Transceptor óptico Silicon Photonics (SiPh): perguntas e respostas

O módulo óptico é uma parte importante da rede de comunicação óptica. É um dispositivo óptico ativo com um laser como portador e fibra óptica como meio de transmissão. Sua função principal é realizar a conversão fotoelétrica. Atualmente, os módulos ópticos tradicionais são embalados principalmente por chips semicondutores III-V, chips de silício de circuito de alta velocidade, componentes ópticos e outros dispositivos, que pertencem essencialmente à "interconexão elétrica". Com a redução gradual do tamanho do processamento do transistor, a interconexão elétrica enfrentará gradualmente o gargalo da transmissão, de modo que a tecnologia fotônica de silício surgiu.

1. Qual é o sícone ptransceptor óptico hotonics?

Simplificando, o transceptor fotônico de silício deve integrar a conversão fotoelétrica e a transmissão em um chip de silício usando a tecnologia fotônica de silício. A ideia central da tecnologia óptica do silício é “substituir a eletricidade pela luz”, ou seja, usar um feixe de laser em vez de um sinal eletrônico para transmitir dados e integrar dispositivos ópticos e componentes eletrônicos em um microchip independente.

A fotônica de silício tem as características de baixo consumo de energia, alta integração e alta taxa, que é a principal tecnologia de comunicação óptica na era pós-Moore. De acordo com o Plano de Desenvolvimento da Indústria Fotônica de Silício da Intel, a indústria de módulos ópticos de silício entrou em um período de rápido desenvolvimento. Em 2022, a tecnologia fotônica de silício superará de forma abrangente os módulos ópticos tradicionais em termos de velocidade de pico por segundo, consumo de energia e custo.

De acordo com os dados da LightCounting, uma empresa de pesquisa de mercado, o ponto de virada para a tecnologia de fotônica de silício para mudar a indústria de dispositivos ópticos chegou. Em 2025, a escala de mercado de módulos ópticos fotônicos de silício será próxima a US $ 6 bilhões, e a participação aumentará de 14% em 2018-2019 para 45% em 2025. Nos próximos quatro anos, o mercado alcançará um crescimento de dois dígitos .

2. O que são as prós e contras da sícone ptransceptor óptico hotonics?

Vantagens do transceptor fotônico de silício:

Em geral, a tecnologia fotônica de silício tem três vantagens: baixo consumo de energia, alta integração e alta largura de banda de transmissão.

• Comparado com dispositivos discretos tradicionais, o módulo óptico sob a tecnologia fotônica de silício é baseado no processo de fabricação CMOS. O processo de gravação pode ser usado no substrato de silício para processar rapidamente, reduzir bastante o volume e otimizar ainda mais o custo do material, o custo do chip e o custo da embalagem. Ao mesmo tempo, a tecnologia óptica de silício pode realizar testes em lote por meio de testes de wafer e outros métodos, e a eficiência do teste é significativamente melhorada.

400G DR4 Diagrama do transceptor óptico Silicon Photonics

• A tecnologia fotônica de silício usa feixes de laser em vez de sinais eletrônicos para transmitir dados e integra dispositivos ópticos e componentes eletrônicos em um microchip separado, substituindo fios de cobre por luz como meio de condução de informações em um chip de silício para aumentar a velocidade de chip-a-chip conexões.
• Comparados aos sistemas que transmitem sinais elétricos por fios de cobre, os sistemas baseados em comunicação ótica transmitem sinais óticos por linhas de fibra ótica, tornando os dados mais rápidos e eficientes. Além disso, formatos de modulação óptica avançados, bem como técnicas de detecção coerentes, melhoram a eficiência espectral. A cobertura de ótica de silício do chip para redes locais (LANs) e redes de longa distância (WANs) pode exceder uma distância de transmissão de 100 km.

Desvantagens do transceptor fotônico de silício:

Devido à grande perda de inserção do transceptor fotônico de silício, ele pode manter confiabilidade suficiente apenas em transmissões de curta distância. Portanto, é difícil para a tecnologia de fotônica de silício realizar a integração de dispositivos funcionais ativos (fonte de luz e amplificador óptico) em um curto espaço de tempo, e ainda existem obstáculos para a comercialização em larga escala.

Módulos ópticos, especialmente módulos ópticos de alta velocidade, são responsáveis ​​por 50% ~ 60% do custo do equipamento de rede de comunicação. A seleção e o custo dos módulos ópticos afetarão diretamente o custo geral de construção da rede. O alto custo dos módulos ópticos tornou-se um dos principais problemas que impedem o desenvolvimento da comunicação óptica. No custo do módulo óptico, 40% é o chip óptico, dos quais cerca de 20% é o laser. Se o custo do laser for economizado em 3/4, o custo geral pode ser reduzido em 15% e parte dos custos de mão de obra e componentes podem ser reduzidos ao mesmo tempo.

Os principais tipos de lasers no módulo óptico são VCSEL, FP, DFB, DML e EML. Diferentes tipos de lasers têm diferentes comprimentos de onda, modos e ambientes de aplicação. Atualmente, a rota técnica de produtos comerciais de integração óptica é dividida principalmente em InP e Si. Entre eles, DFB, DML, EML e outros lasers são do tipo InP. Embora a tecnologia seja relativamente madura, o custo é alto e incompatível com o processo CMOS (processo de circuito integrado). No entanto, o dispositivo óptico de silício tipo Si adota o processo COMS para realizar a integração monolítica de dispositivos optoeletrônicos passivos e circuitos integrados, que podem ser integrados em grande escala e têm as vantagens de alta densidade e baixo custo. Mas há uma desvantagem – embora os chips fotônicos de silício sejam compatíveis com os processos CMOS, o rendimento do produto dificulta a produção em massa de transceptores fotônicos de silício.

3. Quais são os Campos de Aplicação e Mercados do Sícone PTransceptor óptico hotonics?

Entre os produtos de módulos ópticos fotônicos de silício comercializados atualmente, existem duas categorias principais: módulos ópticos de data center de curto alcance e módulos ópticos coerentes de telecomunicação de médio e longo alcance. Em módulos ópticos coerentes de médio e longo alcance 100G CWDM4 de curto alcance e módulos ópticos 100G coerentes de médio e longo alcance, a óptica de silício tem pouca vantagem de custo. No entanto, no cenário com a taxa acima de 400G, o custo do laser DML tradicional e do laser EML é alto, enquanto o transceptor fotônico de silício integra chips ópticos / elétricos, como laser multicanal, modulador e detector multicanal na fotônica de silício chip, o que reduz muito o volume e tem vantagens de custo óbvias. Portanto, a tecnologia fotônica de silício é usada principalmente em taxas de transmissão de 400G ou até 800G.

400G DR4 – A forma básica de 400G Silicon Photonics Módulos:

400G QSFP-DD DR4 é um módulo transceptor óptico projetado para interconexão de data center Ethernet 400G em fator de forma 400G QSFP-DD (Quad Small Form Factor Pluggable-double density). Na extremidade do transmissor, este módulo DR4 converte 8 canais de sinal elétrico de 50 Gb / s (PAM4) em 4 canais de dados de saída ótica paralela, cada um capaz de taxa de dados de 100 Gb / s para uma largura de banda agregada de 400 Gbls. No lado do receptor, o transceptor óptico converte 4 pistas de dados ópticos paralelos de 100 Gbp / s cada pista para um agregado de 400 Gbp / s para suportar 8 pistas de sinal de saída elétrica PAM50 de 4 Gb / s.

O módulo de fibra 400G QSFP-DD DR4 consegue a transmissão por SMF (fibra monomodo) com um conector MPO-12. Suporta uma distância máxima de transmissão de 500 metros em comprimento de onda central de 1310 nm. O produto foi projetado com funções de diagnóstico digital de acordo com o QSFP-DD Multi-Source Agreement (MSA).

Atualmente, a aplicação mais importante para produtos fotônicos de silício ainda são os data centers, e os transceptores fotônicos de silício 400G estão começando a mudar de remessas de pequeno volume em 2020 para remessas de alto volume em 2021. O futuro dos transceptores fotônicos de silício é promissor.