AI人工智能大模型计算,需要通信网络辅助其计算的完成,光模块作为光纤通信网络的一个重要配件,也算是水涨船高。
整个光模块的光学芯片如果按照材料来划分,目前以InP磷化铟、GaAs砷化镓和Si-Photonics(SiPh,硅光集成)为主。未来薄膜铌酸锂TFLN可能会成为一个大带宽的新型光学芯片。
InP主要用来做激光器和探测器,探测器比较简单,我放到基础课件里,有一个专门的解析。激光器比较复杂,成本高,技术难度大,我用两期时间来仔细解读。目前大规模用于光模块的InP芯片,以DFB(包括大功率的CW DFB)、EML(电吸收调制)、IQ-MZ调制器(用于相干模块)
Si,在光学层面,通常选择和InP合作完成激光器,纯硅做调制器,和Ge合作完成探测器
GaAs,主要用来做多模VCSEL,和量子点单模激光器,多模激光器便宜,但不容易提高带宽,量子点激光器具有窄线宽/低功耗/耐高温的优势,但很难制造高质量的量子点。
800G、1.6T大容量光模块需要大带宽的光学器件,而目前不同的材料体系的带宽发展阶段不同。
比如体材料的铌酸锂LN,带宽较低,几乎在现如今的光模块中难寻其迹
薄膜化的铌酸锂TFLN,带宽提高,只是产业链尚不成熟,未来期待能在光模块中占据一席之地。
GaAs体系的VCSEL,带宽在20-30GHz,所以对于如何用于50G PAM4,100G PAM4,200G PAM4,能做的厂家越来越少,技术挑战越来越大,十分痛苦。
基于InP体系的芯片,EML可以做到55-85GHz左右,大规模用于400G、800G的以太网/IB等光模块中,IQ调制器可以做到55-85GHz左右,也大规模用在200G、400G、800G的相干模块中。
基于Si材料的硅光模块,带宽可以做到40-70GHz,在以太网、AI、相干等场景,也有了越来越大的市场份额。
6月份的主题,几乎围绕光芯片的材料和原理来解析的,也会做几个材料之间的对比来分析异同之处。
比如,GaAs、InP、Si,以及配合Si做探测器的Ge,他们的元素分在三、四、五族,有类似的晶格结构,也由于三五族材料和四族材料的差异,导致其是否产生极化的区别。
InP调制器,可极化,就有泡克尔斯效应,这是电光调制的线性调制原理,与TFLN的原理是一样的。
Si的调制器,不可极化,就没有泡克尔斯效应,就需要去找其他途径来试图突破,这也是硅在光模块中应用时间点最晚的原因之一,需要去突破如何高速调制这个技术难题。
同一个材料体系,GaAs不仅仅可以做短波长850nm的多模VCSEL,其实也可以做单模的长波长1310nm的DFB呢,只是850 VCSEL更便宜,牢牢占据了市场。
同为InP材料,各种大功率光源,做起来十分痛苦,这和它的波导结构与效率相关。
同样的硅材料,既可以做电吸收调制器,也可以做干涉型(微环或MZ)调制器,对于产业而言,大规模商用的是干涉型结构调制器。原因在于可靠性。
同样的InP材料,既可以做电吸收调制器,也可以做干涉型(大多数是MZ)调制器,对于产业而言,大规模商用的是电吸收型的EML。原因在于尺寸、良率和成本。
同样的电吸收调制,可以用InP来做,也可以用硅来做,产业不约而同的选择InP材料的EML占据电吸收调制的主要市场份额。原因在于产业成熟度。
同样的干涉型调制器,有些厂家选择微环谐振(谐振就是干涉),有些厂家选择MZ干涉,区别在于微环虽然低功耗但是很难控制,需要好的手艺。MZ虽然又大又费电,但是容易做成。不同阶段不同工艺能力的厂家,选择了有利于自己的技术路线。
硅的调制器和铌酸锂的调制器,都历经了一个从厚到薄膜的过程,原因是一样的,可提高带宽。
但是难度不一样,硅的薄膜容易做,铌酸锂的薄膜不容易做
同样的DFB,可以用三五族来做,也可以把四族元素Si放进来做,各有优缺点。
三五族的优势是性能好,直接带隙,劣势是化合物不稳定容易被氧化。
四族元素的优势是稳定无需金盒气密,劣势是几乎不发光,依然需要借助三五族材料做集成。
同样的面发射激光器,可以用GaAs来做,也可以用InP来做,只是InP的制作难度很大。
同样的面发射激光器,可以用于多模激光器,也可以用于单模激光器,只是这种结构的单模很难制作,还很难保持住单模。
这五期,拢共1500+PPT的内容量,从材料、原理和结构来把光芯片的几个大类梳理清楚。