Bộ thu phát quang học Silicon Photonics (SiPh): Hỏi & Đáp

Mô-đun quang là một phần quan trọng của mạng truyền thông quang. Nó là một thiết bị quang hoạt động với tia laser làm sóng mang và sợi quang làm phương tiện truyền dẫn. Chức năng cốt lõi của nó là thực hiện chuyển đổi quang điện. Hiện tại, các mô-đun quang học truyền thống chủ yếu được đóng gói bằng chip bán dẫn III-V, chip silicon mạch tốc độ cao, linh kiện quang học và các thiết bị khác, về cơ bản thuộc về “kết nối điện”. Với việc giảm dần kích thước xử lý của bóng bán dẫn, kết nối điện sẽ dần đối mặt với nút cổ chai truyền dẫn, do đó, công nghệ quang tử silicon ra đời.

1. Cái gì là sbiểu tượng pbộ thu phát quang hotonics?

Nói một cách đơn giản, bộ thu phát quang tử silicon là tích hợp chuyển đổi và truyền quang điện trên chip silicon bằng cách sử dụng công nghệ quang tử silicon. Ý tưởng cốt lõi của công nghệ quang học silicon là “thay thế điện bằng ánh sáng”, nghĩa là sử dụng chùm tia laze thay vì tín hiệu điện tử để truyền dữ liệu và tích hợp các thiết bị quang học và linh kiện điện tử vào một vi mạch độc lập.

Quang tử silicon có các đặc tính tiêu thụ điện năng thấp, tích hợp cao và tốc độ cao, là công nghệ truyền thông quang học quan trọng trong thời kỳ hậu Moore. Theo Kế hoạch phát triển ngành công nghiệp quang tử silicon của Intel, ngành công nghiệp mô-đun quang silicon đã bước vào giai đoạn phát triển nhanh chóng. Vào năm 2022, công nghệ quang tử silicon sẽ vượt qua các mô-đun quang học truyền thống một cách toàn diện về tốc độ tối đa mỗi giây, mức tiêu thụ năng lượng và chi phí.

Theo dữ liệu của LightCounting, một công ty nghiên cứu thị trường, bước ngoặt của công nghệ quang tử silicon làm thay đổi ngành công nghiệp thiết bị quang học đã đến. Vào năm 2025, quy mô thị trường của mô-đun quang tử silicon sẽ đạt gần 6 tỷ USD và thị phần sẽ tăng từ 14% trong năm 2018-2019 lên 45% vào năm 2025. Trong bốn năm tới, thị trường sẽ đạt mức tăng trưởng hai con số .

2. Các ưu và nhược điểm của sbiểu tượng pbộ thu phát quang hotonics?

Ưu điểm của bộ thu phát quang tử silicon:

Nhìn chung, công nghệ quang tử silicon có ba ưu điểm: tiêu thụ điện năng thấp, tích hợp cao và băng thông truyền dẫn cao.

• So với các thiết bị rời rạc truyền thống, mô-đun quang theo công nghệ quang tử silicon dựa trên quy trình sản xuất CMOS. Quá trình khắc có thể được sử dụng trên đế silicon để xử lý nhanh chóng, giảm đáng kể khối lượng và tối ưu hóa hơn nữa chi phí vật liệu, chi phí chip và chi phí đóng gói. Đồng thời, công nghệ quang học silicon có thể tiến hành thử nghiệm hàng loạt thông qua thử nghiệm wafer và các phương pháp khác, và hiệu quả thử nghiệm được cải thiện đáng kể.

DR400 4G Sơ đồ thu phát quang Silicon Photonics

• Công nghệ quang tử silicon sử dụng chùm tia laze thay vì tín hiệu điện tử để truyền dữ liệu, đồng thời tích hợp các thiết bị quang học và linh kiện điện tử trong một vi mạch riêng biệt, thay thế dây đồng bằng ánh sáng làm môi trường dẫn truyền thông tin trên chip silicon để tăng tốc độ của chip với chip kết nối.

• So với hệ thống truyền tín hiệu điện qua dây đồng, hệ thống dựa trên giao tiếp quang truyền tín hiệu quang qua đường cáp quang làm cho dữ liệu nhanh hơn và hiệu quả hơn. Ngoài ra, các định dạng điều chế quang học tiên tiến, cũng như các kỹ thuật phát hiện mạch lạc, cải thiện hiệu quả quang phổ. Phạm vi phủ sóng của silicon-quang từ chip tới các mạng cục bộ (LAN) và mạng diện rộng (WAN) có thể vượt quá khoảng cách truyền 100km.

Nhược điểm của bộ thu phát quang tử silicon:

Do bộ thu phát quang tử silicon bị mất chèn lớn, nó có thể duy trì đủ độ tin cậy chỉ khi truyền trong khoảng cách ngắn. Do đó, rất khó để công nghệ quang tử silicon có thể tích hợp các thiết bị chức năng hoạt động (nguồn sáng và bộ khuếch đại quang học) trong một thời gian ngắn, và vẫn còn những trở ngại đối với việc thương mại hóa quy mô lớn.

Các module quang, đặc biệt là các module quang tốc độ cao, chiếm 50% ~ 60% giá thành của thiết bị mạng truyền thông. Việc lựa chọn và chi phí của các mô-đun quang sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí xây dựng chung của mạng. Chi phí cao của các mô-đun quang đã trở thành một vấn đề then chốt cản trở sự phát triển của truyền thông quang. Trong chi phí của mô-đun quang học, 40% là chip quang học, trong đó khoảng 20% ​​là laser. Nếu tiết kiệm được 3/4 chi phí laser thì tổng chi phí có thể giảm 15%, đồng thời có thể giảm một phần nhân công và chi phí linh kiện.

Các loại laser chính trong mô-đun quang học là VCSEL, FP, DFB, DML và EML. Các loại laser khác nhau có bước sóng, chế độ làm việc và môi trường ứng dụng khác nhau. Hiện tại, lộ trình kỹ thuật của các sản phẩm thương mại tích hợp quang học chủ yếu được chia thành InP và Si. Trong số đó, DFB, DML, EML và các loại laser khác là loại InP. Mặc dù công nghệ này đã tương đối trưởng thành nhưng giá thành cao và không tương thích với quy trình CMOS (quy trình mạch tích hợp). Tuy nhiên, thiết bị quang silicon loại Si áp dụng quy trình COMS để nhận ra sự tích hợp nguyên khối của các thiết bị quang điện tử thụ động và mạch tích hợp, có thể được tích hợp trên quy mô lớn và có ưu điểm là mật độ cao và chi phí thấp. Nhưng có một nhược điểm – mặc dù các chip quang tử silicon tương thích với các quy trình CMOS, năng suất sản phẩm cản trở việc sản xuất hàng loạt các máy thu phát quang tử silicon.

3. Các lĩnh vực ứng dụng và thị trường của Sbiểu tượng Pmáy thu phát quang hotonics?

Trong số các sản phẩm mô-đun quang silicon photonics đang được xuất xưởng, có hai loại chính: mô-đun quang trung tâm dữ liệu tầm ngắn và mô-đun quang kết hợp viễn thông tầm trung và tầm xa. Trong các mô-đun quang kết hợp 100G tầm ngắn CWDM4 và 100G tầm trung và dài, quang silicon có lợi thế về chi phí rất ít. Tuy nhiên, trong kịch bản với tốc độ trên 400G, chi phí của laser DML truyền thống và laser EML cao, trong khi bộ thu phát quang tử silicon tích hợp các chip quang / điện như laser đa kênh, bộ điều chế và máy dò đa kênh trên quang tử silicon. chip, giúp giảm đáng kể khối lượng và có lợi thế rõ ràng về chi phí. Do đó, công nghệ quang tử silicon chủ yếu được sử dụng ở tốc độ truyền 400G hoặc thậm chí 800G.

400G DR4 – Dạng cơ bản của 400G Silicon Photonics Mô-đun:

400G QSFP-DD DR4 là một mô-đun thu phát quang được thiết kế cho kết nối trung tâm dữ liệu Ethernet 400G ở dạng 400G QSFP-DD (Quad Small Form Factor Pluggable-double density). Trên đầu phát, mô-đun DR4 này chuyển đổi 8 kênh tín hiệu điện 50Gb / s (PAM4) thành 4 kênh dữ liệu đầu ra quang song song, mỗi kênh có tốc độ dữ liệu 100Gb / s cho băng thông tổng hợp là 400Gbls. Ở phía máy thu, bộ thu phát quang chuyển đổi 4 làn dữ liệu quang song song 100Gbp / s mỗi làn cho tổng số 400Gbp / s để hỗ trợ 8 làn tín hiệu đầu ra điện PAM50 4Gb / s.

Mô-đun sợi quang 400G QSFP-DD DR4 đạt được khả năng truyền qua SMF (sợi quang đơn mode) với đầu nối MPO-12. Nó hỗ trợ khoảng cách truyền tối đa 500 mét trên bước sóng trung tâm 1310nm. Sản phẩm được thiết kế với các chức năng chẩn đoán kỹ thuật số theo Thỏa thuận đa nguồn QSFP-DD (MSA).

Hiện tại, ứng dụng quan trọng nhất cho các sản phẩm quang tử silicon vẫn là các trung tâm dữ liệu và các thiết bị thu phát quang tử silicon 400G đang bắt đầu chuyển từ các lô hàng khối lượng nhỏ vào năm 2020 sang các lô hàng khối lượng lớn vào năm 2021. Tương lai của các bộ thu phát quang tử silicon đầy hứa hẹn.