O impacto do empacotamento de módulos ópticos de alta velocidade 400G e 800G na largura de banda

Nos módulos Ethernet de alta velocidade operando em 400G, 800G e 1.6T, espera-se que o mercado de VCSEL, EML e fotônica de silício cresça.

A largura de banda geral de RF precisa ser considerada para VCSELs de alta velocidade, que são atualmente usados ​​em canais 100G PAM4, módulos 4x100G 400G e módulos 8x100G 800G. O impacto da largura de banda vai além do nível de design do chip, já que o aspecto da embalagem também desempenha um papel crucial.

Da mesma forma, a indústria também está examinando de perto o impacto do empacotamento EML na largura de banda.

A capacitância da junção PN é um aspecto importante no projeto de chips de VCSELs e EMLs que afetam a largura de banda.

Os padrões baseados em 100G/canal para 400G e 800G estão atualmente sendo discutidos em 802.3df e devem ser lançados até o final de 2024.

Os padrões para 400G, 800G e 1.6T baseados em 200G/canal estão previstos para serem lançados em 2026.

Embora os padrões ainda não estejam finalizados, as tecnologias subjacentes podem ser rastreadas. Por exemplo, a aplicação multimodo 800G em 802.3df e o 400G A aplicação no 802.3db lançado recentemente usa 100G PAM4 VCSEL, com 802.3df usando 8 canais e 802.3db usando 4 canais, compartilhando pontos comuns no design e empacotamento do chip.

Da mesma forma, o 100G EML usado no padrão 2021cu lançado em 802.3 pode ser ampliado para suportar o padrão 800G 802.3df atualmente em discussão.

Em relação ao 802.3dj, a tecnologia chave do 200G EML, que foi mencionada pela primeira vez, pode ser explorada através de experimentos e testes contínuos, pois há numerosos exemplos de design de chips 200G EML e caixas de embalagem.

O impacto do empacotamento na largura de banda é limitado pela frequência de ressonância LC, onde a indutância parasita L é causada principalmente pelos fios de ligação. A adoção de uma abordagem de embalagem flip-chip pode reduzir o LC e melhorar a largura de banda geral do dispositivo.

Tanto o EML quanto o VCSEL agora possuem opções de embalagem flip-chip. Para EML, a luz é emitida lateralmente, portanto o caminho óptico no substrato do flip-chip não é uma preocupação. Para VCSELs, que são os de maior emissão, a abordagem flip-chip precisa considerar o impacto nos caminhos elétrico e óptico.

Se o VCSEL tiver emissão superior, um substrato de vidro (COG, Chip-on-Glass) pode ser usado, que serve como interface elétrica e óptica.

A largura de banda dos chips EML e VCSEL também é afetada pela temperatura, pois temperaturas mais altas podem levar a uma redução na largura de banda. Para VCSELs de emissão inferior com embalagem flip-chip, além de abordar as alterações de largura de banda induzidas pela ressonância LC, a embalagem também pode ajudar a reduzir a temperatura, melhorando ainda mais a largura de banda.

Para VCSELs com emissão inferior, a embalagem pode usar substratos opacos como COC/COB, o que é uma vantagem.

A abordagem VCSEL de emissão inferior pode reduzir ainda mais a capacitância da junção PN, já que o metal P pode ser usado para complementar a cavidade ressonante, permitindo uma redução na altura do semicondutor tipo P e, consequentemente, na área da junção PN, dentro do restrições de confiabilidade. Em resumo, esta abordagem offoferece vantagens em termos do impacto da junção PN, temperatura e empacotamento na largura de banda.

O desafio está na emissão de luz VCSEL do substrato, já que o material GaAs tradicional não é transparente até 850 nm. As soluções incluem a mudança do substrato para um material transparente para 850 nm ou a mudança do comprimento de onda de emissão para 940 nm, que é transparente para GaAs.