隨著互聯(lián)網(wǎng)3.0的興起，帶寬需求呈指數(shù)增長，將推動針對云數(shù)據(jù)和電信提供商數(shù)據(jù)移動互連的不斷創(chuàng)新和部署。因此，在未來十年中，高度集成的硅光子平臺解決方案有望成為云數(shù)據(jù)和電信市場的關(guān)鍵支持技術(shù)。
高度集成的硅光子平臺對基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)意味著什么？
隨著速率的不斷提高，光纖將取代銅纜成為云數(shù)據(jù)中心內(nèi)部主要傳輸介質(zhì)。硅光子技術(shù)的發(fā)展，可以補(bǔ)充數(shù)據(jù)中心互連中的高速CMOS技術(shù)，加速這一轉(zhuǎn)變。
- 硅光子解決方案已經(jīng)成功地在100G云數(shù)據(jù)中心內(nèi)部署，可以與傳統(tǒng)的“芯片和線纜”分離解決方案競爭。預(yù)計(jì)硅光子將隨著云提供商過渡到下一個400G比特率時獲得市場份額。
- 集成的硅光子平臺解決方案在波特率不斷提高的情況下，具有優(yōu)于傳統(tǒng)封裝解決方案的固有優(yōu)勢。
- 超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的電源和散熱能力有限，無法用于服務(wù)器互連。集成技術(shù)在節(jié)省空間和功耗方面很有優(yōu)勢。
- 與傳統(tǒng)的“芯片和線纜”光學(xué)行業(yè)相比，將光學(xué)組件集成到硅中介層上可以充分利用大型自動化電子組件系統(tǒng)的成本優(yōu)勢。
- 隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大，集成技術(shù)將進(jìn)入交換機(jī)和服務(wù)器之間的連接，以及服務(wù)器內(nèi)部的連接。
光互連封裝
圖1顯示了過去20年中高速光口的演進(jìn)。在此期間，可插拔模塊主導(dǎo)了光互連領(lǐng)域。
- 每單位帶寬的功耗降低了30倍以上。
- 每單位體積的帶寬密度增加了10倍。
- 從20年前的GBIC的千兆位數(shù)據(jù)速率到現(xiàn)在的DR4/FR4模塊的400Gbit/s數(shù)據(jù)速率，每個模塊的帶寬已增加了400倍。
以上成就是通過電子器件，光學(xué)組件和封裝的不斷改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)的。光引擎是不斷縮小的光學(xué)接口的下一步發(fā)展。
圖1：光模塊的演變
集成硅光引擎
近年來，人們一直非常關(guān)注硅光子平臺上的異質(zhì)集成。
隨著交換機(jī)容量從當(dāng)前的12.8TBit/s增加到51.2TBit/s，將光口置于在同一封裝內(nèi)的交換機(jī)附近，可降低功耗，并繼續(xù)保持交換機(jī)帶寬的擴(kuò)展能力。實(shí)現(xiàn)這些小型化的光互連將基于硅光子技術(shù)，并且將驅(qū)動電子設(shè)備和激光器異質(zhì)集成在同一襯底上。這種異質(zhì)集成將使電子器件的性能不受光器件的影響而得到優(yōu)化，這對于高度集成的數(shù)據(jù)中心互連模塊至關(guān)重要。高度集成光引擎由具有光學(xué)組件的硅光子基板，利用2.5D多維度空間設(shè)計(jì)，將DFB激光器以及使用SiGe技術(shù)制成的調(diào)制驅(qū)動器和跨阻放大器（TIA）異質(zhì)集成在一個芯片中，解決空間限制。以I品牌模塊為例：
圖2：2λ, 100Gbit/s, QSFP28硅光引擎框圖
圖2顯示了基于高度集成的2λ，100Gbit/s，PAM4光引擎的框圖，該引擎基于高度集成的硅光子芯片和專為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互連（可達(dá)80km）設(shè)計(jì)的PAM4 DSP。這里的TIA，驅(qū)動器和DFB（顯示在紅色虛線框中）與硅光子芯片是分開的，并通過導(dǎo)線鍵合到其上。這是I品牌模塊的基本架構(gòu)，將QSFP28模塊的占用面積縮小到單個集成芯片中的光引擎實(shí)現(xiàn)。
為了創(chuàng)建2.5D集成芯片，首先為TIA和驅(qū)動器鍍上Cu-Ni-SnAg凸塊，然后如圖3左側(cè)所示進(jìn)行回流，以進(jìn)行倒裝芯片配置。如圖3的右側(cè)所示，對與電子設(shè)備相連的硅光子芯片上的焊盤進(jìn)行CuNiAu電鍍，然后將AuSn焊料沉積在硅光子芯片上以進(jìn)行DFB激光附著。使用高精度倒裝芯片鍵合機(jī)將TIA和驅(qū)動器放置在重新設(shè)計(jì)的硅光子芯片上，并使用標(biāo)準(zhǔn)SMT工藝在260°C的回流爐中進(jìn)行連接。
圖3：電子器件被“撞上”，而硅光子被“鍍上”
然后將CWDM波長的DFB激光器以較高的溫度連接到光引擎上，用于AuSn焊料。單層去耦電容器和旁路電容器也包括在硅光子襯底上，這極大地簡化了基于光引擎的光學(xué)模塊的設(shè)計(jì)。
圖4中的2.5D組件比迄今已展示出的更為緊湊，現(xiàn)已展出的光引擎僅包含集成在硅光子襯底上的光源。
圖4：2.5D光引擎
圖5顯示了測試光引擎的設(shè)置。PCB本身很簡單，它只有射頻走線和電容器。一組平行纖維被環(huán)氧樹脂附著在光引擎上，用于光發(fā)射輸出和接收輸入。PAM4數(shù)據(jù)通過RF電纜（在圖5的頂部）提供。TIA輸出也通過更靠近圖4右側(cè)的RF電纜連接到測試設(shè)備，DFB激光器使用外部探針偏置，它們可能像TIA和驅(qū)動器一樣被引線鍵合。
圖5：光引擎測試設(shè)置
為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心互連應(yīng)用提供高度集成，低功率硅光子平臺的競賽才剛剛開始。下一代將需要DSP、電子、光學(xué)和多維集成方面的不斷進(jìn)步。
資料來源：Inphi