数据中心光模块技术发展方向

2017-08-23 10:53

随着云计算、大数据等新技术商用，数据中心流量和带宽成指数级增长，根据思科预测，全球数据中心IP流量将从2015年的每年4.7ZB增长到2020年每年15.3ZB，年复合增长率约为27%。而根据LightCounting预测，到2019年数据中心光模块销量将超过5000万只，市场规模有望在2021年达到49亿美元，这将是光模块厂商的一个巨大的机遇。同时我们也可以看到光模块在数据中心的应用与传统电信传输市场有一些区别，在这里简单的聊一下数据中心光模块技术发展方向。

目前市场上对数据中心光模块的要求可以归纳为低价格，低功耗，高速率，高密度，短周期，窄温度。稍微解读一下：

- 低价格：数据中心大量使用光模块的基础，也是推动数据中心发展的动力；

- 低功耗：顺应人类绿色发展的理念，在保护环境的前提下推动产业发展；

- 高速率：满足日益增长的云计算，大数据等数据通信的要求；

- 高密度：提高单位空间内光传输信道的数量，达到提高数据传输容量的目的；

- 短周期：近期数据通信急速发展的特征，一般生命周期为3-5年；

- 窄温度：数据中心光模块的应用都是在有温湿度控制的室内，因此有用户提议工作温度可定义成15度到55度之间比较窄的温度范围 -- 这是一种量体裁衣的合理做法。

宏观上来讲，数据中心光模块市场是一个根据实际要求，合理地定义光模块寿命及工作条件，充分优化光模块性价比的市场。由于数通网络的开放性趋势，这个市场具有积极开放，欢迎导入新技术的特征，以及探讨新标准及应用条件的氛围。这一切为数据中心光模块技术的发展提供了绝好的条件。本文试着列举一些数据中心光模块技术的发展方向，供大家参考。

非气密封装

由于光组件（OSA）的成本占光模块成本的60%以上，加之光芯片降成本的空间越来越小，最有可能降低成本的是封装成本。在保证光模块性能及可靠性的同时，推动封装技术从比较昂贵的气密封装走向低成本的非气密封装成为必须。非气密封装的要点包括光器件自身的非气密性，光组件设计的优化，封装材料以及工艺的改进等。其中以光器件特别是激光器的非气密化最为挑战。这是因为如果激光器件实现了非气密化，昂贵的气密封装的确就不需要了。可喜的是，近几年来已经有数家激光器厂家公开宣称自己的激光器可以适用于非气密应用。纵观现在大量出货的数据中心光模块，多是以非气密封装为主。看来非气密封装技术已经很好地被数据中心光模块业界及客户接受。

混合集成技术

在多通道，高速率，低功耗需求的驱动下，相同容积的光模块需要具备更大的数据传输量，光子集成技术渐渐地成为现实。光子集成技术的意义较广：比如说基于硅基的集成（平面光波导混合集成，硅光等），基于磷化铟的集成等。混合集成技术通常是指将不同材料集成在一起。也有将部分自由空间光学和部分集成光学的构造叫做混合集成，也未尝不可。典型的混合集成是将有源光器件（激光器，探测器等）集成到具有光路连接或者其他一些无源功能（分合波器等）的基板上（平面光波导，硅光等）。混合集成技术可以将光组件做得很紧凑，顺应光模块小型化趋势，方便使用成熟自动化IC封装工艺，有利于大量生产，是近期数据中心用光模块行之有效技术的方法。

倒装焊技术

倒装焊是从IC封装产业而来的一种高密度芯片互联技术。在光模块速率突飞猛进的今天，短缩芯片之间的互联是一个有效的选项。通过金-金焊或者共晶焊将光芯片直接倒装焊到基板上，比金线键合的高频效果要好得多（距离短，电阻小等）。另外对于激光器来说，由于有源区靠近焊点，激光器产生的热比较容易从焊点传到基板上，对于提高激光器在高温时的效率有很大帮助。因为倒装焊是IC封装产业的成熟技术，已经有很多种用于IC封装的商用自动倒装焊机。光组件因为需要光路耦合，因此对精度要求很高。这几年光组件加工用高精度倒装焊机十分抢眼，许多情况下已经实现无源对光，极大地提高了生产力。因为倒装焊（也叫自动邦定贴片）机具有高精度，高效率，高品质等特点，倒装焊技术已经成为数据中心光模块业界的一种重要工艺。

COB（Chip On Board）技术

COB也是从IC封装产业而来的工艺，其原理是通过胶贴片工艺（epoxy die bonding）先将芯片或光组件固定在PCB上，然后金线键合（wirebonding）进行电气连接，最后顶部滴灌胶封。很显然，这是一种非气密封装。这种工艺的好处是可以使用自动化。比如说光组件通过倒装焊等混合集成以后，可以看成是一个“芯片”。然后再采用COB技术将其固定在PCB上。目前COB技术已经得到大量采用，特别是在短距离数据通信使用VCSEL阵列的情况。集成度高的硅光也可以使用COB技术来进行封装。

硅光

探讨光电子器件与硅基集成电路技术兼容的技术和手法，集成在同一硅衬底上的一门科学。硅光技术最终会走向光电集成（OEIC：Opto-Electric Integrated Circuits），使得目前分离光电转换（光模块）变成光电集成中的局部光电转换，更进一步推动系统的集成化。硅光技术当然可以实现很多功能，但目前比较耀眼的还是硅调制器。从产业界来说，一种新技术进入市场的门槛必须是性能及成本都有竞争力，这对于需要巨大前期投入的硅光技术来说的确是很大的挑战。数据中心光模块市场，由于大量需求集中在2公里以内，加之低成本、高速率、高密度等的强烈要求，比较适合硅光的大量应用。个人认为在100G速率，传统光模块已经做得十分成功，硅光要大量进入不太容易。但在200G，400G以上速率，由于传统直接调制式已经接近带宽的极限，EML的成本又比较高，对硅光来说将会是一个很好的机会。硅光的大量应用也取决于业界对技术的开放与接受程度。如果在制定标准或协议时考虑到硅光的特点，在满足传输条件的前提下放松一些指标（波长，消光比等），这将会极大地促进硅光的发展和应用。

板载光学（OnBoard Optics）

如果说OEIC是究极的光电集成方案，板载光学则是介于OEIC和光模块之间的一项技术。板载光学将光电转换功能从面板搬到主板处理器或者关联电芯片之旁。因为节省空间而提高了密度，也减少高频信号的走线距离，从而降低功耗。板载光学最开始主要是集中在采用VCSEL阵列的短距离多模光纤中，然而最近也有采用硅光技术在单模光纤里的方案。除了单纯光电转换功能的构成以外，也有将光电转换功能（I/O）和关联电芯片（processing）封装在一起的形式（Co-package）。板载光学虽具有高密度的优点，但制造，安装，维护成本还较高，目前多是应用在超算领域。相信随着技术的发展及市场的需要，板载光学也会逐渐进入到数据中心光互联领域内来。

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