光モジュール (図 1) は、光通信システムの重要なコンポーネントです。主な機能は、光起電力変換と、通信信号の監視と管理、およびその他の機能を実現することです。 今日の光ファイバー ネットワークでは、光トランシーバーのアプリケーション シナリオが増加しています。 たとえば、携帯電話で電話をかける場合、携帯電話の信号と基地局の間に無線通信があります。 光モジュールは、ベースステーションが光ファイバーリンクを介してサーバーに接続されている場合に必要です。 光トランシーバーは、家庭への光ファイバー ブロードバンド ネットワークや、データ センター内の多数のスイッチの相互接続にも必要です。

図 1. 光トランシーバー (400G QSFP-DD SR8)

光モジュールの市場需要

Lightcounting によると、世界の光モジュール市場は 8.132 年に 2022 億 13.7 万ドルに達すると予想され、2021 年から 2026 年にかけて年平均成長率 55% で成長すると予測されています。図 2022 は、光モジュールの世界市場と資本支出の分析を示しています。

 

図 2. 光モジュールの世界市場と設備投資。 (a) 世界の光モジュール市場の応用分野。 (b) 中国のクラウド ベンダーの設備投資。

データセンターの全体的な資本支出は急速に拡大し続けています。 Cignal AI の長期予測によると、コンピューティングおよびストレージ クラウド インフラストラクチャへの支出は、12.6 年から 2021 年にかけて 2026% の複合年間成長率 (CAGR) で成長します。流行後の時代における仕事のオンライン ライフスタイルの変化、パブリック クラウド (パブリック クラウドとは、サード パーティ プロバイダーがパブリック インターネット経由でユーザーに提供するクラウド サービスを指し、ユーザーはクラウドにアクセスして、コンピューティング、ストレージ、ネットワーキングなどを含むがこれらに限定されないさまざまなサービスを利用できます。さまざまな業界での AI の急速な発展により、データ センターへの投資は力強い勢いを維持しており、データ センターの光モジュール市場のブームは引き続き上昇しています。

図 3. 通信市場およびデータ センターにおける光モジュールのアプリケーション シナリオ。 (a) 5G 通信ネットワーク アーキテクチャ。 (b) データセンターのリッジサーバーアーキテクチャ

COBパッケージ技術

さまざまなアプリケーションのシナリオと要件に応じて、光モジュールはキャリアグレードとデータセンターの光モジュールに大別できます。 キャリアグレードの光トランシーバーは、過酷な環境条件に適用され、交換や保守が困難です。 データセンターの光トランシーバーは、比較的穏やかな環境に適用され、メンテナンスが便利です。 例えば、屋外基地局で使用されるキャリアグレードの光モジュールは、日差しが強いときは80℃という高温の作業環境に直面することがあり、北部の冬の夜の周囲温度は-40℃にもなることがあります。 . 同時に、これらの基地局は電波の到達範囲を確保するために、山間部や近づきにくい場所に設置されている場合があり、定期的なメンテナンスを行うことが難しくなっています。 これらすべての特性により、キャリアグレードの光モジュールの信頼性保証に対する高い要件が決まります。

データセンターのアプリケーションシナリオでは、データセンターは、空気制御、温度制御、および湿度制御を備えた機器室にある場合があります。 常駐のメンテナンス担当者がいつでもメンテナンスを実行できます。 したがって、信頼性の要件は比較的低くなります。 アプリケーション シナリオ、要件、およびコストを考慮して、さまざまな光モジュール パッケージング技術が開発されています。

現在、キャリアグレードの光モジュールは、ほとんどの場合、密封された To-can または BOX パッケージ技術を使用しています。 データセンターの光モジュールは、図 4 に示すように、ほとんどの場合、非気密性の COB パッケージング技術を使用しています。COB の正式名称は、チップ オン ボード、つまりチップ オン ボード パッケージです。 ベアチップは導電性または非導電性の接着剤でPCBに取り付けられ、リードボンディングによって電気的接続が実現され、チップとボンドリードは接着剤で包まれます。 パッケージング技術は、最初に LED のパッケージングで広く使用され、その後、光モジュールのパッケージングに導入されました。

図 4. (a) BOX パッケージの光モジュールの図。 (b) COBパッケージ光モジュール図

光モジュール COB パッケージングの技術的利点

• 高速信号接続性能の向上

ハーメチック シールされたキャリア グレードの光トランシーバーを使用して、レーザーは FPC (フレキシブル プリント回路) および高周波セラミックスを介して PCB に接続され、金線を介してレーザーに接続されます。 複数の接続ポイントでインピーダンスの連続性を保証することは難しく、シグナル インテグリティの損失は避けられません。 COB パッケージでは、金ワイヤ ボンディングを介してレーザーを PCB に直接接続できます。これにより、インピーダンスの不連続性が大幅に減少し、PCB から LD への高速信号の接続がより適切に保証されるため、アイ マージンが大きくなります。ダイアグラム テンプレートと高感度パフォーマンス。

• サイズとコストを削減する能力

COBパッケージは、高周波セラミックボックス、フレキシブルケーブル、その他のコンポーネントを節約できるため、スペースを節約できます。 その利点は、光モジュールがより小型化されたパッケージを追求し続ける今日、より明白になります。 EML レーザーを備えた 400G QSFP-DD 光モジュールを例にとると (図 5)、DML バイアス、EA バイアス、EA 変調、DSP などの多数の電気チップが必要です。光部品には EML などのコンポーネントが必要です。 、アイソレータ、レンズなど。ハーメチックパッケージを使用すると、光学部品が大きなスペースを占有するため、電気部品の配置スペースが大幅に圧縮され、モジュール設計に大きな課題が生じます。 COBパッケージを使用している間、節約されたスペースは、より多くのフィルターコンデンサー、より大きな高周波信号分離レイアウトを追加するなど、より冗長な設計を改善するための電気を提供し、モジュールのパフォーマンスを向上させます。

図5。 400G 光モジュールの図、小型サイズの要件、および多数のコンポーネントがパッケージ設計に課題をもたらします

コストの面では、COB パッケージは、高周波セラミック ボックスやフレキシブル ケーブルなどのコンポーネント、および窒素充填溶接とシーリング、BOX リーク検出、FPC 溶接、光デバイスの個別テストなどのプロセス ステップを節約し、材料を削減できます。コストと制作費。

光モジュールのCOBパッケージのデメリット

• 敏感なデバイスの寿命の短縮

COB パッケージでは、ドライバや TIA などの光デバイスや一部の電気チップが直接露出しているため、耐用年数に悪影響を及ぼします。 気密パッケージに入っている間、LDは窒素で満たされたボックスに密封されています。これは外部環境から隔離されており、LDの安定した動作をよりよく保護します。

近年、モジュール メーカーは、COB モジュールの LD の寿命を延ばすために、両方のパッケージング技術を利用して、いくつかの限定的なハーメチック シーリング技術も開発しています。 たとえば、LD がセミオープンの金属ボックスに取り付けられている場合、PCB は開口部から金属ボックスに入り、LD と直接接続できますが、金属ボックスは接着剤で密閉して、ある程度の気密性を提供できます。

• 不良品の手直しを助長しない

BOX パッケージでは、光デバイスを PCB から完全に分離して個別にテストできます。 問題のどの部分も個別に交換および修理できます。

COBモジュールでは、光デバイスがPCBボードに直接接続されているため、パフォーマンステストは生産全体が完了した後にのみ実行できます。 不良品の場合、電気チップなのか光学チップなのかの判断が難しくなり、デバイスの再加工や交換の際にスクラップが発生する可能性が高くなります。 光学チップの損傷により、モジュール全体が廃棄される可能性があり、製造プロセス全体の廃棄率がある程度増加します。 したがって、COB のパッケージング プロセス、プロセスの安定性、および歩留まり率は特に重要です。

光モジュールの COB パッケージングの重要な技術的ステップ

COB パッケージの光モジュールの主なプロセス ステップには、ダイ ボンディング、ワイヤ ボンディング、光結合、およびテストが含まれます (図 6)。

図 6. 光モジュールの COB パッケージング プロセス

ダイボンディング クロックリカバリチップ、レーザードライバーチップ、トランスインピーダンスアンプチップ、レーザーチップ、データセンターの光モジュールの検出器チップなど、さまざまなタイプのチップをPCBに接着し、一般的に使用される導電性接着剤をPCBに直接接着します。 実装にあたっては、位置精度が要求を満たしているか、チップの接合がしっかりしているか等に注意が必要です。レーザーはドライバの消費電力が大きく、発熱の大きいチップですので、コンタクトにも注意が必要です。実装後の放熱性能。

ワイヤーボンディング チップのピンと PCB 上のパッドとの間のワイヤによる電気的接続を指し、通常は金ワイヤ ボンディング技術を使用します (図 7)。 このステップでは、ワイヤ接続が良好に接触しているかどうか、および仮想接続があるかどうかに注意を払う必要があります。 通常、ワイヤーを引っ張ってチェックします。 高速光モジュールでは、配線が複雑でクロスヒッティングが多いことが多く、リードラップの崩れなどの問題がないか注意が必要です。 高速信号ピンの接続では、リード長とリード数に注意が必要ですが、一般的にはリード長を短くし、リード数を増やしてシグナルインテグリティを向上させるために使用されます。

図7. ワイヤーボンディング

カップリング (図 8) は、光モジュールのパッケージングにおける最長の作業時間であり、欠陥のあるステップである可能性が最も高いです。 マルチモード光モジュールの場合、面発光レーザー (VCSEL) が一般的に使用され、ミラーを介してマルチモード ファイバーに結合されます。

光路は単純で、公差は大きく、プロセスは比較的単純です。 シングルモード ファイバのコア径は、マルチモード ファイバのコア径よりも小さく、わずか 9 μm であり、集束結合用のレンズが必要なため、シングルモード ファイバははるかに複雑です。 LR4などの多重結合が必要なモジュールでは、波長素子の追加や分割が必要となり、光路がさらに複雑になります。 カップリングの重要な補助材料は、主にカップリング レンズの接着に使用される UV 硬化型接着剤です。 紫外線照射後の接着剤の硬化が速く、収縮率が低いという特徴があり、接着と固定の精度が要求されるカップリング レンズのコリメートに適しています。

図 8. COB パッケージでのカップリング

テストは、光モジュールの製造における最終ステップであり、主に性能テストと信頼性テストに分けられます。 一般的な性能テスト項目には、アイ ダイアグラム マージン、消光比、送信電力、受信感度などが含まれます。信頼性テスト項目には、通常、高温および低温の充電エージング テスト、高温および低温のサイクル衝撃テスト、振動テスト、複数のプラグ テストなどが含まれます。

データセンターの光モジュール実装技術の動向

全体として、データセンターの光モジュールに対する需要の傾向は、パッケージの小型化、伝送速度の向上、およびコストの削減です。 現在のところ、 100G QSFP28 光モジュールはデータセンターで広く使用されており、400G QSFP-DD 光モジュールは大規模データセンターで市販されています。 800G QSFP-DD800 光モジュールは商品化の初期段階にあります。 高速化の要求に直面して、従来の光モジュール パッケージングは​​、パッケージの複雑さの増加、コストの増加につながる歩留まりの低下、デバイス帯域幅の制限など、ますます困難に直面しています。 これに関連して、シリコン光モジュールやコパッケージド オプティクス (CPO) などの新技術の商品化がより期待されています。

光モジュールへのシリコン フォトニクスの適用は、高度に統合されたシリコン フォトニクス チップを介して、変調器、検出器、MUX/DeMUX、レンズ、プリズムなどの元々個別の光コンポーネントを統合することにより、プロセスを簡素化し、コストを削減することを目的としています。 現在、シリコンフォトニクスチップは、同じシリコンベースの基板上に検出器、高速変調器、導波路、WDM、およびその他のデバイスを統合することができ、CDRやTIAなどのより多くの電気チップを統合できると予想されています。将来、光モジュールの統合を大幅に強化します。

400G QSFP-DD シリコン フォトニクス モジュールは、2022 年にすでに大量に市場に投入されています。市場調査会社の Yole は、シリコン フォトニクス モジュールが 3.67 年までに 2025 億 9 万ドルに達し、光モジュール市場の重要な部分になると予測しています。 図 XNUMX は、さまざまなタイプのシリコン フォトニクス デバイスを示しています。

図 9. シリコン フォトニクス デバイス

コパッケージ光技術は近年ますます注目を集めており、電気接続損失の点で従来のプラグ式光モジュールよりも大きな利点があります。 光電チップとスイッチング チップをパッケージ化することにより、CPO 技術は高周波ワイヤーの長さを大幅に短縮し、高速での電気信号の深刻な減衰の問題を解決します。 CPO このテクノロジは、帯域幅、サイズ、重量、および消費電力の点で、プラグ可能な形式よりも大きな利点があります。

ただし、CPO技術には、高密度光電PCB基板プロセス、高精度の光電チップパッケージングプロセスと放熱設計、および高度に統合された光電チップの信頼性など、さらに解決すべき問題がいくつかあります。 CIR は、CPO 市場が 5.4 年に 2027 億ドルに達すると予測していると予測しています。図 10 は、車載接続技術の進化を示しています。

図 10. オンボード接続技術の進化