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硅光模块介绍:硅光模块和普通光模块的区别与市场前景

2021年07月07日 440

5G商用逐步落地,移动数据流量激增,数据中心数据流量也随之被带动增长,对高速率光模块的需求逐步扩大,数据中心不断提高的速率要求致使光模块高频率迭代升级。大家都知道,我们常见的普通光模块主要采用III-V族半导体芯片、高速电路硅芯片、光学组件等器件封装而成,其发展路径遵循摩尔定律,在本质上属于“电互联”,但随着晶体管加工尺寸逐渐缩小,电互联所面临的传输瓶颈局面趋于紧迫,普通光模块的生产制造也面临着摩尔定律失效的局面,硅光模块应运而生。

硅光模块是什么

顾名思义,硅光模块是采用硅光子技术的光模块。在了解硅光模块之前,我们有必要先弄清楚什么是硅光子技术。

硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、SOI等),利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。硅光模块产生的核心理念是“以光代电”,即利用激光束代替电子信号进行数据传输。硅光子技术将硅光模块中的光学器件与电子元件整合到一个独立的微芯片中,使光信号处理与电信号的处理深度融合,最终实现真正意义上的“光互联”。

硅光模块

硅光模块与普通光模块的区别是什么

普通光模块是实现光电转换的装置,其在功能上需要对光信号进行调制和接收。普通光模块在制造上需要经过封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件,最终实现调制器、接收器以及无源光学器件等的高度集成。各器件主要通过封装技术进行集成。

本文前面有讲到硅光模块所使用的硅光子技术是利用CMOS工艺进行光器件的开发和集成,基于CMOS制造工艺进行硅光模块芯片集成便是硅光模块最大的特点,亦是硅光模块与普通光模块最大的区别所在。硅光模块芯片通过硅晶圆技术,在硅基底上利用蚀刻工艺加上外延生长等加工工艺制备调制器、接收器等关键器件,以实现调制器、接收器以及无源光学器件的高度集成。

由于硅光模块和普通光模块所使用的芯片不同,同速率应用于同一场景的硅光模块和普通光模块在产品参数上也有了诸多区别,以飞速(FS)兼容思科QDD-400G-DR4-S普通光模块和硅光模块为例,来看看在具体产品参数上硅光模块与普通光模块的异同点:

飞速(FS)兼容思科QDD-400G-DR4-S普通光模块与硅光模块参数对比
参数
400G普通光模块
400G硅光模块
型号名
QSFPDD-DR4-400G
QDD-DR4-400G-Si
传输速率
400Gbps
425Gbps (4x106.25Gb/s)
发射器类型
1310nm EML
DFB
接收器类型
PIN
PIN
发射光功率
-2.9~4.0dBm
-2.9~4.0dBm
接受灵敏度
<-5.9dBm
-5.9~4dBm
功率预算
3dB
6.5dB
功耗
<12W
<10W
消光比
3.5dB
3.5dB
调制技术
PAM4
PAM4
协议
QSFP-DD MSA
符合QSFP-DD MSA, IEEE 802.3bs
应用
400GBASE数据中心
400GBASE数据中心
价格
¥17,570.00
¥9,520.00

硅光模块对比普通光模块有何优势

对比普通光模块,硅光模块具有低功耗、高集成和高速率等优势,对于需要大量使用光模块的数据中心而言,硅光模块最显著的优势依然是低成本。

随着互联网产业的发展,业界对于光模块的需求逐步趋向于小型化和高性能,在小型化的背景下,普通光模块若想提高传输速率,光模块在性能上损耗将增大。而硅光模块除了解决普通光模块多通道带来的功耗、温飘等性能上的瓶颈,同时降也低了激光器成本。

在普通光模块的成本中,光芯片成本占40%,激光器成本占20%左右,若用在激光器上的成本降低75%,则可降低光模块整体成本的15%。

由于硅光模块使硅光子技术,实现了调制器和无源光路在芯片上的高度集成,光模块芯片成本也得到大幅度降低。

普通光模块采用分立式结构,光器件部件多,封装工序较为复杂,从而需要投入较多人工成本,而硅光模块由于芯片的高度集成,组件与人工成本也相对减少。

在100G短距CWDM4和100G中长距相干光模块中,硅光模块成本优势不明显。而在400G及以上的高速率的场景中,传统DML和EML成本较高,硅光模块成本优势更为显著。

光模块

硅光模块的市场前景

高速光模块在通信网络设备成本中占比达到50%~60%,光模块成本高昂已对网络总体建设产生直接影响,甚至已成为阻碍光通信产业向更高速率发展的关键所在。

车联网、AR/VR、直播等5G下游应用的飞速发展和企业上云的大趋势带动了数据中心网络从100G向400G更迭的需求,虽然鉴于良率和损耗问题,硅光模块方案的整体优势尚不明显,但在超400G的短距场景、相干光场景中,硅光模块的低成本优势或许会使得其成为数据中心网络向400G升级的主流产品。

近年来硅光模块在光模块市场中的占比增长较为迅速,主要市场份额集中在头部厂商。据中国产业信息网预测,硅光模块销售额将从2018年的4.55亿美元,增长到2024年的40亿美元,年复合增长率将达到44%。

硅光模块销售额

由于普通光模块技术较为成熟,且对部署环境要求较低,短期内硅光模块还难以在市场上大规模铺展。且光模块中的硅光器件在生产前期投入较大,在未达到一定的规模效应前,相关厂商对硅光模块投入相对谨慎,其出货量从而被限制。因此普通光模块依然是当前市场的主流选择,硅光模块的大规模放量与铺展仍需要时间。

根据Intel对硅光子产业发展的规划来看,硅光模块产业现已经进入快速发展期,在2022年硅光模块在速度、能耗、成本等方面将全面超越普通光模块。随着5G网络建设的进一步拓展,数据传输需求不断增长,相信400G硅光模块的高速率市场也将被逐步打开。

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