數(shù)通400G模塊解決方案淺析

  ICCSZ訊 一般預(yù)測數(shù)通400G模塊的上量應(yīng)在2020年左右，但各廠家的前期開發(fā)已經(jīng)是如火如荼，解決方案也各式各樣。小文僅從技術(shù)角度分析一下各種方案的利弊，以饗讀者。

  垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)

  數(shù)通用VCSEL通常是850nm波長，多模;其特點(diǎn)是低成本(生產(chǎn)加工，測試成本)，低功耗，容易耦合(光斑接近圓形)，容易陣列化，因此可用CoB工藝來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成模塊。由于VCSEL在實(shí)現(xiàn)高速率有一定困難，目前看來實(shí)現(xiàn)400G應(yīng)該是8x50G PAM4，也就是8路25G波特率加上PAM4調(diào)制的形式。VCSEL在低于100米的應(yīng)用(接收光模塊及有源光纜)占主導(dǎo)地位，并且可以進(jìn)一步集成實(shí)現(xiàn)更多路的板載光模塊(OBO)。然而VCSEL需要多模光纖，成本較單模光纖高，數(shù)通系統(tǒng)廠家需要準(zhǔn)備多模(100米以下)和單模(大于100米)兩種光纖。所以一些系統(tǒng)廠家也有希望用別的技術(shù)統(tǒng)一成單一光纖的想法。

  電吸收調(diào)制激光器(EML)

  EML是指電吸收調(diào)制器(EAM)與DFB激光器的集成器件，屬于外調(diào)制方式，因此波長啁啾低，信號(hào)傳輸質(zhì)量高，容易實(shí)現(xiàn)高速率調(diào)制(50G以上波特率不是問題)，在10公里以上的中長距離中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。EML具有容易實(shí)現(xiàn)集成化及小型化，低調(diào)制電壓，高消光比，高調(diào)制速率等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)400G僅需要4光路(4x100G)即可。然而，在應(yīng)用環(huán)境相對來說比較寬松的數(shù)通市場來說，EML顯得比較昂貴。另外傳統(tǒng)EML都需要溫控，這就會(huì)導(dǎo)致光模塊的整體耗電上升。數(shù)通模塊的特點(diǎn)是低價(jià)格和低功耗，這樣看來EML沒有在這兩點(diǎn)上顯示出優(yōu)勢。可喜的是技術(shù)總是隨著需求變化而發(fā)展的：最近，uncooled EML已經(jīng)問世。其實(shí)uncooled EML就是將EML做成對環(huán)境變化不太敏感的光器件，使得在一定范圍溫度條件下(比如說，0到70度)，不需要溫控，或者簡單溫控可以正常工作。這樣至少在模塊中消除溫控，部分解決了成本和功耗的問題。相信在數(shù)通領(lǐng)域，uncooled EML可以向下延伸到2km的應(yīng)用領(lǐng)域，將會(huì)是400G光模塊產(chǎn)品中有力選項(xiàng)之一。

  硅光(SiP--Silicon Photonics)

  硅光技術(shù)從遠(yuǎn)景來看，最終會(huì)走向全光電集成(OEIC：Opto-Electric Integrated Circuits)，但目前比較成熟的是硅調(diào)制器。由于是外調(diào)制，信號(hào)傳輸質(zhì)量較高，容易實(shí)現(xiàn)高速率，加之體積小，集成度高等，非常適合于2公里以下的數(shù)通應(yīng)用。然而目前在市場上硅光的應(yīng)用并不是那么成功(小于全體市場的10%)，主要原因是從激光器到硅波導(dǎo)的耦合效率及調(diào)制器本身的損耗較高，封裝比較復(fù)雜，整體工藝不成熟等。但在400G以上速率，由于傳統(tǒng)直接調(diào)制式激光器DML已經(jīng)接近帶寬的極限，EML的成本又比較高，對硅光來說將會(huì)是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。一般來說用硅光實(shí)現(xiàn)400G多是4x100G的形式。另一方面，硅光如果想在100米以下的應(yīng)用取代VCSEL，必須解決功耗(高插損從而需要大功率激光器)及封裝等問題。硅光的大量應(yīng)用也取決于業(yè)界對技術(shù)的開放與接受程度。如果在制定標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議時(shí)考慮到硅光的特點(diǎn)，在滿足傳輸條件的前提下放松一些指標(biāo)(波長，消光比等)，這將會(huì)極大地促進(jìn)硅光的發(fā)展和應(yīng)用。

  直接調(diào)制式激光器(DML)

  DML的原理是通過調(diào)制激光器的注入電流來實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制。由于注入電流的大小會(huì)改變激光器有源區(qū)折射率，造成波長漂移(啁啾)從而產(chǎn)生色散，DML不利于長距離傳輸。另外DML的帶寬有限，并且調(diào)制電流大時(shí)激光器容易飽和，難以實(shí)現(xiàn)較高的消光比。一般來說DML多用于低于25G以下速率和低于10公里的傳輸距離(比如說現(xiàn)在的4x25G=100G)。400G應(yīng)用一般都需要PAM4調(diào)制，這就需要光器件必須有較好的線性度，這對DML來說相對困難。另外，如果DML僅可以實(shí)現(xiàn)25G波特率，那么即使可以PAM4調(diào)制，也只能以8x50G PAM4的形式來實(shí)現(xiàn)400G。這會(huì)造成模塊成本及功耗上升，封裝也困難，同EML和硅光相比，不是一個(gè)強(qiáng)有力的方案。但是，應(yīng)該注意到最近有的公司發(fā)表使用DML已經(jīng)實(shí)現(xiàn)50G波特率的PAM4調(diào)制。我們認(rèn)為加上倒裝焊等新工藝以及混合集成技術(shù)，改善傳統(tǒng)激光器的封裝形式及高頻性能，DML是有希望實(shí)現(xiàn)50G波特率 PAM4的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)4x100G光模塊。不過，這也許還需要一些時(shí)間。

  總體來看，數(shù)通400G模塊的開發(fā)尚處戰(zhàn)國時(shí)代，除了多模以VCSEL為主以外，單模是uncooled EML，硅光或者DML，具體那種方案會(huì)勝出，最終取決于客戶的接受程度和供應(yīng)鏈的成熟程度。

  針對這種情況，光迅已全方位展開了400G及以上速率數(shù)通模塊的研發(fā)：在芯片方面，自主研發(fā)和協(xié)同合作并舉;在工藝及產(chǎn)線方面，除了成熟和擴(kuò)大CoB工藝以外，積極導(dǎo)入高精度倒裝焊等高端封裝工藝。同時(shí)光迅還積極在自己的混合集成平臺(tái)上，擴(kuò)展硅光芯片的設(shè)計(jì)能力并取得了較好的結(jié)果。2018年，光迅的VCSEL類產(chǎn)品將有飛躍的發(fā)展和展開，uncooled EML，硅光類的400G產(chǎn)品也將會(huì)推出樣品，以滿足急速發(fā)展數(shù)通市場的要求。

作者：光迅科技 陳  奔， 張  玓