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400G光模块解决方案简析

发布时间:2018-03-15 点击数:244
市场预测数据通信400G光模块的上量应在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。

垂直腔面发射激光器(VCSEL) 
    数据通信用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光模块。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光模块(OBO)。然而VCSEL需要多模光纤,成本较单模光纤高,数据通信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据通信市场来说,EML显得比较昂贵。另外传统EML都需要温控,这就会导致光光模块的整体耗电上升。数据通信光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。这样至少在光模块中消除温控,部分解决了成本和功耗的问题。相信在数据通信领域,uncooled EML可以向下延伸到2km的应用领域,将会是400G光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公里以下的数据通信应用。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。这会造成光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光光模块。不过,这也许还需要一些时间。 

    总体来看,数据通信400G光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及以上速率数据通信光模块的研发: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,以满足急速发展数据通信市场的要求。

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