高速 400G および 800G 光モジュールのパッケージングが帯域幅に与える影響

400G、800G、1.6Tで動作する高速イーサネットモジュールでは、VCSEL、EML、シリコンフォトニクスの市場が成長すると予想されています。

高速 VCSEL については、全体の RF 帯域幅を考慮する必要があります。高速 VCSEL は現在、100G PAM4 チャネル、4x100G 400G モジュール、および 8x100G 800G モジュールで使用されています。パッケージングの側面も重要な役割を果たすため、帯域幅への影響はチップ設計レベルだけではありません。

同様に、業界も EML パッケージングの帯域幅への影響を綿密に調査しています。

PN 接合容量は、帯域幅に影響を与える VCSEL および EML のチップ設計における重要な要素です。

100G および 400G/チャネルに基づく規格 800G は現在 802.3df で議論されており、2024 年末までにリリースされる予定です。

400G/チャネルに基づく 800G、1.6G、および 200T の規格は 2026 年にリリースされる予定です。

標準はまだ最終化されていませんが、基礎となるテクノロジーを追跡することができます。たとえば、800df の 802.3G マルチモード アプリケーションと 400G 最近リリースされた 802.3db のアプリケーションは両方とも 100G PAM4 VCSEL を使用し、802.3df は 8 チャネルを使用し、802.3db は 4 チャネルを使用し、チップ設計とパッケージングで共通の基盤を共有しています。

同様に、100 年にリリースされた 2021cu 規格で使用されている 802.3G EML は、現在議論されている 800G 802.3df 規格をサポートするようにスケールアップできます。

802.3dj に関しては、最初に言及した 200G EML の主要なテクノロジーについては、200G EML チップの設計とパッケージングの事例が多数あるため、継続的な実験と試行を通じて検討することができます。

帯域幅に対するパッケージングの影響は、LC 共振周波数によって制限されます。寄生インダクタンス L は主にボンド ワイヤによって引き起こされます。フリップチップ パッケージング手法を採用すると、LC が削減され、デバイス全体の帯域幅が向上します。

EML と VCSEL の両方にフリップチップ パッケージング オプションが追加されました。 EML の場合、光は側面から放射されるため、フリップチップ基板内の光路は問題になりません。トップエミッション型の VCSEL の場合、フリップチップ手法では電気経路と光経路の両方への影響を考慮する必要があります。

VCSEL がトップエミッション型の場合、電気インターフェースと光学インターフェースの両方として機能するガラス基板 (COG、チップオングラス) を使用できます。

温度が高くなると帯域幅が減少する可能性があるため、EML および VCSEL チップの帯域幅も温度の影響を受けます。フリップチップパッケージを備えたボトムエミッション型 VCSEL の場合、LC 共振による帯域幅の変化に対処することに加えて、パッケージングにより温度の低下が促進され、帯域幅がさらに向上します。

ボトムエミッション型 VCSEL の場合、パッケージングに COC/COB などの不透明基板を使用できるため、これが利点です。

ボトムエミッション VCSEL アプローチでは、P 金属を共振空洞を補うために使用できるため、PN 接合静電容量をさらに低減でき、P 型半導体の高さを低減でき、その結果、素子内での PN 接合面積を低減できます。信頼性の制約。まとめると、このアプローチは offPN 接合、温度、パッケージングが帯域幅に与える影響という点で利点があります。

従来の GaAs 材料は 850nm まで透明ではないため、課題は基板からの VCSEL 発光にあります。解決策には、基板を 850nm まで透明な材料に変更するか、発光波長を GaAs に対して透明な 940nm にシフトすることが含まれます。