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            數據中心光模塊技術發展方向

            隨著云計算、大數據等新技術商用,數據中心流量和帶寬成指數級增長,根據思科預測,全球數據中心IP流量將從2015年的每年4.7ZB增長到2020年每年15.3ZB,年復合增長率約為27%。而根據LightCounting預測,到2019年數據中心光模塊銷量將超過5000萬只,市場規模有望在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據中心的應用與傳統電信傳輸市場有一些區別,在這里簡單的聊一下數據中心光模塊技術發展方向。

            目前市場上對數據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:數據中心大量使用光模塊的基礎,也是推動數據中心發展的動力;

            - 低功耗:順應人類綠色發展的理念,在保護環境的前提下推動產業發展;

            - 高速率:滿足日益增長的云計算,大數據等數據通信的要求;

            - 高密度:提高單位空間內光傳輸信道的數量,達到提高數據傳輸容量的目的;

            - 短周期:近期數據通信急速發展的特征,一般生命周期為3-5年;

            - 窄溫度:數據中心光模塊的應用都是在有溫濕度控制的室內,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,數據中心光模塊市場是一個根據實際要求,合理地定義光模塊壽命及工作條件,充分優化光模塊性價比的市場。由于數通網絡的開放性趨勢,這個市場具有積極開放,歡迎導入新技術的特征,以及探討新標準及應用條件的氛圍。這一切為數據中心光模塊技術的發展提供了絕好的條件。本文試著列舉一些數據中心光模塊技術的發展方向,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,光組件設計的優化,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。這是因為如果激光器件實現了非氣密化,昂貴的氣密封裝的確就不需要了。可喜的是,近幾年來已經有數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用。縱觀現在大量出貨的數據中心光模塊,多是以非氣密封裝為主。看來非氣密封裝技術已經很好地被數據中心光模塊業界及客戶接受。

            混合集成技術

            在多通道,高速率,低功耗需求的驅動下,相同容積的光模塊需要具備更大的數據傳輸量,光子集成技術漸漸地成為現實。光子集成技術的意義較廣:比如說基于硅基的集成(平面光波導混合集成,硅光等),基于磷化銦的集成等。混合集成技術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和部分集成光學的構造叫做混合集成,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,硅光等)。混合集成技術可以將光組件做得很緊湊,順應光模塊小型化趨勢,方便使用成熟自動化IC封裝工藝,有利于大量生產,是近期數據中心用光模塊行之有效技術的方法。

            倒裝焊技術

            倒裝焊是從IC封裝產業而來的一種高密度芯片互聯技術。在光模塊速率突飛猛進的今天,短縮芯片之間的互聯是一個有效的選項。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,由于有源區靠近焊點,激光器產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封裝產業的成熟技術,已經有很多種用于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,許多情況下已經實現無源對光,極大地提高了生產力。因為倒裝焊(也叫自動邦定貼片)機具有高精度,高效率,高品質等特點,倒裝焊技術已經成為數據中心光模塊業界的一種重要工藝。

            COB也是從IC封裝產業而來的工藝,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技術將其固定在PCB上。目前COB技術已經得到大量采用,特別是在短距離數據通信使用VCSEL陣列的情況。集成度高的硅光也可以使用COB技術來進行封裝。

            探討光電子器件與硅基集成電路技術兼容的技術和手法,集成在同一硅襯底上的一門科學。硅光技術最終會走向光電集成(OEIC:Opto-Electric Integrated Circuits),使得目前分離光電轉換(光模塊)變成光電集成中的局部光電轉換,更進一步推動系統的集成化。硅光技術當然可以實現很多功能,但目前比較耀眼的還是硅調制器。從產業界來說,一種新技術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來說的確是很大的挑戰。數據中心光模塊市場,由于大量需求集中在2公里以內,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用。個人認為在100G速率,傳統光模塊已經做得十分成功,硅光要大量進入不太容易。但在200G,400G以上速率,由于傳統直接調制式已經接近帶寬的極限,EML的成本又比較高,對硅光來說將會是一個很好的機會。硅光的大量應用也取決于業界對技術的開放與接受程度。如果在制定標準或協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展和應用。

            板載光學(OnBoard Optics)

            如果說OEIC是究極的光電集成方案,板載光學則是介于OEIC和光模塊之間的一項技術。板載光學將光電轉換功能從面板搬到主板處理器或者關聯電芯片之旁。因為節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在單模光纖里的方案。除了單純光電轉換功能的構成以外,也有將光電轉換功能(I/O)和關聯電芯片(processing)封裝在一起的形式(Co-package)。板載光學雖具有高密度的優點,但制造,安裝,維護成本還較高,目前多是應用在超算領域。相信隨著技術的發展及市場的需要,板載光學也會逐漸進入到數據中心光互聯領域內來。


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