L'impact du packaging de modules optiques haute vitesse 400G et 800G sur la bande passante

Dans les modules Ethernet haut débit fonctionnant à 400G, 800G et 1.6T, le marché du VCSEL, de l'EML et de la photonique sur silicium devrait croître.

La bande passante RF globale doit être prise en compte pour les VCSEL à haut débit, qui sont actuellement utilisés dans les canaux PAM100 4G, les modules 4x100G 400G et les modules 8x100G 800G. L’impact sur la bande passante va au-delà du simple niveau de conception de la puce, car l’aspect packaging joue également un rôle crucial.

De même, l’industrie examine également de près l’impact sur la bande passante du packaging EML.

La capacité de la jonction PN est un aspect important dans la conception des puces des VCSEL et EML qui affectent la bande passante.

Les normes basées sur 100G/canal pour 400G et 800G sont actuellement en cours de discussion dans 802.3df et devraient être publiés d'ici la fin de 2024.

Les normes pour 400G, 800G et 1.6T basées sur 200G/canal devraient être publiées en 2026.

Bien que les normes ne soient pas encore finalisées, les technologies sous-jacentes peuvent être retracées. Par exemple, l'application multimode 800G en 802.3df et le 400G Les applications du 802.3db récemment publié utilisent toutes deux le 100G PAM4 VCSEL, le 802.3df utilisant 8 canaux et le 802.3db utilisant 4 canaux, partageant un terrain d'entente dans la conception et le conditionnement des puces.

De même, l'EML 100G utilisé dans la norme 2021cu publiée en 802.3 peut être mis à l'échelle pour prendre en charge la norme 800G 802.3df actuellement en discussion.

Concernant le 802.3dj, la technologie clé du 200G EML, qui a été mentionnée pour la première fois, peut être explorée à travers des expériences et des essais en cours, car il existe de nombreux exemples de conception et de cas de conditionnement de puces 200G EML.

L'impact du packaging sur la bande passante est limité par la fréquence de résonance LC, où l'inductance parasite L est principalement provoquée par les fils de liaison. L'adoption d'une approche de conditionnement à puce retournée peut réduire la LC et améliorer la bande passante globale de l'appareil.

EML et VCSEL proposent désormais des options de packaging flip-chip. Pour l'EML, la lumière est émise sur le côté, de sorte que le chemin optique dans le substrat à puce retournée n'est pas un problème. Pour les VCSEL, qui sont les plus émetteurs, l’approche flip-chip doit prendre en compte l’impact sur les chemins électriques et optiques.

Si le VCSEL est à émission supérieure, un substrat en verre (COG, Chip-on-Glass) peut être utilisé, qui sert à la fois d'interface électrique et optique.

La bande passante des puces EML et VCSEL est également affectée par la température, car des températures plus élevées peuvent entraîner une réduction de la bande passante. Pour les VCSEL à émission par le bas avec boîtier à puce retournée, en plus de répondre aux changements de bande passante induits par la résonance LC, le boîtier peut également contribuer à réduire la température, améliorant ainsi encore la bande passante.

Pour les VCSEL à émission par le bas, l'emballage peut utiliser des substrats opaques comme le COC/COB, ce qui constitue un avantage.

L'approche VCSEL à émission par le bas peut réduire davantage la capacité de la jonction PN, car le métal P peut être utilisé pour compléter la cavité résonante, ce qui permet de réduire la hauteur du semi-conducteur de type P et, par conséquent, la zone de jonction PN, dans le cadre des contraintes de fiabilité. En résumé, cette approche offre des avantages en termes d'impact de la jonction PN, de la température et du conditionnement sur la bande passante.

Le défi réside dans l'émission de lumière VCSEL à partir du substrat, car le matériau GaAs traditionnel n'est pas transparent à 850 nm. Les solutions incluent soit le remplacement du substrat par un matériau transparent à 850 nm, soit le déplacement de la longueur d'onde d'émission à 940 nm, qui est transparent au GaAs.