Оптический трансивер Silicon Photonics (SiPh): вопросы и ответы

Оптический модуль является важной частью оптической сети связи. Это активное оптическое устройство с лазером в качестве носителя и оптическим волокном в качестве среды передачи. Его основная функция заключается в реализации фотоэлектрического преобразования. В настоящее время традиционные оптические модули в основном состоят из полупроводниковых микросхем III-V, высокоскоростных кремниевых микросхем, оптических компонентов и других устройств, которые в основном относятся к «электрическим соединениям». С постепенным уменьшением размера обработки транзисторов электрическое соединение постепенно столкнется с узким местом передачи, поэтому появилась технология кремниевой фотоники.

1. Что такое sиликон pоптический трансивер hotonics?

Проще говоря, приемопередатчик кремниевой фотоники должен интегрировать фотоэлектрическое преобразование и передачу на кремниевом чипе с использованием технологии кремниевой фотоники. Основной идеей кремниевой оптической технологии является «замена электричества светом», то есть использование лазерного луча вместо электронного сигнала для передачи данных и интеграция оптических устройств и электронных компонентов в независимый микрочип.

Кремниевая фотоника имеет характеристики низкого энергопотребления, высокой интеграции и высокой скорости, что является ключевой технологией оптической связи в эпоху после Мура. Согласно плану развития отрасли кремниевой фотоники Intel, отрасль кремниевых оптических модулей вступила в период быстрого развития. В 2022 году технология кремниевой фотоники полностью превзойдет традиционные оптические модули с точки зрения пиковой скорости в секунду, энергопотребления и стоимости.

Согласно данным компании LightCounting, занимающейся исследованием рынка, наступил поворотный момент для технологии кремниевой фотоники, которая изменила индустрию оптических устройств. В 2025 году объем рынка кремниевых оптических модулей для фотоники приблизится к 6 миллиардам долларов, и их доля увеличится с 14% в 2018-2019 годах до 45% в 2025 году. В следующие четыре года рынок вырастет до двузначного числа. .

2. Что такое за и против sиликон pоптический трансивер hotonics?

Преимущества приемопередатчика кремниевой фотоники:

В целом технология кремниевой фотоники имеет три преимущества: низкое энергопотребление, высокая степень интеграции и высокая пропускная способность.

• По сравнению с традиционными дискретными устройствами, оптический модуль по технологии кремниевой фотоники основан на производственном процессе CMOS. Процесс травления можно использовать на кремниевой подложке для быстрой обработки, значительного уменьшения объема и дальнейшей оптимизации стоимости материала, стоимости чипа и стоимости упаковки. В то же время кремниевая оптическая технология позволяет проводить серийное тестирование с помощью тестирования пластин и других методов, что значительно повышает эффективность тестирования.

400 г DR4 Схема оптического трансивера Silicon Photonics

• Технология кремниевой фотоники использует лазерные лучи вместо электронных сигналов для передачи данных и интегрирует оптические устройства и электронные компоненты в отдельный микрочип, заменяя медные провода светом в качестве среды передачи информации на кремниевом чипе для увеличения скорости передачи данных от чипа к чипу. соединения.
• По сравнению с системами, передающими электрические сигналы по медным проводам, системы на основе оптической связи передают оптические сигналы по оптоволоконным линиям, что ускоряет и повышает эффективность передачи данных. Кроме того, передовые форматы оптической модуляции, а также методы когерентного обнаружения улучшают спектральную эффективность. Зона действия кремниево-оптического кабеля от чипа до локальных сетей (LAN) и глобальных сетей (WAN) может превышать 100 км.

Недостатки приемопередатчика кремниевой фотоники:

Из-за больших вносимых потерь кремниевого фотонного приемопередатчика он может сохранять достаточную надежность только при передаче на короткие расстояния. Поэтому для технологии кремниевой фотоники сложно реализовать интеграцию активных функциональных устройств (источника света и оптического усилителя) за короткое время, и все еще существуют препятствия для крупномасштабной коммерциализации.

Оптические модули, особенно высокоскоростные оптические модули, составляют от 50% до 60% стоимости сетевого оборудования связи. Выбор и стоимость оптических модулей напрямую повлияет на общую стоимость строительства сети. Высокая стоимость оптических модулей стала ключевой проблемой, сдерживающей развитие оптической связи. В стоимости оптического модуля 40% составляет оптический чип, из которых около 20% - лазер. Если стоимость лазера сэкономлена на 3/4, общая стоимость может быть снижена на 15%, и в то же время может быть уменьшена часть затрат на рабочую силу и компоненты.

Основными типами лазеров в оптическом модуле являются VCSEL, FP, DFB, DML и EML. Различные типы лазеров имеют разные рабочие длины волн, режимы и условия применения. В настоящее время технический маршрут коммерческих продуктов оптической интеграции в основном делится на InP и Si. Среди них DFB, DML, EML и другие лазеры относятся к типу InP. Хотя технология относительно зрелая, стоимость высока и несовместима с процессом CMOS (процесс интегральной схемы). Однако в кремниевых оптических устройствах кремниевого типа используется процесс COMS для реализации монолитной интеграции пассивных оптоэлектронных устройств и интегральных схем, которые могут быть интегрированы в больших масштабах и имеют преимущества высокой плотности и низкой стоимости. Но есть и недостаток — хотя чипы кремниевой фотоники совместимы с процессами CMOS, выход продукта препятствует массовому производству приемопередатчиков кремниевой фотоники.

3. Каковы области применения и рынки Sиликон Photonics оптический трансивер?

Среди поставляемых в настоящее время кремниевых оптических модулей для фотоники есть две основные категории: оптические модули для центров обработки данных ближнего действия и когерентные оптические модули для телекоммуникационных сетей среднего и дальнего действия. В когерентных оптических модулях ближнего действия 100G CWDM4 и 100G среднего и дальнего действия кремниевая оптика имеет небольшое преимущество в стоимости. Однако в сценарии со скоростью выше 400 Гбит / с стоимость традиционного DML-лазера и EML-лазера высока, в то время как приемопередатчик кремниевой фотоники объединяет оптические / электрические микросхемы, такие как многоканальный лазер, модулятор и многоканальный детектор на кремниевой фотонике. чип, который значительно уменьшает объем и имеет очевидные преимущества по стоимости. Поэтому технология кремниевой фотоники в основном используется на скоростях передачи 400 Гбит / с или даже 800 Гбит / с.

400G DR4 — базовая форма 400G Silicon Photonics Модули:

400G QSFP-DD DR4 представляет собой модуль оптического приемопередатчика, предназначенный для межсоединения центров обработки данных Ethernet 400G в форм-факторе 400G QSFP-DD (Quad Small Form Factor Pluggable-double density). На стороне передатчика этот модуль DR4 преобразует 8 каналов электрического сигнала 50 Гбит / с (PAM4) в 4 канала параллельных оптических выходных данных, каждый из которых обеспечивает скорость передачи данных 100 Гбит / с для совокупной полосы пропускания 400 Гбит / с. На стороне приемника оптический трансивер преобразует 4 полосы параллельных оптических данных со скоростью 100 Гбит / с на каждую полосу в совокупность 400 Гбит / с для поддержки 8 дорожек с электрическим выходным сигналом PAM50 4 Гбит / с.

Оптоволоконный модуль QSFP-DD DR400 4G обеспечивает передачу по SMF (одномодовое волокно) с помощью разъема MPO-12. Он поддерживает максимальное расстояние передачи 500 метров на центральной длине волны 1310 нм. В продукте предусмотрены функции цифровой диагностики в соответствии с соглашением QSFP-DD Multi-Source Agreement (MSA).

В настоящее время наиболее важным приложением для продуктов кремниевой фотоники по-прежнему являются центры обработки данных, и приемопередатчики кремниевой фотоники 400G начинают переходить от небольших поставок в 2020 году к массовым поставкам в 2021 году. Будущее кремниевых приемопередатчиков для фотоники является многообещающим.