光迅：数通400G模块解决方案浅析
发布时间：2018-03-15 09:28:46 热度：5575
3/15/2018，一般预测数通400G模块的上量应在2020年左右，但各厂家的前期开发已经是如火如荼，解决方案也各式各样。小文仅从技术角度分析一下各种方案的利弊，以飨读者。
垂直腔面发射激光器（VCSEL）
数通用VCSEL通常是850nm波长，多模；其特点是低成本（生产加工，测试成本），低功耗，容易耦合（光斑接近圆形），容易阵列化，因此可用CoB工艺来实现大规模集成模块。由于VCSEL在实现高速率有一定困难，目前看来实现400G应该是8x50G PAM4，也就是8路25G波特率加上PAM4调制的形式。VCSEL在低于100米的应用（接收光模块及有源光缆）占主导地位，并且可以进一步集成实现更多路的板载光模块（OBO）。然而VCSEL需要多模光纤，成本较单模光纤高，数通系统厂家需要准备多模（100米以下）和单模（大于100米）两种光纤。所以一些系统厂家也有希望用别的技术统一成单一光纤的想法。
电吸收调制激光器（EML）
EML是指电吸收调制器（EAM）与DFB激光器的集成器件，属于外调制方式，因此波长啁啾低，信号传输质量高，容易实现高速率调制（50G以上波特率不是问题），在10公里以上的中长距离中已经得到广泛应用。EML具有容易实现集成化及小型化，低调制电压，高消光比，高调制速率等优点，实现400G仅需要4光路（4x100G）即可。然而，在应用环境相对来说比较宽松的数通市场来说，EML显得比较昂贵。另外传统EML都需要温控，这就会导致光模块的整体耗电上升。数通模块的特点是低价格和低功耗，这样看来EML没有在这两点上显示出优势。可喜的是技术总是随着需求变化而发展的：最近，uncooled EML已经问世。其实uncooled EML就是将EML做成对环境变化不太敏感的光器件，使得在一定范围温度条件下（比如说，0到70度），不需要温控，或者简单温控可以正常工作。这样至少在模块中消除温控，部分解决了成本和功耗的问题。相信在数通领域，uncooled EML可以向下延伸到2km的应用领域，将会是400G光模块产品中有力选项之一。
硅光（SiP--Silicon Photonics）
硅光技术从远景来看，最终会走向全光电集成（OEIC：Opto-Electric Integrated Circuits），但目前比较成熟的是硅调制器。由于是外调制，信号传输质量较高，容易实现高速率，加之体积小，集成度高等，非常适合于2公里以下的数通应用。然而目前在市场上硅光的应用并不是那么成功（小于全体市场的10%），主要原因是从激光器到硅波导的耦合效率及调制器本身的损耗较高，封装比较复杂，整体工艺不成熟等。但在400G以上速率，由于传统直接调制式激光器DML已经接近带宽的极限，EML的成本又比较高，对硅光来说将会是一个很好的机会。一般来说用硅光实现400G多是4x100G的形式。另一方面，硅光如果想在100米以下的应用取代VCSEL，必须解决功耗（高插损从而需要大功率激光器）及封装等问题。硅光的大量应用也取决于业界对技术的开放与接受程度。如果在制定标准或协议时考虑到硅光的特点，在满足传输条件的前提下放松一些指标（波长，消光比等），这将会极大地促进硅光的发展和应用。
直接调制式激光器（DML）
DML的原理是通过调制激光器的注入电流来实现信号调制。由于注入电流的大小会改变激光器有源区折射率，造成波长漂移（啁啾）从而产生色散，DML不利于长距离传输。另外DML的带宽有限，并且调制电流大时激光器容易饱和，难以实现较高的消光比。一般来说DML多用于低于25G以下速率和低于10公里的传输距离（比如说现在的4x25G=100G）。400G应用一般都需要PAM4调制，这就需要光器件必须有较好的线性度，这对DML来说相对困难。另外，如果DML仅可以实现25G波特率，那么即使可以PAM4调制，也只能以8x50G PAM4的形式来实现400G。这会造成模块成本及功耗上升，封装也困难，同EML和硅光相比，不是一个强有力的方案。但是，应该注意到最近有的公司发表使用DML已经实现50G波特率的PAM4调制。我们认为加上倒装焊等新工艺以及混合集成技术，改善传统激光器的封装形式及高频性能，DML是有希望实现50G波特率 PAM4的调制，从而实现4x100G光模块。不过，这也许还需要一些时间。
总体来看，数通400G模块的开发尚处战国时代，除了多模以VCSEL为主以外，单模是uncooled EML，硅光或者DML，具体那种方案会胜出，最终取决于客户的接受程度和供应链的成熟程度。
针对这种情况，光迅已全方位展开了400G及以上速率数通模块的研发：在芯片方面，自主研发和协同合作并举；在工艺及产线方面，除了成熟和扩大CoB工艺以外，积极导入高精度倒装焊等高端封装工艺。同时光迅还积极在自己的混合集成平台上，扩展硅光芯片的设计能力并取得了较好的结果。2018年，光迅的VCSEL类产品将有飞跃的发展和展开，uncooled EML，硅光类的400G产品也将会推出样品，以满足急速发展数通市场的要求。
垂直腔面发射激光器（VCSEL）
数通用VCSEL通常是850nm波长，多模；其特点是低成本（生产加工，测试成本），低功耗，容易耦合（光斑接近圆形），容易阵列化，因此可用CoB工艺来实现大规模集成模块。由于VCSEL在实现高速率有一定困难，目前看来实现400G应该是8x50G PAM4，也就是8路25G波特率加上PAM4调制的形式。VCSEL在低于100米的应用（接收光模块及有源光缆）占主导地位，并且可以进一步集成实现更多路的板载光模块（OBO）。然而VCSEL需要多模光纤，成本较单模光纤高，数通系统厂家需要准备多模（100米以下）和单模（大于100米）两种光纤。所以一些系统厂家也有希望用别的技术统一成单一光纤的想法。
电吸收调制激光器（EML）
EML是指电吸收调制器（EAM）与DFB激光器的集成器件，属于外调制方式，因此波长啁啾低，信号传输质量高，容易实现高速率调制（50G以上波特率不是问题），在10公里以上的中长距离中已经得到广泛应用。EML具有容易实现集成化及小型化，低调制电压，高消光比，高调制速率等优点，实现400G仅需要4光路（4x100G）即可。然而，在应用环境相对来说比较宽松的数通市场来说，EML显得比较昂贵。另外传统EML都需要温控，这就会导致光模块的整体耗电上升。数通模块的特点是低价格和低功耗，这样看来EML没有在这两点上显示出优势。可喜的是技术总是随着需求变化而发展的：最近，uncooled EML已经问世。其实uncooled EML就是将EML做成对环境变化不太敏感的光器件，使得在一定范围温度条件下（比如说，0到70度），不需要温控，或者简单温控可以正常工作。这样至少在模块中消除温控，部分解决了成本和功耗的问题。相信在数通领域，uncooled EML可以向下延伸到2km的应用领域，将会是400G光模块产品中有力选项之一。
硅光（SiP--Silicon Photonics）
硅光技术从远景来看，最终会走向全光电集成（OEIC：Opto-Electric Integrated Circuits），但目前比较成熟的是硅调制器。由于是外调制，信号传输质量较高，容易实现高速率，加之体积小，集成度高等，非常适合于2公里以下的数通应用。然而目前在市场上硅光的应用并不是那么成功（小于全体市场的10%），主要原因是从激光器到硅波导的耦合效率及调制器本身的损耗较高，封装比较复杂，整体工艺不成熟等。但在400G以上速率，由于传统直接调制式激光器DML已经接近带宽的极限，EML的成本又比较高，对硅光来说将会是一个很好的机会。一般来说用硅光实现400G多是4x100G的形式。另一方面，硅光如果想在100米以下的应用取代VCSEL，必须解决功耗（高插损从而需要大功率激光器）及封装等问题。硅光的大量应用也取决于业界对技术的开放与接受程度。如果在制定标准或协议时考虑到硅光的特点，在满足传输条件的前提下放松一些指标（波长，消光比等），这将会极大地促进硅光的发展和应用。
直接调制式激光器（DML）
DML的原理是通过调制激光器的注入电流来实现信号调制。由于注入电流的大小会改变激光器有源区折射率，造成波长漂移（啁啾）从而产生色散，DML不利于长距离传输。另外DML的带宽有限，并且调制电流大时激光器容易饱和，难以实现较高的消光比。一般来说DML多用于低于25G以下速率和低于10公里的传输距离（比如说现在的4x25G=100G）。400G应用一般都需要PAM4调制，这就需要光器件必须有较好的线性度，这对DML来说相对困难。另外，如果DML仅可以实现25G波特率，那么即使可以PAM4调制，也只能以8x50G PAM4的形式来实现400G。这会造成模块成本及功耗上升，封装也困难，同EML和硅光相比，不是一个强有力的方案。但是，应该注意到最近有的公司发表使用DML已经实现50G波特率的PAM4调制。我们认为加上倒装焊等新工艺以及混合集成技术，改善传统激光器的封装形式及高频性能，DML是有希望实现50G波特率 PAM4的调制，从而实现4x100G光模块。不过，这也许还需要一些时间。
总体来看，数通400G模块的开发尚处战国时代，除了多模以VCSEL为主以外，单模是uncooled EML，硅光或者DML，具体那种方案会胜出，最终取决于客户的接受程度和供应链的成熟程度。
针对这种情况，光迅已全方位展开了400G及以上速率数通模块的研发：在芯片方面，自主研发和协同合作并举；在工艺及产线方面，除了成熟和扩大CoB工艺以外，积极导入高精度倒装焊等高端封装工艺。同时光迅还积极在自己的混合集成平台上，扩展硅光芯片的设计能力并取得了较好的结果。2018年，光迅的VCSEL类产品将有飞跃的发展和展开，uncooled EML，硅光类的400G产品也将会推出样品，以满足急速发展数通市场的要求。
