光模块技术更新的发展方向及趋势
2024-04-22 13:29:36

       算力时代背景下,数据中心成为能耗大户,光模块技术的升级不仅仅是简单的速率翻倍,更需要解决高速率带来的的功耗、成本问题。光模块能耗占据数据中心交换网络能耗比重的40%-50%。光模块能耗的激增给数据中心的成本端带来巨大压力,解决其能耗问题成为当下光模块技术更新的关键。

1.LPO

       LPO(Linear-drive Pluggable Optics,线性驱动可插拔光模块),采用线性驱动技术代替传统DSP(数字信号处理)/CDR(时钟数据回复)芯片,可实现降功耗、压成本的作用,但代价在于拿掉DSP后会导致系统误码率提升,通信距离缩短,因此LPO技术只适合用于短距离的应用场景。

       传统DSP可对高速信号在光-电、电-光之间转换后出现的失真问题进行修复,从而降低失真对系统误码率的影响,但功耗大成本高。LPO技术去除了DSP,将其相关功能集成到设备侧的交换芯片中,只留下具有高线性度的Driver(驱动芯片)和TIA(Trans-Impedance Amplifier,跨阻放大器),用于对高速信号进行一定程度的补偿。

       LPO技术的优势包括:1)低功耗:OFC2023Macom展示出的单通道100G单模800GDR8、多模800GSR8Linear-drive方案中多模功耗节省70%,单模功耗节省50%。根据Macom的数据,具有DSP功能的800G多模光模块的功耗可以超过13W,而采用MacomPuredrive技术的800G多模光模块的功耗不到4W。2)低延迟:没有DSP后处理步骤减少,数据传输延迟减少,Macom的Linear-drive方案中延时可降低75%。3)低成本:800G光模块中去除DSP后系统总成本可降低约8%。4)可热拔插:LPO封装沿用传统热拔插技术,便于后期维护。

2.CPO

         CPO(Co-packagedoptics,共封装光学),是指将网络交换芯片和光模块共同装配在同一个插槽上,形成芯片和模组的共封装。

         与传统可热拔插式技术相比,CPO技术的优势包括:1)低延迟,低功耗:由于光模块和交换芯片在同一个封装内,信号传输路径更短,可以实现更低的延迟。另外光电共封装技术可以减少信号传输的功耗,并提高整体系统的能效。2)高带宽:光电共封装技术支持高速光通信,可以提供更大的数据传输带宽。3)小尺寸:相比传统的光模块和电子芯片分离封装的方式,光电共封装技术可以实现更紧凑的尺寸,有利于在高密度集成电路中的应用。

3.硅光子技术

         硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料,利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新技术。硅光子技术的核心理念是“以光代电”,即采用激光束代替电子信号传输数据,将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中,提升芯片之间的连接速度。

         将硅光材料和器件集成在同一硅基衬底上,形成由光调制器、探测器、无源波导器件等组成的集成光子器件。硅光光模块无需ROSA(光接收组件)、TOSA(光发射组件)封装,因而硅光器件体积与数量更小、集成度更高。2)低成本:相较于传统的分立式器件,硅光模块的集成度更高,封装与人工成本降低;此外硅基材料成本较低且可以大尺寸制造,意味着硅基芯片成本得以大幅降低。3)兼容成熟CMOS工艺:硅光子技术能利用半导体在超大规模、微小制造和集成化上的成熟工艺积累优势。

4.薄膜铌酸锂

         电光调制器可以将电信号转换为光信号,从而实现光信号的调制。薄膜铌酸锂通过“离子切片”方式,从块状的铌酸锂晶体上剥离出铌酸锂薄膜,并键合到附有二氧化硅缓冲层的Si晶片上。相较于其他光电子材料,如磷化铟(成本受限)、硅光(性能功耗受限)、铌酸锂晶体(尺寸受限),薄膜铌酸锂可实现超快电光效应和高集成度光波导,具有大带宽、低功耗、低损耗、小尺寸等优异特性,并可实现大尺寸晶圆规模制造。薄膜铌酸锂调制器是一种基于铌酸锂材料制作的光学调制器,与传统铌酸锂调制器相比,薄膜铌酸锂调制器在器件尺寸、电光带宽和集成度方面具有明显优势。

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