超高速光模塊及核心器件發(fā)展現(xiàn)狀與演進

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

  發(fā)展現(xiàn)狀

  電信領域長途和城域傳輸相干光模塊以CFP2為主；數據中心間互聯(lián)的相干光模塊有QSFP-DD和OSFP兩種。標準化、小型化、可插拔、易維護是光模塊的傳統(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相干光源和光收發(fā)器件的技術現(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路線。單片磷化銦集成激光器不能實現(xiàn)C+L一體化。外腔激光器包括空間光學濾波器和硅光濾波器兩種方案，其中空間光學濾波器方案中標準具高反膜的波長相關性，難以實現(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，通過創(chuàng)新的雙微環(huán)和馬曾干涉儀結構，調控諧振谷底，抑制競爭模諧振峰，可拓展激光器頻率調諧范圍至C+L一體化12THz共240波，較當前業(yè)界主流的C120/L120調諧范圍翻倍；激光器線寬指標30kHz，滿足長距離傳輸系統(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)勢明顯，硅光器件采用絕熱耦合器等波長無關的設計，支持C+L一體化，但調制帶寬有限，未來硅光技術發(fā)展方向是集成薄膜鈮酸鋰材料，支持大帶寬調制。磷化銦器件帶寬大、成本高，突出優(yōu)勢是可集成半導體光放大器（SOA）實現(xiàn)高功率輸出，并且調制器中多模干涉儀引入的波長相關損耗也可以通過SOA進行補償，但磷化銦芯片中多模干涉儀混頻器和SOA都難以支持100nm以上工作波長范圍，現(xiàn)階段尚未有C+L一體化的磷化銦器件產品。薄膜鈮酸鋰從體材料鈮酸鋰發(fā)展而來，通過設計波長相關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/薄膜鈮酸鋰調制的技術平臺，以封裝集成的方式實現(xiàn)CL一體化128GBd光收發(fā)器件。

  演進

  為支持光模塊向超高速演進，光模塊電接口形態(tài)、光收發(fā)器件、器件封裝需要技術創(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速率提升至448Gbps及以上，光模塊形態(tài)演進可能有兩個方向：引入飛線（flyover）電纜提高電信號傳輸質量，繼續(xù)支持面板可插拔模塊；單板內采用嵌入式光模塊，即相干光模塊與單板信號處理芯片盡量靠近，如圖1所示。相干光模塊功耗增長呈螺旋式上升趨勢，冷板式液冷技術等先進散熱技術將逐步引入。光模塊速率演進的驅動力是提升波特率和減少光電通道數來降低比特傳輸成本。當光域波特率達到400GBd以上時，考慮到性價比，有可能采用雙波長并行架構實現(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，各種新材料器件研究也成為熱門，如高電光系數的鉭酸鋰、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、有機聚合物、石墨烯等。光器件新材料的應用需要有成本或性能優(yōu)勢，以硅光技術為平臺，集成其他新材料實現(xiàn)取長補短是重要的技術發(fā)展方向。光收發(fā)器件材料特性如表1所示，其中硅光+薄膜鈮酸鋰的異質集成可能是未來相干光器件的主流技術路線，其支持實現(xiàn)S+C+L一體化，支持2030年左右所需的400GBd+波特率：發(fā)送端硅光無源元件支持多波段工作，薄膜鈮酸鋰波導僅為調制部分，帶寬可達200GHz以上；接收端采用熱調相位實現(xiàn)多波段90°相位差的精確混頻，鍺探測器通過降低光生載流子渡越時間和優(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芯片之間高速信號互聯(lián)優(yōu)化是光器件封裝演進的驅動力，光電子器件將借鑒集成電路行業(yè)封裝技術，如銅凸點、銅銅鍵合、芯片通孔、集成電容、有機基板、類載板、玻璃基板等技術，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，以及在封裝工藝過程中需做好光芯片耦合面的防護。近中期光電子器件封裝架構有可能是光芯片作為中介板，調制驅動和探測跨阻放大芯片倒裝在光芯片之上，接口高速信號通過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焊接的方式以實現(xiàn)較短的傳輸路徑和較小的寄生效應，DSP芯片和光電芯片共基板進行封裝。圖2給出了中長期相干光器件一種可能的極簡形態(tài)：采用扇出晶圓級封裝工藝，相干DSP芯片集成控制管理、調制驅動/跨阻放大、電容功能，相干DSP倒裝，和光芯片通過重布線層互聯(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，推動核心器件在芯片材料、架構方案、封裝工藝上不斷創(chuàng)新。目前中興通訊已實現(xiàn)C+L一體化相干光模塊。展望未來，T比特級光器件有望采用硅光+薄膜鈮酸鋰的異質集成技術實現(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