Le module optique (Figure 1) est un composant important dans le système de communication optique, la fonction principale est de réaliser la conversion photovoltaïque et la surveillance et la gestion des signaux de communication et d'autres fonctions. Dans le réseau de fibre optique d'aujourd'hui, les scénarios d'application des émetteurs-récepteurs optiques se multiplient. Par exemple, lorsque nous passons un appel téléphonique avec un téléphone portable, il y a une communication radio entre le signal du téléphone portable et la station de base. Le module optique est nécessaire lorsque la station de base est connectée au serveur via une liaison par fibre optique. Des émetteurs-récepteurs optiques sont également nécessaires pour les réseaux haut débit à fibre optique jusqu'au domicile et pour l'interconnexion d'un grand nombre de commutateurs dans les centres de données.

Figure 1. Émetteur-récepteur optique (400G QSFP-DD SR8)

Demande du marché pour les modules optiques

Selon Lightcounting, le marché mondial des modules optiques devrait atteindre 8.132 milliards de dollars en 2022 et devrait croître à un taux de croissance annuel composé de 13.7 % de 2021 à 2026. Parmi eux, la proportion de modules optiques d'application de centre de données a dépassé ce chiffre. du module optique du marché des télécommunications, et il devrait représenter plus de 55 % en 2022. La figure 2 montre l'analyse du marché mondial et des dépenses d'investissement pour les modules optiques.

 

Figure 2. Marché mondial et dépenses d'investissement des modules optiques. (a) Domaines d'application du marché mondial des modules optiques. (b) Dépenses d'investissement des fournisseurs de cloud chinois.

Les dépenses d'investissement globales pour les centres de données continuent d'augmenter rapidement. Selon les prévisions à long terme de Cignal AI, les dépenses d'infrastructure de cloud computing et de stockage augmenteront à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 12.6 % de 2021 à 2026. Changements dans les modes de vie en ligne du travail à l'ère post-épidémique, le cloud public ( le cloud public fait référence aux services cloud fournis aux utilisateurs par des fournisseurs tiers via l'Internet public, où les utilisateurs peuvent accéder au cloud et profiter de divers services, y compris et sans s'y limiter, l'informatique, le stockage, la mise en réseau, etc.) Avec l'expansion mondiale des géants et le développement rapide de l'IA dans diverses industries, l'investissement dans les centres de données maintient une forte dynamique, ce qui fait que le boom du marché des modules optiques des centres de données continue d'augmenter.

Figure 3. Scénario d'application du module optique sur le marché des télécommunications et le centre de données. (a) architecture du réseau de télécommunications 5G ; (b) Architecture du serveur de crête du centre de données

Technologie d'emballage COB

Selon les différents scénarios d'application et exigences, les modules optiques peuvent être largement divisés en modules optiques de classe opérateur et de centre de données. L'émetteur-récepteur optique de qualité opérateur est appliqué à des conditions environnementales difficiles et difficile à remplacer et à entretenir. L'émetteur-récepteur optique du centre de données est appliqué à un environnement relativement doux et facile à entretenir. Par exemple, les modules optiques de qualité opérateur utilisés dans les stations de base extérieures peuvent faire face à un environnement de travail à haute température de 80 ℃ lorsque le soleil est fort, tandis que la température ambiante pendant les nuits d'hiver dans le nord peut être aussi basse que -40 ℃ . Dans le même temps, afin de garantir la couverture du signal, ces stations de base peuvent être situées dans des endroits montagneux et inaccessibles, ce qui rend difficile la maintenance régulière. Toutes ces caractéristiques déterminent les exigences élevées en matière d'assurance de fiabilité des modules optiques de classe opérateur.

Dans le scénario d'application d'un centre de données, le centre de données peut se trouver dans une salle d'équipement avec contrôle de l'air, contrôle de la température et contrôle de l'humidité. Le personnel de maintenance résident peut effectuer la maintenance à tout moment. Par conséquent, l'exigence de fiabilité est relativement faible. Compte tenu du scénario d'application, des exigences et du coût, différentes technologies de conditionnement de modules optiques ont été développées.

Actuellement, les modules optiques de qualité opérateur utilisent principalement la technologie d'emballage hermétique To-can ou BOX. Les modules optiques des centres de données utilisent principalement la technologie de conditionnement COB non hermétique, comme le montre la figure 4. Le nom complet de COB est puce à bord, c'est-à-dire puce à bord. La puce nue est fixée au circuit imprimé avec un adhésif conducteur ou non conducteur, puis la connexion électrique est réalisée par liaison de plomb, et la puce et le fil de liaison sont enveloppés d'adhésif. La technologie d'emballage a d'abord été largement utilisée dans l'emballage des LED, puis introduite dans l'emballage des modules optiques.

Figure 4. (a) Schéma du module optique du boîtier BOX. (b) Schéma du module optique du boîtier COB

Avantages techniques du conditionnement COB du module optique

• Meilleures performances de connexion de signal à grande vitesse

Avec des émetteurs-récepteurs optiques de qualité porteuse hermétiquement scellés, le laser est connecté au PCB via FPC (circuit imprimé flexible) et des céramiques haute fréquence avant d'être connecté au laser via un fil d'or. Il est difficile de garantir la continuité d'impédance à plusieurs points de connexion et la perte d'intégrité du signal est inévitable. Dans le boîtier COB, le laser peut être directement connecté au PCB via la liaison par fil d'or, ce qui réduit considérablement les discontinuités d'impédance et garantit mieux la connexion des signaux à grande vitesse du PCB au LD, montrant ainsi une plus grande marge d'oeil modèle de diagramme et performances de sensibilité plus élevées.

• Capacité à réduire la taille et les coûts

Le paquet COB économise de l'espace car il économise une boîte en céramique haute fréquence, un câble flexible et d'autres composants. Ses avantages sont plus évidents aujourd'hui alors que les modules optiques continuent de rechercher des boîtiers plus miniaturisés. Prenons un module optique 400G QSFP-DD avec laser EML comme exemple (Figure 5), il nécessite un grand nombre de puces électriques telles que la polarisation DML, la polarisation EA, la modulation EA, le DSP, etc. La partie optique nécessite des composants tels que EML , isolateur, lentille, etc. Si le boîtier hermétique est utilisé, les composants optiques occuperont un grand espace, comprimant considérablement l'espace de disposition des composants électriques et posant un grand défi à la conception du module. Lors de l'utilisation du boîtier COB, l'espace économisé peut permettre à l'électricité d'améliorer une conception plus redondante, comme l'ajout de plus de condensateurs de filtrage, une plus grande disposition d'isolation du signal haute fréquence, améliorant ainsi les performances du module.

Figure 5. Le diagramme de module optique 400G, les exigences de petite taille et un grand nombre de composants posent des défis à la conception de l'emballage

En termes de coût, le package COB permet d'économiser des composants tels que le boîtier en céramique haute fréquence et le câble flexible, ainsi que des étapes de processus telles que le soudage et l'étanchéité remplis d'azote, la détection des fuites BOX, le soudage FPC et les tests séparés des dispositifs optiques, ce qui peut réduire le matériau. coût et coût de production.

Inconvénients du packaging COB pour les modules optiques

• Durée de vie réduite des appareils sensibles

Dans le boîtier COB, les dispositifs optiques et certaines puces électriques, telles que les pilotes et les TIA, sont directement exposés, ce qui entraîne des effets néfastes sur la durée de vie. Dans l'emballage hermétique, les LD sont scellés dans une boîte remplie d'azote, qui est isolée de l'environnement extérieur et protège mieux le fonctionnement stable des LD.

Ces dernières années, les fabricants de modules ont également développé des techniques d'étanchéité hermétiques limitées pour prolonger la durée de vie des LD dans les modules COB, en s'appuyant sur les deux technologies d'emballage. Par exemple, si le LD est monté dans un boîtier métallique semi-ouvert, le PCB peut entrer dans le boîtier métallique par les ouvertures pour se connecter directement au LD, tandis que le boîtier métallique peut être scellé par de la colle pour fournir un certain degré d'herméticité.

• Pas propice à la reprise de produits défectueux

Dans le package BOX, les dispositifs optiques peuvent être complètement séparés du PCB et testés séparément. Toute partie du problème peut être remplacée et réparée séparément.

Dans le module COB, étant donné que le dispositif optique est directement connecté à la carte PCB, le test de performance ne peut être effectué qu'une fois toute la production terminée. En cas de défauts, il est plus difficile de vérifier si le défaut est une puce électrique ou une puce optique, et il est plus susceptible de provoquer des rebuts lorsque l'appareil est retravaillé et remplacé. Il peut y avoir un endommagement de la puce optique, entraînant la mise au rebut de l'ensemble du module, ce qui, dans une certaine mesure, augmente le taux de mise au rebut de l'ensemble du processus de production. Par conséquent, le processus d'emballage COB, la stabilité du processus et le taux de rendement sont particulièrement importants.

Étapes techniques clés pour le conditionnement COB des modules optiques

Les principales étapes du processus des modules optiques du boîtier COB comprennent le collage de puces, le câblage, le couplage optique et les tests (Figure 6).

Figure 6. Processus d'emballage COB du module optique

Collage de matrices consiste à coller divers types de puces sur le circuit imprimé, telles que les puces de récupération d'horloge, les puces de pilote laser, les puces d'amplification trans-impédance, les puces laser et les puces de détection dans le module optique du centre de données, et l'adhésif conducteur couramment utilisé directement fixé sur le circuit imprimé. Lors du montage, nous devons faire attention à savoir si la précision de la position répond aux exigences, si la liaison de la puce est ferme, etc. Pour le laser, la consommation d'énergie du pilote est importante, la puce de génération de chaleur élevée, nous devons également faire attention au contact performance de dissipation thermique après montage.

Liaison par fil fait référence à la connexion électrique entre les broches de la puce et les plots du circuit imprimé via des fils, généralement à l'aide de la technologie de liaison par fil d'or (Figure 7). Cette étape doit faire attention à savoir si la connexion filaire est en bon contact et s'il existe une connexion virtuelle. Il est généralement vérifié par traction de fil. Dans les modules optiques à grande vitesse, les lignes sont souvent complexes et nécessitent beaucoup de frappes croisées, ce qui nécessite une attention particulière pour savoir s'il existe des problèmes tels que des chevauchements de plomb effondrés. Pour la connexion de broches de signal à grande vitesse, il convient de prêter attention à la longueur et au nombre de fils, qui sont généralement utilisés pour réduire la longueur du fil et augmenter le nombre de fils pour améliorer l'intégrité du signal.

Figure 7. Liaison par fil

Couplage (Figure 8) est le temps de travail le plus long et l'étape la plus probablement défectueuse dans l'emballage du module optique. Pour les modules optiques multimodes, un laser à émission de surface (VCSEL) est couramment utilisé, qui est couplé dans la fibre multimode à travers le miroir.

Le chemin lumineux est simple, la tolérance est grande et le processus est relativement simple. La fibre monomode est beaucoup plus compliquée car le diamètre du cœur de la fibre monomode est inférieur à celui de la fibre multimode, seulement 9 μm, ce qui nécessite une lentille pour focaliser le couplage. Dans le module nécessitant un couplage multiplexé, tel que LR4, il est nécessaire d'ajouter et de diviser des éléments d'onde, ce qui augmente encore la complexité du chemin optique. Un matériau auxiliaire important pour le couplage est l'adhésif durcissable aux UV, qui est principalement utilisé pour coller les lentilles de couplage. Il se caractérise par un durcissement rapide de la colle après irradiation ultraviolette, un faible taux de retrait et convient à la collimation des lentilles de couplage avec des exigences élevées en matière de précision de collage et de fixation.

Figure 8. couplage dans un emballage COB

Le test est la dernière étape de la production de modules optiques, qui se divise principalement en test de performance et en test de fiabilité. Les éléments de test de performance courants incluent la marge du diagramme de l'œil, le taux d'extinction, la puissance de transmission, la sensibilité de réception, etc.

Tendances de la technologie d'emballage des modules optiques des centres de données

Dans l'ensemble, la tendance de la demande pour les modules optiques des centres de données est un package plus miniaturisé, un taux de transmission plus élevé et un coût inférieur. Maintenant, 100G QSFP28 les modules optiques ont été largement utilisés dans les centres de données, les modules optiques 400G QSFP-DD sont disponibles dans le commerce dans les centres de données à grande échelle, et QSFP-DD800 800G les modules optiques sont au stade précoce de la commercialisation. Face à la demande d'une vitesse plus élevée, l'emballage de modules optiques traditionnels fait face à de plus en plus de difficultés, notamment l'augmentation de la complexité de l'emballage, la baisse du rendement entraînant une augmentation des coûts et la bande passante limitée des appareils. Dans ce contexte, la commercialisation de nouvelles technologies telles que les modules optiques silicium et l'optique co-packagée (CPO) est plus attendue.

L'application de la photonique sur silicium dans les modules optiques vise à simplifier le processus et à réduire les coûts en intégrant des composants optiques discrets à l'origine, tels que des modulateurs, des détecteurs, des MUX/DeMUX, des lentilles, des prismes, etc., via une puce photonique en silicium hautement intégrée. À l'heure actuelle, les puces photoniques au silicium ont pu intégrer des détecteurs, des modulateurs à grande vitesse, des guides d'ondes, WDM et d'autres dispositifs sur le même substrat à base de silicium, et devraient pouvoir intégrer davantage de puces électriques telles que CDR et TIA dans l'avenir, améliorant considérablement l'intégration des modules optiques.

400G QSFP-DD les modules photoniques au silicium entrent déjà sur le marché en volume en 2022. La société d'études de marché Yole prévoit que les modules photoniques au silicium atteindront 3.67 milliards de dollars d'ici 2025, ce qui en fera une part importante du marché des modules optiques. La figure 9 illustre les différents types de dispositifs photoniques au silicium.

Figure 9. silicium photonique dispositifs

La technologie optique co-emballée a attiré de plus en plus d'attention ces dernières années, ce qui présente de grands avantages par rapport aux modules optiques enfichables traditionnels en termes de perte de connexion électrique. En regroupant la puce photoélectrique et la puce de commutation, la technologie CPO peut réduire considérablement la longueur du fil haute fréquence, résolvant ainsi le problème de l'atténuation sérieuse du signal électrique à des vitesses plus élevées. CPO La technologie présente également de grands avantages par rapport à la forme enfichable en termes de bande passante, de taille, de poids et de consommation d'énergie.

Cependant, la technologie CPO a encore quelques problèmes à résoudre, notamment le processus de carte PCB photoélectrique haute densité, le processus d'emballage de puce photoélectrique de haute précision et la conception de dissipation thermique, et la fiabilité des puces photoélectriques hautement intégrées. Le CIR prévoit que le marché du CPO devrait atteindre 5.4 milliards de dollars en 2027. La figure 10 montre l'évolution de la technologie de connexion embarquée.

Figure 10. Évolution de la technologie de connexion embarquée