光通信芯片
光芯片和电芯片是决定光模块性能表现的最重要器件。
光芯片和电芯片是光器件的核心部件。
在光器件中,光芯片用于光电信号的转换。根据种类不同,可分为有源光芯片和无源光芯片。
有源光芯片又分为激光器芯片(发射端)和探测器芯片(接收端)等。在发射端(激光器芯片),光发射模块将电信号转换成光信号;在接收端(探测器芯片),将光信号还原为电信号,导入电子设备。光芯片的性能与传输速率直接决定了光纤通信系统的传输效率。
激光器芯片价值占比大,技术壁垒高,是光芯片中的“明珠”。按发光类型,分为面发射与边发射。其中,面发射型激光主要为VCSEL(垂直腔面发射激光器);边发射型激光种类较多,包括 FP(Fabry–Pérot,法布里-珀罗激光器)、DFB(Distributed Feedback Laser, 分布反馈式激光器)以及EML(Electroabsorption Modulated Laser,电吸收调制激光器)等,传统的 FP 激光器芯片因损耗较大,传输距离短,在光通信领域的应用逐渐收窄,核心激光芯片主要有三种:DFB、EML和VCSEL。
(1)DFB是最常用的直接调制激光器,是在FP的基础上通过内置布拉格光栅,使激光呈高度单色性,降低损耗,提升传输距离。目前,DFB激光主要应用于中长距离传输,主要应用场景包括:FTTx 接入网、传输网、无线基站、数据中心内部互联等。
(2)EML激光通过在DFB的基础上增加电吸收片(EAM)作为外调制器,啁啾与色散性能均优于 DFB,更适用于长距离传输。EML的主要应用场景主要有:高速率、远距离的电信骨干网、城域网和数据中心互联(DCI网络)。
(3)VCSEL具有单纵模、圆形输出光斑、价格低廉和易于集成等特点,但发光传输距离较短,适用于500m内的短距离传输。主要应用场景有:数据中心内部、消费电子领域(3D )。
探测器芯片主要有 PIN(PN 二极管探测器)和 APD(雪崩二极管探测 器)两种类型,前者灵敏度相对较低,应用于中短距,后者灵敏度高,应用于中长距。
电芯片一方面实现对光芯片工作的配套支撑,如 LD(激光驱动器)、TIA(跨阻放大 器)、CDR(时钟和数据恢复电路),一方面实现电信号的功率调节,如MA(主放),另一方面实现一些复杂的数字信号处理,如调制、相干信号控制、串并/并串转换等。还有一些光模块拥有 DDM(数字诊断功能),相应的带有 MCU 和 EEPROM。电芯片通常配套使用,主流芯片厂商一般都会推出针对某种型号光模块的套片产品。
不管是光芯片还是电芯片,根据基板(衬底)材料的不同,可分为磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、硅基(Si)等以下几个种类:
光芯片和电芯片的配套使用:发射端,电信号通过 CDR、LD 等信号处理芯片完成信号内调制或外调制,驱动激光器芯片完成电光转换;接收端,光信号通过探测器芯片转化为电脉冲,然后通过 TIA、 MA 等功率处理芯片调幅,最终输出终端可以处理的连续电信号。光芯片和电芯片配合工作实现了对传输速率、消光比、发射光功率等主要性能指标的实现,是决定光模块性 能表现的最重要器件。
光器件芯片具有极高的技术壁垒和复杂的工艺流程,因而是光模块 BOM成本结构 中占比最大的部分。光芯片的成本占比通常在40%-60%,电芯片的成本占比通常在10%-30%之间,越高速、高端的光模块电芯片成本占比越高。