Влияние упаковки высокоскоростных оптических модулей 400G и 800G на пропускную способность

Ожидается, что рынок высокоскоростных Ethernet-модулей, работающих на скоростях 400G, 800G и 1.6T, будет расти.

Необходимо учитывать общую полосу пропускания радиочастот для высокоскоростных VCSEL, которые в настоящее время используются в каналах 100G PAM4, модулях 4x100G 400G и модулях 8x100G 800G. Влияние пропускной способности выходит за рамки простого уровня конструкции чипа, поскольку аспект упаковки также играет решающую роль.

Аналогичным образом, отрасль также внимательно изучает влияние упаковки EML на пропускную способность.

Емкость PN-перехода является важным аспектом проектирования микросхем VCSEL и EML, влияющим на полосу пропускания.

Стандарты основаны на 100G/канал для 400G и 800G в настоящее время обсуждаются в 802.3df и, как ожидается, будут выпущены к концу 2024 года.

Ожидается, что стандарты 400G, 800G и 1.6T на основе 200G/канал будут выпущены в 2026 году.

Хотя стандарты еще не доработаны, можно проследить лежащие в их основе технологии. Например, многомодовое приложение 800G в 802.3df и 400G Оба приложения в недавно выпущенном стандарте 802.3db используют 100G PAM4 VCSEL, причем 802.3df использует 8 каналов, а 802.3db использует 4 канала, имея общие принципы проектирования и упаковки микросхем.

Аналогичным образом, EML 100G, используемый в стандарте 2021cu, выпущенном в 802.3 году, может быть масштабирован для поддержки обсуждаемого в настоящее время стандарта 800G 802.3df.

Что касается 802.3dj, ключевая технология 200G EML, о которой было упомянуто впервые, может быть изучена посредством продолжающихся экспериментов и испытаний, поскольку существует множество примеров проектирования и упаковки чипов 200G EML.

Влияние упаковки на полосу пропускания ограничено резонансной частотой LC, где паразитная индуктивность L в основном обусловлена ​​соединительными проводами. Принятие подхода к упаковке с перевернутой микросхемой может уменьшить LC и улучшить общую пропускную способность устройства.

И EML, и VCSEL теперь имеют варианты упаковки с флип-чипом. В случае EML свет излучается сбоку, поэтому оптический путь в подложке флип-чипа не имеет значения. Для VCSEL, которые имеют максимальную эмиссию, подход с перевернутым кристаллом должен учитывать влияние как на электрические, так и на оптические пути.

Если VCSEL имеет верхнее излучение, можно использовать стеклянную подложку (COG, Chip-on-Glass), которая служит как электрическим, так и оптическим интерфейсом.

На пропускную способность чипов EML и VCSEL также влияет температура, поскольку более высокие температуры могут привести к снижению пропускной способности. Для VCSEL с нижней эмиссией в корпусе с перевернутым кристаллом, помимо устранения изменений полосы пропускания, вызванных LC-резонансом, корпус также может помочь снизить температуру, еще больше улучшая полосу пропускания.

Для VCSEL с нижним излучением в упаковке могут использоваться непрозрачные подложки, такие как COC/COB, что является преимуществом.

Подход с нижним излучением VCSEL может дополнительно уменьшить емкость PN-перехода, поскольку P-металл может использоваться для дополнения резонансной полости, что позволяет уменьшить высоту полупроводника P-типа и, следовательно, площадь PN-перехода в пределах ограничений надежности. Подводя итог, можно сказать, что этот подход дает преимущества с точки зрения влияния PN-перехода, температуры и упаковки на полосу пропускания.

Проблема заключается в излучении света VCSEL из подложки, поскольку традиционный материал GaAs не прозрачен для длины волны 850 нм. Решения включают либо замену подложки на материал, прозрачный до 850 нм, либо сдвиг длины волны излучения до 940 нм, который прозрачен для GaAs.