超高速光模塊及核心器件發(fā)展現(xiàn)狀與演進(jìn)

  ICC訊 超高速相干光模塊作為全頻OTN網(wǎng)絡(luò)的核心部件，其速率、傳輸距離、功耗、成本直接影響光傳輸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的演進(jìn)。目前長(zhǎng)途400G和城域800G已進(jìn)入商用階段，長(zhǎng)途800G和城域1.6T處于技術(shù)開發(fā)階段。當(dāng)單波速率提升時(shí)，為支持單纖傳輸容量升級(jí)，需要擴(kuò)展工作波段，例如400G長(zhǎng)途相干光模塊工作波段從C波段向C+L波段擴(kuò)展，未來(lái)T比特長(zhǎng)途相干光模塊還將向S+C+L多波段演進(jìn)。隨著相干光模塊的技術(shù)發(fā)展，核心器件面臨帶寬、集成度、功耗和成本的挑戰(zhàn)，推動(dòng)新材料、新架構(gòu)、新封裝工藝的創(chuàng)新和突破。

  發(fā)展現(xiàn)狀

  電信領(lǐng)域長(zhǎng)途和城域傳輸相干光模塊以CFP2為主；數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)的相干光模塊有QSFP-DD和OSFP兩種。標(biāo)準(zhǔn)化、小型化、可插拔、易維護(hù)是光模塊的傳統(tǒng)需求。中興通訊采用CFP2相干光模塊。下面分別介紹光模塊內(nèi)相干光源和光收發(fā)器件的技術(shù)現(xiàn)狀。

  相干光源方面，包括集成激光器和外腔激光器兩條技術(shù)路線。單片磷化銦集成激光器不能實(shí)現(xiàn)C+L一體化。外腔激光器包括空間光學(xué)濾波器和硅光濾波器兩種方案，其中空間光學(xué)濾波器方案中標(biāo)準(zhǔn)具高反膜的波長(zhǎng)相關(guān)性，難以實(shí)現(xiàn)C+L一體化。中興通訊的相干光源方案為小型化的Nano封裝外腔激光器，采用硅光濾波器方案，通過(guò)創(chuàng)新的雙微環(huán)和馬曾干涉儀結(jié)構(gòu)，調(diào)控諧振谷底，抑制競(jìng)爭(zhēng)模諧振峰，可拓展激光器頻率調(diào)諧范圍至C+L一體化12THz共240波，較當(dāng)前業(yè)界主流的C120/L120調(diào)諧范圍翻倍；激光器線寬指標(biāo)30kHz，滿足長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)需求。

  光收發(fā)器件方面，相干光收發(fā)器件主要材料是硅光、磷化銦和薄膜鈮酸鋰三種。硅光器件成本優(yōu)勢(shì)明顯，硅光器件采用絕熱耦合器等波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)，支持C+L一體化，但調(diào)制帶寬有限，未來(lái)硅光技術(shù)發(fā)展方向是集成薄膜鈮酸鋰材料，支持大帶寬調(diào)制。磷化銦器件帶寬大、成本高，突出優(yōu)勢(shì)是可集成半導(dǎo)體光放大器（SOA）實(shí)現(xiàn)高功率輸出，并且調(diào)制器中多模干涉儀引入的波長(zhǎng)相關(guān)損耗也可以通過(guò)SOA進(jìn)行補(bǔ)償，但磷化銦芯片中多模干涉儀混頻器和SOA都難以支持100nm以上工作波長(zhǎng)范圍，現(xiàn)階段尚未有C+L一體化的磷化銦器件產(chǎn)品。薄膜鈮酸鋰從體材料鈮酸鋰發(fā)展而來(lái)，通過(guò)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)相關(guān)性較小的多模干涉儀支持C+L一體化。中興通訊采用硅光接收/薄膜鈮酸鋰調(diào)制的技術(shù)平臺(tái)，以封裝集成的方式實(shí)現(xiàn)CL一體化128GBd光收發(fā)器件。

  演進(jìn)

  為支持光模塊向超高速演進(jìn)，光模塊電接口形態(tài)、光收發(fā)器件、器件封裝需要技術(shù)創(chuàng)新。

  光模塊方面，2030年以前，可插拔光模塊是主流，隨著單板上單路電信號(hào)速率提升至448Gbps及以上，光模塊形態(tài)演進(jìn)可能有兩個(gè)方向：引入飛線（flyover）電纜提高電信號(hào)傳輸質(zhì)量，繼續(xù)支持面板可插拔模塊；單板內(nèi)采用嵌入式光模塊，即相干光模塊與單板信號(hào)處理芯片盡量靠近，如圖1所示。相干光模塊功耗增長(zhǎng)呈螺旋式上升趨勢(shì)，冷板式液冷技術(shù)等先進(jìn)散熱技術(shù)將逐步引入。光模塊速率演進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力是提升波特率和減少光電通道數(shù)來(lái)降低比特傳輸成本。當(dāng)光域波特率達(dá)到400GBd以上時(shí)，考慮到性價(jià)比，有可能采用雙波長(zhǎng)并行架構(gòu)實(shí)現(xiàn)更高速率傳輸需求。

  光收發(fā)器件方面，隨著光芯片大帶寬需求推動(dòng)，各種新材料器件研究也成為熱門，如高電光系數(shù)的鉭酸鋰、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、有機(jī)聚合物、石墨烯等。光器件新材料的應(yīng)用需要有成本或性能優(yōu)勢(shì)，以硅光技術(shù)為平臺(tái)，集成其他新材料實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短是重要的技術(shù)發(fā)展方向。光收發(fā)器件材料特性如表1所示，其中硅光+薄膜鈮酸鋰的異質(zhì)集成可能是未來(lái)相干光器件的主流技術(shù)路線，其支持實(shí)現(xiàn)S+C+L一體化，支持2030年左右所需的400GBd+波特率：發(fā)送端硅光無(wú)源元件支持多波段工作，薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)僅為調(diào)制部分，帶寬可達(dá)200GHz以上；接收端采用熱調(diào)相位實(shí)現(xiàn)多波段90°相位差的精確混頻，鍺探測(cè)器通過(guò)降低光生載流子渡越時(shí)間和優(yōu)化串行電阻支持200GHz以上帶寬。

  器件封裝方面，光芯片、電芯片和DSP芯片之間高速信號(hào)互聯(lián)優(yōu)化是光器件封裝演進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，光電子器件將借鑒集成電路行業(yè)封裝技術(shù)，如銅凸點(diǎn)、銅銅鍵合、芯片通孔、集成電容、有機(jī)基板、類載板、玻璃基板等技術(shù)，光電子器件與集成電路封裝的主要區(qū)別在于光芯片需要光耦合，以及在封裝工藝過(guò)程中需做好光芯片耦合面的防護(hù)。近中期光電子器件封裝架構(gòu)有可能是光芯片作為中介板，調(diào)制驅(qū)動(dòng)和探測(cè)跨阻放大芯片倒裝在光芯片之上，接口高速信號(hào)通過(guò)光芯片的通孔與電芯片互聯(lián)，光芯片和電芯片采用銅銅鍵合或凸點(diǎn)焊接的方式以實(shí)現(xiàn)較短的傳輸路徑和較小的寄生效應(yīng)，DSP芯片和光電芯片共基板進(jìn)行封裝。圖2給出了中長(zhǎng)期相干光器件一種可能的極簡(jiǎn)形態(tài)：采用扇出晶圓級(jí)封裝工藝，相干DSP芯片集成控制管理、調(diào)制驅(qū)動(dòng)/跨阻放大、電容功能，相干DSP倒裝，和光芯片通過(guò)重布線層互聯(lián)，相干DSP在上利于散熱。

  相干光模塊正朝著高帶寬、高集成度、高可靠、低功耗、低成本的方向發(fā)展，推動(dòng)核心器件在芯片材料、架構(gòu)方案、封裝工藝上不斷創(chuàng)新。目前中興通訊已實(shí)現(xiàn)C+L一體化相干光模塊。展望未來(lái)，T比特級(jí)光器件有望采用硅光+薄膜鈮酸鋰的異質(zhì)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)S+C+L一體化，支持256GBd/400GBd+高波特率。

  作者：中興光電子 沈百林