Оптический модуль (рис. 1) является важным компонентом оптической системы связи, основная функция которого заключается в реализации фотоэлектрического преобразования, а также в мониторинге и управлении сигналами связи и других функциях. В современной волоконно-оптической сети количество сценариев применения оптических приемопередатчиков увеличивается. Например, когда мы звоним по мобильному телефону, между сигналом мобильного телефона и базовой станцией существует радиосвязь. Оптический модуль необходим, когда базовая станция подключена к серверу через оптоволоконный канал. Оптические приемопередатчики также необходимы для оптоволоконных широкополосных сетей до дома и для соединения большого количества коммутаторов в центрах обработки данных.

Рисунок 1. Оптический трансивер (400G QSFP-DD SR8)

Рыночный спрос на оптические модули

По данным Lightcounting, ожидается, что мировой рынок оптических модулей достигнет 8.132 млрд долларов в 2022 году, и ожидается, что совокупный годовой темп роста составит 13.7% с 2021 по 2026 год. Среди них доля оптических модулей для центров обработки данных превысила этот показатель. оптических модулей на телекоммуникационном рынке, и ожидается, что в 55 году они составят более 2022%. На рисунке 2 показан анализ мирового рынка и капитальных затрат на оптические модули.

 

Рисунок 2. Мировой рынок и капитальные затраты на оптические модули. (a) Области применения мирового рынка оптических модулей. (b) Капитальные затраты китайских поставщиков облачных услуг.

Общие капитальные затраты на центры обработки данных продолжают быстро расти. Согласно долгосрочному прогнозу Cignal AI, расходы на облачную инфраструктуру вычислений и хранения данных будут расти со совокупным годовым темпом роста (CAGR) на 12.6 процента в период с 2021 по 2026 год. общедоступное облако относится к облачным услугам, предоставляемым пользователям сторонними поставщиками через общедоступный Интернет, где пользователи могут получить доступ к облаку и пользоваться различными услугами, включая, помимо прочего, вычисления, хранение, работу в сети и т. д.) С глобальным расширением гигантов и быстрое развитие искусственного интеллекта в различных отраслях, инвестиции в центры обработки данных сохраняют сильную динамику, в результате чего бум рынка оптических модулей для центров обработки данных продолжает расти.

Рисунок 3. Сценарий применения оптического модуля на телекоммуникационном рынке и в дата-центре. а) архитектура телекоммуникационной сети 5G; (b) Архитектура конькового сервера центра обработки данных

Технология упаковки COB

В соответствии с различными сценариями применения и требованиями оптические модули можно разделить на оптические модули операторского класса и оптические модули для центров обработки данных. Оптический трансивер операторского класса применяется в суровых условиях окружающей среды, и его трудно заменить и обслуживать. Оптический трансивер центра обработки данных применяется в относительно мягких условиях и удобен в обслуживании. Например, оптические модули операторского класса, используемые в наружных базовых станциях, могут работать в условиях высокой температуры 80 ℃ при ярком солнечном свете, в то время как температура окружающей среды зимними ночами на севере может опускаться до -40 ℃. . В то же время, чтобы гарантировать покрытие сигнала, эти базовые станции могут располагаться в горных и труднодоступных местах, что затрудняет регулярное техническое обслуживание. Все эти характеристики определяют высокие требования к обеспечению надежности оптических модулей операторского класса.

В сценарии применения центра обработки данных центр обработки данных может находиться в помещении с оборудованием с контролем воздуха, контролем температуры и контролем влажности. Постоянный обслуживающий персонал может выполнять техническое обслуживание в любое время. Поэтому требования к надежности относительно низкие. С учетом сценария применения, требований и стоимости были разработаны различные технологии упаковки оптических модулей.

В настоящее время оптические модули операторского класса в основном используют технологию герметичной упаковки To-can или BOX. В оптических модулях центров обработки данных в основном используется негерметичная технология упаковки COB, как показано на рис. 4. Полное название COB — «чип на плате», то есть упаковка «чип на плате». Голый чип прикрепляется к печатной плате с помощью проводящего или непроводящего клея, а затем электрическое соединение реализуется путем соединения выводов, а чип и соединительный вывод обертываются клеем. Технология упаковки впервые была широко использована при упаковке светодиодов, а позже внедрена в упаковку оптических модулей.

Рисунок 4. (a) Схема оптического модуля корпуса BOX. (b) Схема оптического модуля пакета COB

Технические преимущества COB-упаковки оптического модуля

• Улучшенная производительность высокоскоростного соединения сигнала

С герметичными оптическими приемопередатчиками операторского класса лазер подключается к печатной плате через FPC (гибкая печатная схема) и высокочастотная керамика, а затем подключается к лазеру через золотой провод. Трудно гарантировать непрерывность импеданса в нескольких точках подключения, и потеря целостности сигнала неизбежна. В корпусе COB лазер может быть напрямую подключен к печатной плате через соединение золотой проволокой, что значительно уменьшает разрывы импеданса и лучше гарантирует подключение высокоскоростных сигналов от печатной платы к LD, тем самым демонстрируя больший запас зрения. шаблон диаграммы и более высокая производительность чувствительности.

• Возможность уменьшить размер и стоимость

Пакет COB экономит место, потому что он экономит высокочастотную керамическую коробку, гибкий кабель и другие компоненты. Его преимущества сегодня более очевидны, поскольку оптические модули продолжают преследовать более миниатюрные корпуса. Возьмем в качестве примера оптический модуль 400G QSFP-DD с лазером EML (рис. 5). Для него требуется большое количество электрических микросхем, таких как смещение DML, смещение EA, модуляция EA, DSP и т. д. Для оптической части требуются такие компоненты, как EML. , изолятор, линза и т. д. Если используется герметичный корпус, оптические компоненты будут занимать большое пространство, сильно сжимая пространство для размещения электрических компонентов и создавая серьезную проблему для конструкции модуля. При использовании пакета COB сэкономленное пространство может дать электрику для улучшения более избыточной конструкции, такой как добавление большего количества фильтрующих конденсаторов, более крупная схема изоляции высокочастотного сигнала, что улучшает производительность модуля.

Рисунок 5. Схема оптического модуля 400G, небольшие требования к размеру и большое количество компонентов усложняют разработку упаковки

С точки зрения стоимости, пакет COB экономит такие компоненты, как высокочастотная керамическая коробка и гибкий кабель, а также такие этапы процесса, как сварка и герметизация с заполнением азотом, обнаружение утечек BOX, сварка FPC и отдельное тестирование оптических устройств, что может уменьшить материал. себестоимость и стоимость производства.

Недостатки упаковки COB для оптических модулей

• Сокращение срока службы чувствительных устройств

В корпусе COB оптические устройства и некоторые электрические микросхемы, такие как драйверы и TIA, подвергаются прямому воздействию, что отрицательно сказывается на сроке службы. Находясь в герметичной упаковке, ЛД запечатаны в коробку, заполненную азотом, который изолирован от внешней среды и лучше защищает стабильную работу ЛД.

В последние годы производители модулей также разработали некоторые ограниченные методы герметизации для продления срока службы LD в модулях COB, используя обе технологии упаковки. Например, если ЛД смонтирован в полуоткрытом металлическом корпусе, то печатная плата может попасть в металлический корпус через отверстия для непосредственного соединения с ЛД, при этом металлический корпус может быть заклеен клеем для обеспечения определенной степени герметичности.

• Не способствует доработке дефектного продукта

В упаковке BOX оптические устройства могут быть полностью отделены от печатной платы и протестированы отдельно. Любая часть проблемы может быть заменена и отремонтирована отдельно.

В модуле COB, поскольку оптическое устройство напрямую подключено к печатной плате, тест производительности можно проводить только после завершения всего производства. В случае дефектов труднее проверить, является ли неисправность электрическим или оптическим чипом, и более вероятно, что это приведет к браку при переработке и замене устройства. Возможно повреждение оптического чипа, приводящее к выбраковке всего модуля, что в определенной степени увеличивает скорость выбраковки всего производственного процесса. Таким образом, процесс упаковки COB, стабильность процесса и производительность особенно важны.

Ключевые технические этапы упаковки COB оптических модулей

Основные этапы процесса изготовления оптических модулей в корпусе COB включают в себя склеивание кристаллов, соединение проводов, оптическую связь и тестирование (рис. 6).

Рисунок 6. Процесс упаковки COB оптического модуля

Склеивание штампов заключается в приклеивании различных типов микросхем к печатной плате, таких как микросхемы восстановления тактовых импульсов, микросхемы лазерных драйверов, микросхемы трансимпедансного усилителя, лазерные микросхемы и микросхемы детекторов в оптическом модуле центра обработки данных, а также широко используемый проводящий клей, непосредственно прикрепленный к печатной плате. При монтаже мы должны обратить внимание на то, соответствует ли точность положения требованиям, прочно ли соединение чипов и т. Д. Для лазера потребляемая мощность драйвера велика, микросхема с высоким тепловыделением, мы также должны обратить внимание на контакт эффективность рассеивания тепла после монтажа.

Склеивание проводов относится к электрическому соединению между контактами микросхемы и контактными площадками на печатной плате с помощью проводов, обычно с использованием технологии соединения золотыми проводами (рис. 7). На этом шаге следует обратить внимание на то, хороший ли контакт проводного соединения и есть ли виртуальное соединение. Обычно его проверяют натягиванием проволоки. В высокоскоростных оптических модулях линии часто бывают сложными и требуют большого количества перекрестных ударов, что требует внимания к тому, есть ли такие проблемы, как свернутые свинцовые нахлесты. При подключении высокоскоростных сигнальных контактов следует обратить внимание на длину и количество выводов, которые обычно используются для уменьшения длины выводов и увеличения количества выводов для повышения целостности сигнала.

Рисунок 7. Склеивание проводов

Связь (Рисунок 8) — это самый долгий срок службы и, скорее всего, бракованный этап упаковки оптического модуля. Для многомодовых оптических модулей обычно используется лазер поверхностного излучения (VCSEL), который подключается к многомодовому волокну через зеркало.

Путь света прост, допуск велик, а сам процесс относительно прост. Одномодовое волокно намного сложнее, потому что диаметр сердцевины одномодового волокна меньше, чем у многомодового волокна, всего 9 мкм, что требует линзы для фокусирующей связи. В модуле, требующем мультиплексной связи, таком как LR4, необходимо добавлять и разделять волновые элементы, что еще больше усложняет оптический путь. Важным вспомогательным материалом для сцепки является УФ-отверждаемый клей, который в основном используется для склеивания соединительных линз. Характеризуется быстрым отверждением клея после ультрафиолетового облучения, малой усадкой, подходит для коллимации линз с повышенными требованиями к точности склеивания и фиксации.

Рисунок 8. Муфта в упаковке COB

Тестирование — это последний этап производства оптических модулей, который в основном делится на тестирование производительности и тестирование надежности. Общие элементы проверки производительности включают запас по глазковой диаграмме, коэффициент экстинкции, мощность передачи, чувствительность приема и т. д. Элементы проверки надежности обычно включают испытание на старение при высокой и низкой температуре, испытание на циклический удар при высокой и низкой температуре, испытание на вибрацию, испытание на многократное закупоривание и т. д.

Тенденции в технологии упаковки оптических модулей для центров обработки данных

В целом тенденция спроса на оптические модули для центров обработки данных заключается в более миниатюрном корпусе, более высокой скорости передачи и более низкой стоимости. В настоящий момент, 100G QSFP28 оптические модули широко используются в центрах обработки данных, оптические модули 400G QSFP-DD коммерчески доступны в крупных центрах обработки данных, и 800G КСФП-ДД800 оптические модули находятся на ранней стадии коммерциализации. Перед лицом спроса на более высокую скорость традиционная упаковка оптических модулей сталкивается со все большими трудностями, включая увеличение сложности упаковки, снижение производительности, ведущее к увеличению затрат, и ограниченную пропускную способность устройства. В этом контексте ожидается коммерциализация новых технологий, таких как кремниевые оптические модули и совместно упакованная оптика (CPO).

Применение кремниевой фотоники в оптических модулях направлено на упрощение процесса и снижение затрат за счет интеграции исходно дискретных оптических компонентов, таких как модуляторы, детекторы, MUX/DeMUX, линзы, призмы и т. д., с высокоинтегрированным чипом кремниевой фотоники. В настоящее время чипы кремниевой фотоники могут интегрировать детекторы, высокоскоростные модуляторы, волноводы, WDM и другие устройства на одной и той же подложке на основе кремния, и ожидается, что они смогут интегрировать больше электрических чипов, таких как CDR и TIA. будущее, значительно улучшая интеграцию оптических модулей.

400G КСФП-ДД Кремниевые фотонные модули уже массово выходят на рынок в 2022 году. Исследовательская фирма Yole прогнозирует, что к 3.67 году объем кремниевых фотонных модулей достигнет 2025 млрд долларов, что сделает их значительной частью рынка оптических модулей. На рис. 9 показаны различные типы устройств кремниевой фотоники.

Рисунок 9. Кремний фотоника устройств

В последние годы все большее внимание привлекает технология совместной сборки оптики, которая имеет большие преимущества по сравнению с традиционными подключаемыми оптическими модулями с точки зрения потери электрического соединения. Объединяя фотоэлектрический чип и чип переключения, технология CPO может значительно сократить длину высокочастотного провода, тем самым решив проблему серьезного затухания электрического сигнала на более высоких скоростях. CPO Технология также имеет большие преимущества по сравнению с подключаемой формой с точки зрения пропускной способности, размера, веса и энергопотребления.

Тем не менее, у технологии CPO все еще есть некоторые проблемы, требующие дальнейшего решения, в том числе процесс изготовления фотоэлектрических печатных плат высокой плотности, высокоточный процесс упаковки фотоэлектрических чипов и конструкция рассеивания тепла, а также надежность высокоинтегрированных фотоэлектрических чипов. CIR прогнозирует, что к 5.4 году рынок CPO достигнет 2027 млрд долларов. На рис. 10 показано развитие технологии бортовых соединений.

Рис. 10. Эволюция бортовых технологий подключения