Transceptor óptico de fotónica de silicio (SiPh): preguntas y respuestas

El módulo óptico es una parte importante de la red de comunicación óptica. Es un dispositivo óptico activo con un láser como portador y fibra óptica como medio de transmisión. Su función principal es realizar la conversión fotoeléctrica. En la actualidad, los módulos ópticos tradicionales están empaquetados principalmente por chips semiconductores III-V, chips de silicio de circuito de alta velocidad, componentes ópticos y otros dispositivos, que pertenecen esencialmente a la "interconexión eléctrica". Con la reducción gradual del tamaño del procesamiento del transistor, la interconexión eléctrica enfrentará gradualmente el cuello de botella de la transmisión, por lo que surgió la tecnología fotónica de silicio.

1. ¿Cuál es el silicon ptransceptor óptico hotonics?

En pocas palabras, el transceptor fotónico de silicio integra la conversión y transmisión fotoeléctrica en un chip de silicio mediante el uso de tecnología fotónica de silicio. La idea central de la tecnología óptica de silicio es "reemplazar la electricidad con luz", es decir, usar un rayo láser en lugar de una señal electrónica para transmitir datos e integrar dispositivos ópticos y componentes electrónicos en un microchip independiente.

La fotónica de silicio tiene las características de bajo consumo de energía, alta integración y alta velocidad, que es la tecnología de comunicación óptica clave en la era posterior a Moore. Según el Plan de desarrollo de la industria de fotónica de silicio de Intel, la industria de módulos ópticos de silicio ha entrado en un período de rápido desarrollo. En 2022, la tecnología fotónica de silicio superará ampliamente a los módulos ópticos tradicionales en términos de velocidad máxima por segundo, consumo de energía y costo.

Según los datos de LightCounting, una empresa de investigación de mercado, ha llegado el punto de inflexión de la tecnología fotónica de silicio para cambiar la industria de los dispositivos ópticos. En 2025, la escala de mercado de módulos ópticos de fotónica de silicio estará cerca de los $ 6 mil millones, y la participación aumentará del 14% en 2018-2019 al 45% en 2025. En los próximos cuatro años, el mercado logrará un crecimiento de dos dígitos .

2. ¿Cuáles son los pros y contras de las silicon ptransceptor óptico hotonics?

Ventajas del transceptor de fotónica de silicio:

En general, la tecnología fotónica de silicio tiene tres ventajas: bajo consumo de energía, alta integración y alto ancho de banda de transmisión.

• En comparación con los dispositivos discretos tradicionales, el módulo óptico con tecnología fotónica de silicio se basa en el proceso de fabricación CMOS. El proceso de grabado se puede utilizar en el sustrato de silicio para procesar rápidamente, reducir en gran medida el volumen y optimizar aún más el costo del material, el costo del chip y el costo del empaque. Al mismo tiempo, la tecnología óptica de silicio puede realizar pruebas por lotes a través de pruebas de obleas y otros métodos, y la eficiencia de las pruebas mejora significativamente.

400GDR4 Diagrama del transceptor óptico Silicon Photonics

• La tecnología fotónica de silicio utiliza rayos láser en lugar de señales electrónicas para transmitir datos e integra dispositivos ópticos y componentes electrónicos en un microchip separado, reemplazando los cables de cobre con luz como medio de conducción de información en un chip de silicio para mejorar la velocidad de chip a chip. conexiones
• En comparación con los sistemas que transmiten señales eléctricas a través de cables de cobre, los sistemas basados ​​en comunicaciones ópticas transmiten señales ópticas a través de líneas de fibra óptica, lo que hace que los datos sean más rápidos y eficientes. Además, los formatos de modulación óptica avanzados, así como las técnicas de detección coherentes, mejoran la eficiencia espectral. La cobertura de silicio óptico desde el chip hasta las redes de área local (LAN) y las redes de área amplia (WAN) puede superar una distancia de transmisión de 100 km.

Desventajas del transceptor de fotónica de silicio:

Debido a la gran pérdida de inserción del transceptor de fotónica de silicio, puede mantener una fiabilidad suficiente solo en transmisiones de corta distancia. Por lo tanto, es difícil para la tecnología fotónica de silicio realizar la integración de dispositivos funcionales activos (fuente de luz y amplificador óptico) en poco tiempo, y todavía existen obstáculos para la comercialización a gran escala.

Los módulos ópticos, especialmente los módulos ópticos de alta velocidad, representan del 50% al 60% del costo de los equipos de redes de comunicación. La selección y el costo de los módulos ópticos afectarán directamente el costo total de construcción de la red. El alto costo de los módulos ópticos se ha convertido en un problema clave que dificulta el desarrollo de la comunicación óptica. En el costo del módulo óptico, el 40% es el chip óptico, de los cuales aproximadamente el 20% es el láser. Si el costo del láser se ahorra en 3/4, el costo total se puede reducir en un 15% y parte de la mano de obra y los costos de los componentes se pueden reducir al mismo tiempo.

Los principales tipos de láseres en el módulo óptico son VCSEL, FP, DFB, DML y EML. Los diferentes tipos de láseres tienen diferentes longitudes de onda de trabajo, modos y entornos de aplicación. En la actualidad, la ruta técnica de los productos comerciales de integración óptica se divide principalmente en InP y Si. Entre ellos, DFB, DML, EML y otros láseres son tipos InP. Aunque la tecnología es relativamente madura, el costo es alto e incompatible con el proceso CMOS (proceso de circuito integrado). Sin embargo, el dispositivo óptico de silicio tipo Si adopta el proceso COMS para realizar la integración monolítica de dispositivos optoelectrónicos pasivos y circuitos integrados, que pueden integrarse a gran escala y tienen las ventajas de alta densidad y bajo costo. Pero hay un inconveniente: aunque los chips fotónicos de silicio son compatibles con los procesos CMOS, el rendimiento del producto dificulta la producción a gran escala de transceptores fotónicos de silicio.

3. ¿Cuáles son los Campos de Aplicación y Mercados de la Silicon Ptransceptor óptico hotonics?

Entre los productos de módulos ópticos de fotónica de silicio que se envían actualmente, hay dos categorías principales: módulos ópticos de centro de datos de corto alcance y módulos ópticos coherentes de telecomunicaciones de mediano y largo alcance. En módulos ópticos coherentes CWDM100 de corto alcance de 4G y 100G de alcance medio y largo, la óptica de silicio tiene una pequeña ventaja de costo. Sin embargo, en el escenario con una tasa superior a 400G, el costo del láser DML tradicional y el láser EML es alto, mientras que el transceptor de fotónica de silicio integra chips ópticos / eléctricos como láser multicanal, modulador y detector multicanal en la fotónica de silicio. chip, que reduce enormemente el volumen y tiene obvias ventajas económicas. Por lo tanto, la tecnología fotónica de silicio se utiliza principalmente en velocidades de transmisión de 400G o incluso 800G.

400G DR4: la forma básica de 400G Silicon Photonics Módulos:

400G QSFP-DD DR4 es un módulo transceptor óptico diseñado para la interconexión de centros de datos Ethernet 400G en factor de forma 400G QSFP-DD (Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density). En el extremo del transmisor, este módulo DR4 convierte 8 canales de señal eléctrica de 50 Gb / s (PAM4) en 4 canales de datos de salida óptica paralelos, cada uno con una velocidad de datos de 100 Gb / s para un ancho de banda agregado de 400 Gbls. En el lado del receptor, el transceptor óptico convierte 4 carriles de datos ópticos paralelos de 100 Gbp / s cada carril para un agregado de 400 Gbp / s para admitir 8 carriles de señal de salida eléctrica PAM50 de 4 Gb / s.

El módulo de fibra 400G QSFP-DD DR4 logra la transmisión a través de SMF (fibra monomodo) con un conector MPO-12. Admite una distancia máxima de transmisión de 500 metros en una longitud de onda central de 1310 nm. El producto está diseñado con funciones de diagnóstico digital de acuerdo con el Acuerdo de múltiples fuentes (MSA) QSFP-DD.

Actualmente, la aplicación más importante para los productos de fotónica de silicio siguen siendo los centros de datos, y los transceptores de fotónica de silicio de 400G están comenzando a pasar de envíos de pequeño volumen en 2020 a envíos de gran volumen en 2021. El futuro de los transceptores de fotónica de silicio es prometedor.