算力時代背景下,數(shù)據(jù)中心成為能耗大戶,光模塊技術(shù)的升級不僅僅是簡單的速率翻倍,更需要解決高速率帶來的的功耗、成本問題。光模塊能耗占據(jù)數(shù)據(jù)中心交換網(wǎng)絡能耗比重的40%-50%。光模塊能耗的激增給數(shù)據(jù)中心的成本端帶來巨大壓力,解決其能耗問題成為當下光模塊技術(shù)更新的關鍵。
1.LPO
LPO(Linear-drive Pluggable Optics,線性驅(qū)動可插拔光模塊),采用線性驅(qū)動技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)DSP(數(shù)字信號處理)/CDR(時鐘數(shù)據(jù)回復)芯片,可實現(xiàn)降功耗、壓成本的作用,但代價在于拿掉DSP后會導致系統(tǒng)誤碼率提升,通信距離縮短,因此LPO技術(shù)只適合用于短距離的應用場景。
傳統(tǒng)DSP可對高速信號在光-電、電-光之間轉(zhuǎn)換后出現(xiàn)的失真問題進行修復,從而降低失真對系統(tǒng)誤碼率的影響,但功耗大成本高。LPO技術(shù)去除了DSP,將其相關功能集成到設備側(cè)的交換芯片中,只留下具有高線性度的Driver(驅(qū)動芯片)和TIA(Trans-Impedance Amplifier,跨阻放大器),用于對高速信號進行一定程度的補償。
LPO技術(shù)的優(yōu)勢包括:1)低功耗:OFC2023Macom展示出的單通道100G單模800GDR8、多模800GSR8Linear-drive方案中多模功耗節(jié)省70%,單模功耗節(jié)省50%。根據(jù)Macom的數(shù)據(jù),具有DSP功能的800G多模光模塊的功耗可以超過13W,而采用MacomPuredrive技術(shù)的800G多模光模塊的功耗不到4W。2)低延遲:沒有DSP后處理步驟減少,數(shù)據(jù)傳輸延遲減少,Macom的Linear-drive方案中延時可降低75%。3)低成本:800G光模塊中去除DSP后系統(tǒng)總成本可降低約8%。4)可熱拔插:LPO封裝沿用傳統(tǒng)熱拔插技術(shù),便于后期維護。
2.CPO
CPO(Co-packagedoptics,共封裝光學),是指將網(wǎng)絡交換芯片和光模塊共同裝配在同一個插槽上,形成芯片和模組的共封裝。
與傳統(tǒng)可熱拔插式技術(shù)相比,CPO技術(shù)的優(yōu)勢包括:1)低延遲,低功耗:由于光模塊和交換芯片在同一個封裝內(nèi),信號傳輸路徑更短,可以實現(xiàn)更低的延遲。另外光電共封裝技術(shù)可以減少信號傳輸?shù)墓模⑻岣哒w系統(tǒng)的能效。2)高帶寬:光電共封裝技術(shù)支持高速光通信,可以提供更大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。3)小尺寸:相比傳統(tǒng)的光模塊和電子芯片分離封裝的方式,光電共封裝技術(shù)可以實現(xiàn)更緊湊的尺寸,有利于在高密度集成電路中的應用。
3.硅光子技術(shù)
硅光子技術(shù)是基于硅和硅基襯底材料,利用現(xiàn)有CMOS工藝進行光器件開發(fā)和集成的新技術(shù)。硅光子技術(shù)的核心理念是“以光代電”,即采用激光束代替電子信號傳輸數(shù)據(jù),將光學器件與電子元件整合至一個獨立的微芯片中,提升芯片之間的連接速度。
將硅光材料和器件集成在同一硅基襯底上,形成由光調(diào)制器、探測器、無源波導器件等組成的集成光子器件。硅光光模塊無需ROSA(光接收組件)、TOSA(光發(fā)射組件)封裝,因而硅光器件體積與數(shù)量更小、集成度更高。2)低成本:相較于傳統(tǒng)的分立式器件,硅光模塊的集成度更高,封裝與人工成本降低;此外硅基材料成本較低且可以大尺寸制造,意味著硅基芯片成本得以大幅降低。3)兼容成熟CMOS工藝:硅光子技術(shù)能利用半導體在超大規(guī)模、微小制造和集成化上的成熟工藝積累優(yōu)勢。
4.薄膜鈮酸鋰
電光調(diào)制器可以將電信號轉(zhuǎn)換為光信號,從而實現(xiàn)光信號的調(diào)制。薄膜鈮酸鋰通過“離子切片”方式,從塊狀的鈮酸鋰晶體上剝離出鈮酸鋰薄膜,并鍵合到附有二氧化硅緩沖層的Si晶片上。相較于其他光電子材料,如磷化銦(成本受限)、硅光(性能功耗受限)、鈮酸鋰晶體(尺寸受限),薄膜鈮酸鋰可實現(xiàn)超快電光效應和高集成度光波導,具有大帶寬、低功耗、低損耗、小尺寸等優(yōu)異特性,并可實現(xiàn)大尺寸晶圓規(guī)模制造。薄膜鈮酸鋰調(diào)制器是一種基于鈮酸鋰材料制作的光學調(diào)制器,與傳統(tǒng)鈮酸鋰調(diào)制器相比,薄膜鈮酸鋰調(diào)制器在器件尺寸、電光帶寬和集成度方面具有明顯優(yōu)勢。
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