Émetteur-récepteur optique Silicon Photonics (SiPh) : questions et réponses

Le module optique est une partie importante du réseau de communication optique. Il s'agit d'un dispositif optique actif avec un laser comme support et une fibre optique comme support de transmission. Sa fonction principale est de réaliser la conversion photoélectrique. À l'heure actuelle, les modules optiques traditionnels sont principalement conditionnés par des puces semi-conductrices III-V, des puces de silicium de circuit à grande vitesse, des composants optiques et d'autres dispositifs, qui appartiennent essentiellement à «l'interconnexion électrique». Avec la réduction progressive de la taille de traitement des transistors, l'interconnexion électrique sera progressivement confrontée au goulot d'étranglement de la transmission, c'est pourquoi la technologie photonique au silicium a vu le jour.

1. Quel est le silicone pémetteur-récepteur optique hotonics?

En termes simples, l'émetteur-récepteur photonique au silicium doit intégrer la conversion et la transmission photoélectriques sur une puce au silicium en utilisant la technologie photonique au silicium. L'idée centrale de la technologie optique au silicium est de "remplacer l'électricité par la lumière", c'est-à-dire d'utiliser un faisceau laser au lieu d'un signal électronique pour transmettre des données, et d'intégrer des dispositifs optiques et des composants électroniques dans une micropuce indépendante.

La photonique sur silicium présente les caractéristiques d'une faible consommation d'énergie, d'une intégration élevée et d'un débit élevé, ce qui est la technologie de communication optique clé de l'ère post-Moore. Selon le plan de développement de l'industrie de la photonique sur silicium d'Intel, l'industrie des modules optiques au silicium est entrée dans une période de développement rapide. En 2022, la technologie photonique au silicium dépassera largement les modules optiques traditionnels en termes de vitesse de pointe par seconde, de consommation d'énergie et de coût.

Selon les données de LightCounting, une société d'études de marché, le tournant de la technologie photonique sur silicium pour changer l'industrie des dispositifs optiques est arrivé. En 2025, l'échelle du marché des modules optiques photoniques sur silicium atteindra près de 6 milliards de dollars, et la part passera de 14 % en 2018-2019 à 45 % en 2025. Au cours des quatre prochaines années, le marché atteindra une croissance à deux chiffres. .

2. Que sont les avantages et les inconvénients des silicone pémetteur-récepteur optique hotonics?

Avantages de l'émetteur-récepteur photonique au silicium :

En général, la technologie photonique sur silicium présente trois avantages : une faible consommation d'énergie, une intégration élevée et une bande passante de transmission élevée.

• Par rapport aux dispositifs discrets traditionnels, le module optique sous technologie photonique silicium est basé sur le procédé de fabrication CMOS. Le processus de gravure peut être utilisé sur le substrat de silicium pour traiter rapidement, réduire considérablement le volume et optimiser davantage le coût du matériau, le coût de la puce et le coût de l'emballage. Dans le même temps, la technologie optique au silicium peut effectuer des tests par lots via des tests de plaquettes et d'autres méthodes, et l'efficacité des tests est considérablement améliorée.

400G DR4 Schéma de l'émetteur-récepteur optique Silicon Photonics

• La technologie photonique au silicium utilise des faisceaux laser au lieu de signaux électroniques pour transmettre des données, et intègre des dispositifs optiques et des composants électroniques dans une micropuce séparée, remplaçant les fils de cuivre par de la lumière comme support de conduction d'informations sur une puce de silicium pour améliorer la vitesse de puce à puce Connexions.
• Par rapport aux systèmes qui transmettent des signaux électriques sur des fils de cuivre, les systèmes basés sur la communication optique transmettent des signaux optiques sur des lignes à fibre optique, ce qui rend les données plus rapides et plus efficaces. De plus, des formats de modulation optique avancés, ainsi que des techniques de détection cohérentes, améliorent l'efficacité spectrale. La couverture du silicium optique de la puce aux réseaux locaux (LAN) et aux réseaux étendus (WAN) peut dépasser une distance de transmission de 100 km.

Inconvénients de l'émetteur-récepteur photonique au silicium :

En raison de la grande perte d'insertion de l'émetteur-récepteur photonique au silicium, il ne peut maintenir une fiabilité suffisante que dans la transmission à courte distance. Par conséquent, il est difficile pour la technologie photonique sur silicium de réaliser l'intégration de dispositifs fonctionnels actifs (source lumineuse et amplificateur optique) en peu de temps, et il existe encore des obstacles à une commercialisation à grande échelle.

Les modules optiques, en particulier les modules optiques à grande vitesse, représentent 50 à 60 % du coût des équipements de réseau de communication. Le choix et le coût des modules optiques affecteront directement le coût global de construction du réseau. Le coût élevé des modules optiques est devenu un problème clé entravant le développement de la communication optique. Dans le coût du module optique, 40% est la puce optique, dont environ 20% est le laser. Si le coût du laser est économisé de 3/4, le coût global peut être réduit de 15 %, et une partie des coûts de main-d'œuvre et des composants peuvent être réduits en même temps.

Les principaux types de lasers du module optique sont VCSEL, FP, DFB, DML et EML. Différents types de lasers ont des longueurs d'onde de travail, des modes et des environnements d'application différents. À l'heure actuelle, la voie technique des produits commerciaux d'intégration optique est principalement divisée en InP et Si. Parmi eux, DFB, DML, EML et d'autres lasers sont de type InP. Bien que la technologie soit relativement mature, le coût est élevé et incompatible avec le procédé CMOS (procédé de circuit intégré). Cependant, le dispositif optique en silicium de type Si adopte le processus COMS pour réaliser l'intégration monolithique de dispositifs optoélectroniques passifs et de circuits intégrés, qui peuvent être intégrés à grande échelle et présentent les avantages d'une densité élevée et d'un faible coût. Mais il y a un inconvénient - bien que les puces photoniques en silicium soient compatibles avec les processus CMOS, le rendement du produit entrave la production à grande échelle d'émetteurs-récepteurs photoniques en silicium.

3. Quels sont les domaines d'application et les marchés du Silicone Pémetteur-récepteur optique hotonics ?

Parmi les produits de modules optiques photoniques sur silicium actuellement commercialisés, il existe deux catégories principales : les modules optiques de centre de données à courte portée et les modules optiques cohérents de télécommunications à moyenne et longue portée. Dans les modules optiques cohérents 100G à courte portée CWDM4 et 100G à moyenne et longue portée, l'optique au silicium présente peu d'avantages en termes de coût. Cependant, dans le scénario avec un débit supérieur à 400G, le coût du laser DML traditionnel et du laser EML est élevé, tandis que l'émetteur-récepteur photonique au silicium intègre des puces optiques/électriques telles qu'un laser multicanal, un modulateur et un détecteur multicanal sur la photonique au silicium. puce, ce qui réduit considérablement le volume et présente des avantages évidents en termes de coût. Par conséquent, la technologie photonique sur silicium est principalement utilisée dans des débits de transmission de 400G ou même de 800G.

400G DR4 - La forme de base de la photonique sur silicium 400Gs Modules:

400G QSFP-DD DR4 est un module émetteur-récepteur optique conçu pour l'interconnexion de centre de données Ethernet 400G au format 400G QSFP-DD (Quad Small Form Factor Pluggable-double densité). Côté émetteur, ce module DR4 convertit 8 canaux de signal électrique de 50 Gb/s (PAM4) en 4 canaux de données de sortie optique parallèles, chacun capable d'un débit de 100 Gb/s pour une bande passante agrégée de 400 Gbls. Côté récepteur, l'émetteur-récepteur optique convertit 4 voies de données optiques parallèles de 100 Gbp/s chaque voie pour un total de 400 Gbp/s pour prendre en charge 8 voies de signal de sortie électrique PAM50 de 4 Gb/s.

Le module fibre 400G QSFP-DD DR4 réalise la transmission sur SMF (fibre monomode) avec un connecteur MPO-12. Il prend en charge une distance de transmission maximale de 500 mètres sur une longueur d'onde centrale de 1310 nm. Le produit est conçu avec des fonctions de diagnostic numérique conformément à l'accord multi-source QSFP-DD (MSA).

Actuellement, l'application la plus importante pour les produits photoniques sur silicium reste les centres de données, et les émetteurs-récepteurs photoniques sur silicium 400G commencent à passer des expéditions de petits volumes en 2020 aux expéditions de gros volumes en 2021. L'avenir des émetteurs-récepteurs photoniques sur silicium est prometteur.