高速大容量光傳輸關注光信號調制器

光通信器件按其在信息流中的不同作用可分為五大類: 光信號產生, 光信號調制, 光信號傳輸, 光信號處理, 光信號探測. 光發射環節中, 光信號調制是不可缺少的一環. 電光調制器把電子信號加載至光載波上的關鍵功能器件. 它的性能不僅決定了發射光信號的碼率,質量和傳輸距離, 並且也是光模組尺寸和功耗的決定性因素.

目前光模組中矽光晶片主要整合了調制, 探測, 波導, 耦合等功能, 同時將多路調制集成單顆晶片中. 僅美國 Intel 公司通過片上鍵合異質集成技術實現光源集成的量產. 電光調制器是改變光信號強度, 頻率或相位的關鍵元件, 完成從電信號到光信號的轉換功能.

行業內光調制的技術主要有三種: 基於矽光, 磷化銦和鈮酸鋰材料平台的電光調制器. 矽光調制器主要是應用在短程的數據通信用收發模組中, 磷化銦調制器主要用在中距和長距光通信網絡收發模組, 鈮酸鋰電光調制器主要用在 100Gbps 以上的長距骨幹網相干通訊和單波 100/200Gbps 的超高速數據中心中.

從光模組/光晶片的技術趨勢上來說, 目前行業主流仍然以可插拔光模組為主, 採用光電共封裝 CPO 技術的光模組仍處於產業化初期. 超高速光通信調制器晶片與模組是用於長途相干光傳輸和超高速數據中心的核心光器件, 有望跟隨光網絡設備市場持續保持增長.

鈮酸鋰調制器有望迎來較大的發展機遇. 高速電光調制器是大容量光纖傳輸網絡和高速光電信息處理系統中的關鍵組件, 薄膜鈮酸鋰電光調制器具有頻帶寬, 穩定性好, 信噪比高, 傳輸損耗小, 工藝成熟等優點, 是未來電光調制器市場的重要產品.

當前鈮酸鋰領域主要以 IDM 模式 (設計, 生產一體化) 為主, 進入壁壘高. 鈮酸鋰調制器類產品設計難度大, 工藝極其複雜. 在設計, 制造工藝, 封裝等各個環節, 均存在較高的門檻,屬於技術高, 資金重, 周期長的行業, 較難有輕資產公司走出來.

IDTechEx 報告, 探討了薄膜鈮酸鋰和鈦酸鋇等新興 PIC 材料及新應用. AI 光收發器有望成為 PIC 的最大需求來源, 雖然矽仍然佔據主導地位, 但幾種新興材料正在受到關注, 薄膜鈮酸鋰 (TFLN)  具有適度的電光效應和較低的材料損耗, 使其成為高性能調製應用的理想選擇.

EML 雷射具有高速, 高效, 低雜訊等優點, 廣泛應用於光纖通訊, 光學成像, 光學感測等領域. DML 雷射具有低成本, 低功耗, 易於整合等優點, 廣泛應用於光纖通訊, 光運算, 光感測等領域. EML 和DML雷射的差異主要在於它們的工作機制和光譜範圍.

傳統光模組採用直接調制雷射 (DML) 或電吸收調制器 (EML) 等調制器, 這可能導致高速長距場景下的信號失真或額外能耗; EML 雷射由於使用外部調制器, 因此可以以更高的速率工作. 而 DML 雷射由於使用直接調制器, 因此工作速率通常較低.

電光調制器是改變光信號強度, 頻率或相位的關鍵元件, 完成從電信號到光信號的轉換功能. 常用的矽光調制器包括馬赫-曾德爾調制器 (MZM), 微環調制器 (MRM), 布拉格光柵調制器. 矽光是典型的外調制類型, 且目前主流採用光源和調制器分立的方案.

矽光光模組中的電光調制屬於外調制方式, 即雷射的注入電流恒定, 雷射輸出連續光, 調制信號加載到外調制器上, 在電場的作用下, 外調制器進行光強和相位的調制. MZM 調制器是近十年來研究最多的矽光調制器之一, 一般被認為是提高下一代數據中心光網絡, 5G 光模組速率的主要方案.

目前矽光光模組多採用外置 CW 雷射, 一方面較 EML 雷射晶片可獲得成本上的優勢, 另一方面外置雷射方案與矽光晶片的耦合帶了新的挑戰; 調制器部分, 隨著光模組速率提升, 不同於 EML 方案中的 EA 調制, 矽光光模組多採用 MZM 方案.