从100G到400G光模块，硅光技术与激光器芯片的碰撞

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目前100G网络架构已经成为数据中心主流架构，并且驱动了100G光模块行业的繁荣。就长远来看，数据中心仍有不断升级的需求，业内普遍认为400G网络架构将是100G网络的演进方向，同时将带动400G光模块的市场需求与技术革新，其中光模块激光器技术是重要的关注点。


光模块核心组件之激光器芯片

光模块是由多种光学器件封装而成，其内部组件中激光器芯片是比较关键的部分，占光模块成本的60%，主要影响光模块的传输距离。激光器的主要类型有:VCSEL、FP、DFB、DML、EML，不同类型的激光器有不同的工作波长、方式和应用环境，如下表所示。

激光器类型	工作波长	工作方式	应用场景
VCSEL	850nm	面发射	短距离200M内
FP	1310nm/1550nm	边发射	中距离500M-10KM
DFB	1310nm/1550nm	边发射	长距离40KM
DML	1310nm/1550nm	直接调制	中距离500M-10KM
EML	1310nm/1550nm	外部调制、电吸收调制	长距离40KM

100G光模块激光器芯片与硅光技术

在100G光模块市场中，属100G QSFP28光模块市场份额较大，不同的QSFP28光模块采用了上述不同的激光器。

100G-SR4 QSFP28封装光模块，主要用于100m内的多模并行方案，其内部多采用VCSEL激光器，VCSEL激光器具有体积小、耦合率高、功耗低、易集成、价格低等优势；

100G-ER4 QSFP28、100G-LR4 QSFP28封装光模块，主要用于10km左右中长距离单模方案，其内部多采用EML激光器，EML激光器具有眼图裕量大、色散小、消光比大、距离远等优势；

100G-CWDM4 QSFP28封装光模块，主要用于2km的粗波分复用方案，其内部多采用DML激光器，DML激光器具有尺寸小、功耗低、成本低等优势；

而对于100G-PSM4 QSFP28封装光模块，在芯片技术上有了新的突破---Intel面向数据中心场景的硅光混合集成100G PSM4光模块早已实现量产，并且由于更低的BOM(零件物料)成本优势占据了PSM4产品80%的市场份额，主要用于500m以下的4通道并行单模方案。

硅光技术在光模块行业面临的优势与挑战

目前光集成商业产品技术路线主要分为InP和Si两大阵营，其中DFB、DML、EML等激光器是InP阵营，虽然技术相对成熟，但是成本高，与CMOS工艺（集成电路工艺）不兼容，其衬底材料每2.6年才翻一倍。而Si硅光器件，采用COMS工艺实现无源光电子器件和集成电路单片集成，可大规模集成，具有高密度的优势，其衬底材料每1年可翻一倍。

目前100G光模块已打开了硅光技术的大门，但其发展仍然面临一些挑战。

首先， 硅基集成激光光源有待解决。硅是间接带隙半导体，相比于InP等直接带隙半导体，硅光模块中需要单独引入光源，而光源并不符合摩尔定律，耦合集成得越多成本也越高，将会不断抵消硅材料和工艺集成带来的成本优势。

其次，硅光模块封装难度大，良率低。硅光接口封装处于初期阶段，主要瓶颈在于光电子芯片和光纤阵列组建的光接口封装，其对准与封装的精度要求高，封装效率低，现阶段的封装技术难以实现高质量，低成本的封装，产品良率限制了硅光模块的大规模量产。

另外， 硅光芯片可获得量产化资源少。尽管硅光芯片与CMOS工艺兼容，但成熟的CMOS资源不对外开放或者没有硅光流片经验。

400G数据中心硅光技术将成为光模块主流吗？

从长期来看，硅光方案是大势所趋，在400G光模块时代或将大规模发力。

面对400G网络高速率的需求，市面上提出的多通道相干技术虽然降低了对芯片的要求，但整体成本较高，而单通道技术对芯片的要求更高，以100G光模块情况来看，传统的激光器已接近带宽极限，唯一有可能的EML激光器成本也比较高，如果说硅光技术可以攻克上述难题，或将在400G光模块时代成为主流。

结论

虽然400G光模块时代硅光技术有可能成为主流，但是毕竟目前是100G网络的主流时代，100G QSFP28光模块激光器芯片仍然以VCSEL、EML、DML为主。