數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)發(fā)展方向

　　ICCSZ訊 隨著云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)商用，數(shù)據(jù)中心流量和帶寬成指數(shù)級增長，根據(jù)思科預(yù)測，全球數(shù)據(jù)中心IP流量將從2015年的每年4.7ZB增長到2020年每年15.3ZB，年復(fù)合增長率約為27%。而根據(jù)LightCounting預(yù)測，到2019年數(shù)據(jù)中心光模塊銷量將超過5000萬只，市場規(guī)模有望在2021年達到49億美元，這將是光模塊廠商的一個巨大的機遇。同時我們也可以看到光模塊在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用與傳統(tǒng)電信傳輸市場有一些區(qū)別，在這里簡單的聊一下數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)發(fā)展方向。

　　目前市場上對數(shù)據(jù)中心光模塊的要求可以歸納為低價格，低功耗，高速率，高密度，短周期，窄溫度。稍微解讀一下：

　　- 低價格：數(shù)據(jù)中心大量使用光模塊的基礎(chǔ)，也是推動數(shù)據(jù)中心發(fā)展的動力;

　　- 低功耗：順應(yīng)人類綠色發(fā)展的理念，在保護環(huán)境的前提下推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展;

　　- 高速率：滿足日益增長的云計算，大數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)通信的要求;

　　- 高密度：提高單位空間內(nèi)光傳輸信道的數(shù)量，達到提高數(shù)據(jù)傳輸容量的目的;

　　- 短周期：近期數(shù)據(jù)通信急速發(fā)展的特征，一般生命周期為3-5年;

　　- 窄溫度：數(shù)據(jù)中心光模塊的應(yīng)用都是在有溫濕度控制的室內(nèi)，因此有用戶提議工作溫度可定義成15度到55度之間比較窄的溫度范圍 -- 這是一種量體裁衣的合理做法。

　　宏觀上來講，數(shù)據(jù)中心光模塊市場是一個根據(jù)實際要求，合理地定義光模塊壽命及工作條件，充分優(yōu)化光模塊性價比的市場。由于數(shù)通網(wǎng)絡(luò)的開放性趨勢，這個市場具有積極開放，歡迎導(dǎo)入新技術(shù)的特征，以及探討新標準及應(yīng)用條件的氛圍。這一切為數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)的發(fā)展提供了絕好的條件。本文試著列舉一些數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)的發(fā)展方向，供大家參考。

　　非氣密封裝

　　由于光組件(OSA)的成本占光模塊成本的60%以上，加之光芯片降成本的空間越來越小，最有可能降低成本的是封裝成本。在保證光模塊性能及可靠性的同時，推動封裝技術(shù)從比較昂貴的氣密封裝走向低成本的非氣密封裝成為必須。非氣密封裝的要點包括光器件自身的非氣密性，光組件設(shè)計的優(yōu)化，封裝材料以及工藝的改進等。其中以光器件特別是激光器的非氣密化最為挑戰(zhàn)。這是因為如果激光器件實現(xiàn)了非氣密化，昂貴的氣密封裝的確就不需要了。可喜的是，近幾年來已經(jīng)有數(shù)家激光器廠家公開宣稱自己的激光器可以適用于非氣密應(yīng)用?？v觀現(xiàn)在大量出貨的數(shù)據(jù)中心光模塊，多是以非氣密封裝為主?？磥矸菤饷芊庋b技術(shù)已經(jīng)很好地被數(shù)據(jù)中心光模塊業(yè)界及客戶接受。

　　混合集成技術(shù)

　　在多通道，高速率，低功耗需求的驅(qū)動下，相同容積的光模塊需要具備更大的數(shù)據(jù)傳輸量，光子集成技術(shù)漸漸地成為現(xiàn)實。光子集成技術(shù)的意義較廣：比如說基于硅基的集成(平面光波導(dǎo)混合集成，硅光等)，基于磷化銦的集成等?；旌霞杉夹g(shù)通常是指將不同材料集成在一起。也有將部分自由空間光學(xué)和部分集成光學(xué)的構(gòu)造叫做混合集成，也未嘗不可。典型的混合集成是將有源光器件(激光器，探測器等)集成到具有光路連接或者其他一些無源功能(分合波器等)的基板上(平面光波導(dǎo)，硅光等)?；旌霞杉夹g(shù)可以將光組件做得很緊湊，順應(yīng)光模塊小型化趨勢，方便使用成熟自動化IC封裝工藝，有利于大量生產(chǎn)，是近期數(shù)據(jù)中心用光模塊行之有效技術(shù)的方法。

　　倒裝焊技術(shù)

　　倒裝焊是從IC封裝產(chǎn)業(yè)而來的一種高密度芯片互聯(lián)技術(shù)。在光模塊速率突飛猛進的今天，短縮芯片之間的互聯(lián)是一個有效的選項。通過金-金焊或者共晶焊將光芯片直接倒裝焊到基板上，比金線鍵合的高頻效果要好得多(距離短，電阻小等)。另外對于激光器來說，由于有源區(qū)靠近焊點，激光器產(chǎn)生的熱比較容易從焊點傳到基板上，對于提高激光器在高溫時的效率有很大幫助。因為倒裝焊是IC封裝產(chǎn)業(yè)的成熟技術(shù)，已經(jīng)有很多種用于IC封裝的商用自動倒裝焊機。光組件因為需要光路耦合，因此對精度要求很高。這幾年光組件加工用高精度倒裝焊機十分搶眼，許多情況下已經(jīng)實現(xiàn)無源對光，極大地提高了生產(chǎn)力。因為倒裝焊(也叫自動邦定貼片)機具有高精度，高效率，高品質(zhì)等特點，倒裝焊技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心光模塊業(yè)界的一種重要工藝。

　　COB(Chip On Board)技術(shù)

　　COB也是從IC封裝產(chǎn)業(yè)而來的工藝，其原理是通過膠貼片工藝(epoxy die bonding)先將芯片或光組件固定在PCB上，然后金線鍵合(wirebonding)進行電氣連接，最后頂部滴灌膠封。很顯然，這是一種非氣密封裝。這種工藝的好處是可以使用自動化。比如說光組件通過倒裝焊等混合集成以后，可以看成是一個“芯片”。然后再采用COB技術(shù)將其固定在PCB上。目前COB技術(shù)已經(jīng)得到大量采用，特別是在短距離數(shù)據(jù)通信使用VCSEL陣列的情況。集成度高的硅光也可以使用COB技術(shù)來進行封裝。

　　硅光

　　探討光電子器件與硅基集成電路技術(shù)兼容的技術(shù)和手法，集成在同一硅襯底上的一門科學(xué)。硅光技術(shù)最終會走向光電集成(OEIC：Opto-Electric Integrated Circuits)，使得目前分離光電轉(zhuǎn)換(光模塊)變成光電集成中的局部光電轉(zhuǎn)換，更進一步推動系統(tǒng)的集成化。硅光技術(shù)當(dāng)然可以實現(xiàn)很多功能，但目前比較耀眼的還是硅調(diào)制器。從產(chǎn)業(yè)界來說，一種新技術(shù)進入市場的門檻必須是性能及成本都有競爭力，這對于需要巨大前期投入的硅光技術(shù)來說的確是很大的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心光模塊市場，由于大量需求集中在2公里以內(nèi)，加之低成本、高速率、高密度等的強烈要求，比較適合硅光的大量應(yīng)用。個人認為在100G速率，傳統(tǒng)光模塊已經(jīng)做得十分成功，硅光要大量進入不太容易。但在200G，400G以上速率，由于傳統(tǒng)直接調(diào)制式已經(jīng)接近帶寬的極限，EML的成本又比較高，對硅光來說將會是一個很好的機會。硅光的大量應(yīng)用也取決于業(yè)界對技術(shù)的開放與接受程度。如果在制定標準或協(xié)議時考慮到硅光的特點，在滿足傳輸條件的前提下放松一些指標(波長，消光比等)，這將會極大地促進硅光的發(fā)展和應(yīng)用。

　　板載光學(xué)(OnBoard Optics)

　　如果說OEIC是究極的光電集成方案，板載光學(xué)則是介于OEIC和光模塊之間的一項技術(shù)。板載光學(xué)將光電轉(zhuǎn)換功能從面板搬到主板處理器或者關(guān)聯(lián)電芯片之旁。因為節(jié)省空間而提高了密度，也減少高頻信號的走線距離，從而降低功耗。板載光學(xué)最開始主要是集中在采用VCSEL陣列的短距離多模光纖中，然而最近也有采用硅光技術(shù)在單模光纖里的方案。除了單純光電轉(zhuǎn)換功能的構(gòu)成以外，也有將光電轉(zhuǎn)換功能(I/O)和關(guān)聯(lián)電芯片(processing)封裝在一起的形式(Co-package)。板載光學(xué)雖具有高密度的優(yōu)點，但制造，安裝，維護成本還較高，目前多是應(yīng)用在超算領(lǐng)域。相信隨著技術(shù)的發(fā)展及市場的需要，板載光學(xué)也會逐漸進入到數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)領(lǐng)域內(nèi)來。

　　為了迎接即將到來的數(shù)據(jù)中心紅利挑戰(zhàn)，光迅科技已經(jīng)推出完整的25G/100G產(chǎn)品族，為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互連提供一攬子的產(chǎn)品解決方案。同時為了給客戶提供更多高性價比的互連方案，光迅科技將在2017 CIOE重磅推出100G PSM4硅光產(chǎn)品和400G 數(shù)據(jù)通信系列產(chǎn)品。

　　作者：光迅科技數(shù)據(jù)與接入技術(shù)總監(jiān) 陳奔