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數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)發(fā)展方向

摘要:隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)商用,數(shù)據(jù)中心流量和帶寬成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。目前市場(chǎng)上對(duì)數(shù)據(jù)中心光模塊的要求可以歸納為低價(jià)格,低功耗,高速率,高密度,短周期,窄溫度。

  ICCSZ訊 隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)商用,數(shù)據(jù)中心流量和帶寬成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),根據(jù)思科預(yù)測(cè),全球數(shù)據(jù)中心IP流量將從2015年的每年4.7ZB增長(zhǎng)到2020年每年15.3ZB,年復(fù)合增長(zhǎng)率約為27%。而根據(jù)LightCounting預(yù)測(cè),到2019年數(shù)據(jù)中心光模塊銷量將超過5000萬只,市場(chǎng)規(guī)模有望在2021年達(dá)到49億美元,這將是光模塊廠商的一個(gè)巨大的機(jī)遇。同時(shí)我們也可以看到光模塊在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用與傳統(tǒng)電信傳輸市場(chǎng)有一些區(qū)別,在這里簡(jiǎn)單的聊一下數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)發(fā)展方向。

  目前市場(chǎng)上對(duì)數(shù)據(jù)中心光模塊的要求可以歸納為低價(jià)格,低功耗,高速率,高密度,短周期,窄溫度。稍微解讀一下:

  - 低價(jià)格:數(shù)據(jù)中心大量使用光模塊的基礎(chǔ),也是推動(dòng)數(shù)據(jù)中心發(fā)展的動(dòng)力;

  - 低功耗:順應(yīng)人類綠色發(fā)展的理念,在保護(hù)環(huán)境的前提下推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展;

  - 高速率:滿足日益增長(zhǎng)的云計(jì)算,大數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)通信的要求;

  - 高密度:提高單位空間內(nèi)光傳輸信道的數(shù)量,達(dá)到提高數(shù)據(jù)傳輸容量的目的;

  - 短周期:近期數(shù)據(jù)通信急速發(fā)展的特征,一般生命周期為3-5年;

  - 窄溫度:數(shù)據(jù)中心光模塊的應(yīng)用都是在有溫濕度控制的室內(nèi),因此有用戶提議工作溫度可定義成15度到55度之間比較窄的溫度范圍 -- 這是一種量體裁衣的合理做法。

  宏觀上來講,數(shù)據(jù)中心光模塊市場(chǎng)是一個(gè)根據(jù)實(shí)際要求,合理地定義光模塊壽命及工作條件,充分優(yōu)化光模塊性價(jià)比的市場(chǎng)。由于數(shù)通網(wǎng)絡(luò)的開放性趨勢(shì),這個(gè)市場(chǎng)具有積極開放,歡迎導(dǎo)入新技術(shù)的特征,以及探討新標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用條件的氛圍。這一切為數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)的發(fā)展提供了絕好的條件。本文試著列舉一些數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)的發(fā)展方向,供大家參考。

  非氣密封裝

  由于光組件(OSA)的成本占光模塊成本的60%以上,加之光芯片降成本的空間越來越小,最有可能降低成本的是封裝成本。在保證光模塊性能及可靠性的同時(shí),推動(dòng)封裝技術(shù)從比較昂貴的氣密封裝走向低成本的非氣密封裝成為必須。非氣密封裝的要點(diǎn)包括光器件自身的非氣密性,光組件設(shè)計(jì)的優(yōu)化,封裝材料以及工藝的改進(jìn)等。其中以光器件特別是激光器的非氣密化最為挑戰(zhàn)。這是因?yàn)槿绻す馄骷?shí)現(xiàn)了非氣密化,昂貴的氣密封裝的確就不需要了??上驳氖?,近幾年來已經(jīng)有數(shù)家激光器廠家公開宣稱自己的激光器可以適用于非氣密應(yīng)用??v觀現(xiàn)在大量出貨的數(shù)據(jù)中心光模塊,多是以非氣密封裝為主。看來非氣密封裝技術(shù)已經(jīng)很好地被數(shù)據(jù)中心光模塊業(yè)界及客戶接受。

  混合集成技術(shù)

  在多通道,高速率,低功耗需求的驅(qū)動(dòng)下,相同容積的光模塊需要具備更大的數(shù)據(jù)傳輸量,光子集成技術(shù)漸漸地成為現(xiàn)實(shí)。光子集成技術(shù)的意義較廣:比如說基于硅基的集成(平面光波導(dǎo)混合集成,硅光等),基于磷化銦的集成等。混合集成技術(shù)通常是指將不同材料集成在一起。也有將部分自由空間光學(xué)和部分集成光學(xué)的構(gòu)造叫做混合集成,也未嘗不可。典型的混合集成是將有源光器件(激光器,探測(cè)器等)集成到具有光路連接或者其他一些無源功能(分合波器等)的基板上(平面光波導(dǎo),硅光等)?;旌霞杉夹g(shù)可以將光組件做得很緊湊,順應(yīng)光模塊小型化趨勢(shì),方便使用成熟自動(dòng)化IC封裝工藝,有利于大量生產(chǎn),是近期數(shù)據(jù)中心用光模塊行之有效技術(shù)的方法。

  倒裝焊技術(shù)

  倒裝焊是從IC封裝產(chǎn)業(yè)而來的一種高密度芯片互聯(lián)技術(shù)。在光模塊速率突飛猛進(jìn)的今天,短縮芯片之間的互聯(lián)是一個(gè)有效的選項(xiàng)。通過金-金焊或者共晶焊將光芯片直接倒裝焊到基板上,比金線鍵合的高頻效果要好得多(距離短,電阻小等)。另外對(duì)于激光器來說,由于有源區(qū)靠近焊點(diǎn),激光器產(chǎn)生的熱比較容易從焊點(diǎn)傳到基板上,對(duì)于提高激光器在高溫時(shí)的效率有很大幫助。因?yàn)榈寡b焊是IC封裝產(chǎn)業(yè)的成熟技術(shù),已經(jīng)有很多種用于IC封裝的商用自動(dòng)倒裝焊機(jī)。光組件因?yàn)樾枰饴否詈希虼藢?duì)精度要求很高。這幾年光組件加工用高精度倒裝焊機(jī)十分搶眼,許多情況下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無源對(duì)光,極大地提高了生產(chǎn)力。因?yàn)榈寡b焊(也叫自動(dòng)邦定貼片)機(jī)具有高精度,高效率,高品質(zhì)等特點(diǎn),倒裝焊技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心光模塊業(yè)界的一種重要工藝。

  COB(Chip On Board)技術(shù)

  COB也是從IC封裝產(chǎn)業(yè)而來的工藝,其原理是通過膠貼片工藝(epoxy die bonding)先將芯片或光組件固定在PCB上,然后金線鍵合(wirebonding)進(jìn)行電氣連接,最后頂部滴灌膠封。很顯然,這是一種非氣密封裝。這種工藝的好處是可以使用自動(dòng)化。比如說光組件通過倒裝焊等混合集成以后,可以看成是一個(gè)“芯片”。然后再采用COB技術(shù)將其固定在PCB上。目前COB技術(shù)已經(jīng)得到大量采用,特別是在短距離數(shù)據(jù)通信使用VCSEL陣列的情況。集成度高的硅光也可以使用COB技術(shù)來進(jìn)行封裝。

  硅光

  探討光電子器件與硅基集成電路技術(shù)兼容的技術(shù)和手法,集成在同一硅襯底上的一門科學(xué)。硅光技術(shù)最終會(huì)走向光電集成(OEIC:Opto-Electric Integrated Circuits),使得目前分離光電轉(zhuǎn)換(光模塊)變成光電集成中的局部光電轉(zhuǎn)換,更進(jìn)一步推動(dòng)系統(tǒng)的集成化。硅光技術(shù)當(dāng)然可以實(shí)現(xiàn)很多功能,但目前比較耀眼的還是硅調(diào)制器。從產(chǎn)業(yè)界來說,一種新技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)的門檻必須是性能及成本都有競(jìng)爭(zhēng)力,這對(duì)于需要巨大前期投入的硅光技術(shù)來說的確是很大的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心光模塊市場(chǎng),由于大量需求集中在2公里以內(nèi),加之低成本、高速率、高密度等的強(qiáng)烈要求,比較適合硅光的大量應(yīng)用。個(gè)人認(rèn)為在100G速率,傳統(tǒng)光模塊已經(jīng)做得十分成功,硅光要大量進(jìn)入不太容易。但在200G,400G以上速率,由于傳統(tǒng)直接調(diào)制式已經(jīng)接近帶寬的極限,EML的成本又比較高,對(duì)硅光來說將會(huì)是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。硅光的大量應(yīng)用也取決于業(yè)界對(duì)技術(shù)的開放與接受程度。如果在制定標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議時(shí)考慮到硅光的特點(diǎn),在滿足傳輸條件的前提下放松一些指標(biāo)(波長(zhǎng),消光比等),這將會(huì)極大地促進(jìn)硅光的發(fā)展和應(yīng)用。

  板載光學(xué)(OnBoard Optics)

  如果說OEIC是究極的光電集成方案,板載光學(xué)則是介于OEIC和光模塊之間的一項(xiàng)技術(shù)。板載光學(xué)將光電轉(zhuǎn)換功能從面板搬到主板處理器或者關(guān)聯(lián)電芯片之旁。因?yàn)楣?jié)省空間而提高了密度,也減少高頻信號(hào)的走線距離,從而降低功耗。板載光學(xué)最開始主要是集中在采用VCSEL陣列的短距離多模光纖中,然而最近也有采用硅光技術(shù)在單模光纖里的方案。除了單純光電轉(zhuǎn)換功能的構(gòu)成以外,也有將光電轉(zhuǎn)換功能(I/O)和關(guān)聯(lián)電芯片(processing)封裝在一起的形式(Co-package)。板載光學(xué)雖具有高密度的優(yōu)點(diǎn),但制造,安裝,維護(hù)成本還較高,目前多是應(yīng)用在超算領(lǐng)域。相信隨著技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)的需要,板載光學(xué)也會(huì)逐漸進(jìn)入到數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)領(lǐng)域內(nèi)來。

  為了迎接即將到來的數(shù)據(jù)中心紅利挑戰(zhàn),光迅科技已經(jīng)推出完整的25G/100G產(chǎn)品族,為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互連提供一攬子的產(chǎn)品解決方案。同時(shí)為了給客戶提供更多高性價(jià)比的互連方案,光迅科技將在2017 CIOE重磅推出100G PSM4硅光產(chǎn)品和400G 數(shù)據(jù)通信系列產(chǎn)品。

  作者:光迅科技數(shù)據(jù)與接入技術(shù)總監(jiān) 陳奔

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