos se han utilizado ampliamente en centros de datos, los módulos ópticos 400G QSFP-DD han estado disponibles comercialmente en centros de datos a gran escala, y 800G QSFP-DD800 Los módulos ópticos se encuentran en la etapa inicial de comercialización. Frente a la demanda de mayor velocidad, el paquete de módulos ópticos tradicionales enfrenta cada vez más dificultades, incluido el aumento de la complejidad del paquete, un menor rendimiento que conduce a mayores costos y un ancho de banda limitado del dispositivo. En este contexto, se espera más la comercialización de nuevas tecnologías como módulos ópticos de silicio y ópticas coempaquetadas (CPO).

La aplicación de la fotónica de silicio en módulos ópticos tiene como objetivo simplificar el proceso y reducir los costos al integrar componentes ópticos originalmente discretos, como moduladores, detectores, MUX/DeMUX, lentes, prismas, etc., a través de un chip de fotónica de silicio altamente integrado. En la actualidad, los chips fotónicos de silicio han podido integrar detectores, moduladores de alta velocidad, guías de ondas, WDM y otros dispositivos en el mismo sustrato basado en silicio, y se espera que puedan integrar más chips eléctricos como CDR y TIA en el futuro, mejorando en gran medida la integración de módulos ópticos.

400G QSFP-DD Los módulos fotónicos de silicio ya están ingresando al mercado en volumen en 2022. La firma de investigación de mercado Yole pronostica que los módulos fotónicos de silicio alcanzarán los $ 3.67 mil millones para 2025, lo que los convierte en una parte importante del mercado de módulos ópticos. La figura 9 ilustra los diversos tipos de dispositivos fotónicos de silicio.

Figura 9. silicio fotónica Médicos

La tecnología óptica empaquetada en conjunto ha ganado cada vez más atención en los últimos años, lo que tiene grandes ventajas sobre los módulos ópticos enchufables tradicionales en términos de pérdida de conexión eléctrica. Al empaquetar juntos el chip fotoeléctrico y el chip de conmutación, la tecnología CPO puede acortar en gran medida la longitud del cable de alta frecuencia, resolviendo así el problema de la grave atenuación de la señal eléctrica a velocidades más altas. Etiqueta CPO La tecnología también tiene grandes ventajas sobre la forma enchufable en términos de ancho de banda, tamaño, peso y consumo de energía.

Sin embargo, la tecnología CPO aún tiene algunos problemas por resolver, incluido el proceso de placa PCB fotoeléctrica de alta densidad, el proceso de empaquetado de chips fotoeléctricos de alta precisión y el diseño de disipación de calor, y la confiabilidad de los chips fotoeléctricos altamente integrados. CIR pronostica que se espera que el mercado de CPO alcance $ 5.4 mil millones en 2027. La Figura 10 muestra la evolución de la tecnología de conexión a bordo.

Figura 10. Evolución de la tecnología de conexión a bordo