短距離 (SR) 光通訊發展趨勢

光通訊正在向短距離傳輸領域滲透的趨勢已經顯而易見. 業界最近採用共封裝光技術來解決模組內部和晶片之間的光互連問題. 下圖列出了光通訊在不同傳輸距離以及向更短距離的滲透的典型應用場景. 越來越多的光通訊應用轉向短程並非巧合, Cisco 幾年前就預測到了這個趨勢, 並且得到了證實.

IEEE 將短距離 (SR) 定義為約100m,  在接下來的介紹中將 100m~100km區間內的所有光通信定義為短距離光通信. 也就是上圖紅色圈起來的部分, 當然叫短距離光通訊比較適合. 對於100m 以內的光通信, 應該叫短程光互連, 指的是系統內, 板間, 板內互連.

短距離光通訊根據傳輸距離由近到遠進一步細分, 包含 SR, DR, FR, LR, ER, ZR 等場景. 對於 100m 來說, 主要是採用 850nm VCSEL 光源的多模傳輸技術. 對於 500m 到 2km, 普遍採用單模傳輸技術, 光源更加多樣化, 可以是 1310nm DML, SiP 甚至 EML. 對於 10~40公里, 需要1310/1550nm EML 甚至 MZM.

光模組的分類有多種, 例如依照封裝方式, 速率, 傳輸距離, 調變格式, 是否支援波分複用 (WDM) 應用, 光介面工作模式, 工作溫度範圍等分類. 封裝方式的演進最能直觀地體現光模組高速化, 小型化的演進趨勢. 從 SFP 封裝到 QSFP, QSFP-DD封裝, 速率從 1Gbps 提升到800Gbps.

光模組產業鏈上游光電晶片供應商眾多, 但高階光晶片和電學晶片技術壁壘較高, 研發成本較高. 光模組產業位於產業鏈中游, 屬於技術壁壘相對較低的封裝環節, 受到產業鏈上下游的壓力, 議價能力相對較弱, 產業內競爭激烈. 中國企業憑藉著勞動成本, 市場規模以及設備製造商和營運商的支援等優勢, 已經佔據了全球光模組市場的半壁江山.

除了 PCB 板或背板之外, 實現高速連接的方式還有很多, 不一定需要光模組. 根據不同的傳輸距離, 成本以及佈線靈活性要求, 主要的連接方式有 Direct Attach Cable (DAC),  Active Copper Cable (ACC), Active Optical Cable (AOC), 光收發模組 (Optical Module) 連接等幾種方式.

被動式銅纜 (DAC) 和主動光纜 (AOC) 是資料中心和企業網路互連的兩種重要佈線解決方案, AOC 和 DAC 都是即插即用的. DAC 和AOC 通常用於資料中心, 高效能電腦, 大容量儲存裝置所需的高速, 高可靠性互連和傳輸. 它們的兩端都有帶有工廠端接收發器的電纜組件, 僅連接到固定連接埠.

光收發器中大多數雷射的選擇, 有 VCSEL, DFB, EML 等晶片. 諧振器 (用於干涉放大的腔) 決定放大哪些波長. 諧振腔和增益材料選擇相同類型的材料體系, 例如 VCSEL 的 GaAs 材料體系, DFB 的 InP 材料體系等. 光模組中的 VCSEL 是多模雷射器, 也就是說有多個亮點.單模雷射通常從側面發射.

在 400G, 800G 和 1.6T 高速乙太網路模組中, VCSEL, EML和矽光子市場預計將成長. 高速VCSEL 需考慮整體射頻頻寬, 目前高速 VCSEL 用於 100G PAM4 頻道, 4x100G 400G 模組和8x100G 800G 模組. 頻寬影響不僅限於晶片設計層面, 封裝方面也起著至關重要的作用.

隨著新技術的出現和大規模資料傳輸的需求, 傳統的 100G, 200G, 400G 光模組已經無法完全滿足市場需求. 為了滿足日益增長的頻寬需求, 800G光模組正在成為趨勢. 800G 光模組的應用場景日益多樣化, 涵蓋乙太網路, CWDM/DWDM, 連接器, 光纖通道, 有線/無線存取等多個領域.

800G 技術解決方案的演進包括三代. 第一代 8x100G 光接口和 8x100G 電接口, 2021 年商用; 第二代具有 4x200G 光介面和 8x100G 電接口. 預計商用時間為 2024年; 第三代具有 4x200G光介面和 4x200G 電接口, 預計2026年商用. 800G 光模組的光介面架構主要有3種, 分別是8x100G PAM4, 4x200G PAM4 和 800G 相干光模組.

8x100G 直調直檢方案可以利用現有技術與標準相對成熟, 供應鏈相對完整的技術架構. 在 SR 場景下, VCSEL 100G技術面臨挑戰. 提高多模解決方案的效能並降低多模光纖的成本將成為此技術持續演進的關鍵因素. 以矽光子 (SiPh) 和直接調製雷射 (DML) 為代表的單模技術發展迅速
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矽光子技術具有低功耗, 高整合度, 高傳輸頻寬三大優勢. 與傳統分立元件相比, 矽光子技術下的光模組基於 CMOS 製造製程. 刻蝕製程可在矽基板上進行快速加工, 大幅縮小體積, 進一步優化材料成本, 晶片成本, 封裝成本. 同時, 矽光技術可以透過晶圓測試等方式進行批量測試, 測試效率顯著提高.

在資料中心網路中, 交換晶片的效能和頻寬是一個非常重要的因素, 而交換晶片的效能和頻寬取決於其內部的 SerDes 電路, SerDes 電路是將串列資料轉換為平行資料或將平行資料轉換為串行數據, 並實現高速, 低功耗和低延遲的數據通訊. 800G 光纖可以使用不同的 SerDes 配置來實現.

北美光模組市場來看, 未來幾年基本上分為兩部分, 一部分是傳統的資料中心需求, 另一部分是由於 AI 崛起帶來的新需求. 預計 2024~2025 年, 人工智慧的新增需求可能會超過傳統資料中心的需求. 2024 年 400G 和 800G 的成長將來自於超級運算驅動的需求成長, CPO 和可插拔模組在未來很長一段時間內將共存.

目前光整合商用產品的技術路線主要分為 III-V 族和 Si 兩大陣營, 其中 DFB, DML, EML 等雷射屬於 InP 陣營, 技術相對成熟, 但成本較高, 且與 CMOS 製程不相容. 而 Si 矽光電元件則採用 COMS 工藝, 實現被動光電器件與積體電路的單晶片集成, 可大規模整合. 矽光介面封裝正處於早期階段, 矽光子收發器封裝難度高, 良率低.