细数光模块的6大技术

2020年，国内数据中心流量和带宽成指数级增长。预计到2021年数据中心光模块销量将超过5000万只，市场规模有望在2023年达到49亿美元，以上所有的数据都表明光模块市场正面临一个巨大的机遇。而如何抓住机遇，关键点在于技术革新，那么今天万兆通就来与大家探讨一下光模块市场的技术革新趋势。

市场对光模块的要求

首先，我们都知道市场对数据中心光模块的要求可以归纳为以下6点：

Ø 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；

Ø 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；

Ø 高速率：满足日益增长的云计算，大数据等数据通信的要求；

Ø 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；

Ø 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；

Ø 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，因此有人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。

通过分析上面的六点要求，我们可以得知光模块市场具有积极开放，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。同时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。这一切为数据中心光模块技术的发展提供了绝好的条件。

技术趋势一：实现非气密性封装

由于光组件（OSA）的成本占光模块成本的60%以上，而光芯片降成本的空间已越来越小，所以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关键。

非气密封装需要在保证光器件自身非气密性的前提下，同时进行光组件设计的优化，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。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，近年来行业内已有公开宣称自己的激光器可以适用于非气密应用的厂商。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。

技术趋势二：混合集成技术成为现实

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。在多通道，高速率，低功耗需求的驱动下，要求相同容积的光模块所能提供的数据传输量越大越好，所以光子集成技术渐渐地成为现实。光子集成技术的意义也比较广泛：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。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。

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• 技术趋势三：倒装焊技术趋于成熟
  
  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。
  
  技术趋势四：COB技术大量采用
  
  COB（Chip On Board）技术就是通过胶贴片工艺（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。这种非气密封装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。
  
  技术趋势五：硅光技术的应用
  
  首先，硅光技术的走向将会是光电集成（OEIC：Opto-Electric Integrated Circuits），也就是将目前分离光电转换（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。不可否认，硅光技术可以实现很多功能，但目前比较耀眼的还是硅调制器。而硅光技术之所以难以进入光模块市场，有以下3种原因：
  
  硅光技术需要巨大的前期投入，这一点是很重要的限制因素。
  
  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。
  
  硅光的大量应用也取决于业界对技术的开放与接受程度。
  
  同时硅光技术也有以下3种技术优势：
  
  由于数据中心光模块市场大量需求集中在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。
  
  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。
  
  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应用。
  
  因此，如果硅光技术最终能克服限制因素，成功融合到光模块之中，无疑将会推动光模块技术的发展。
  
  技术趋势六：板载光学的应用
  
  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。