光电混合封装技术白皮书

分布式存储技术与产业分析报告1分布式存储技术与产业分析报告1开放数据中心标准推进委员会ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修I本白皮书在撰写过程中得到了多家单位的大力）：）：光电混合封装技术白皮书断涌现。为了适应数据中心网络的发展需求，网络设互联的发展历程，这是一个用光信号的连接逐步取代电信号在数据中心部署的光纤互联的形态是采用可插拔的光模块的形换。但是随着交换容量的增加和Serdes速率的提升，交换芯片和面板之间的电面临很大的挑战。光电混合封装技术的发展就是为了解决这线的连接距离，尽可能减小高速信号在传输过程中的损耗，《光电混合封装技术白皮书》结合数据中心网络的应用需求术的发展趋势，对光电混合封装技术的发展状况进行系据中心用户和产业链上下游供应商，梳理了光电混合封格以及应用形式，希望能做为从业人员的技术参考，让光电混合封装技术白皮书AI:ArtificialIntelligASIC:ApplicationSpecificCMOS:ComplementaryMeIEEE:InstituteofElectricalandElectronicsEngineersI/O:Input/Outputdriver.TheoutputdrivQSFP-DD:QuadSmallForm-factorPluggableD400GAUI-8:400Gbpseight-laneAttachmentUnitInterface400GDR4:400GEopticalstandardutilizingribbonfiberwith4x100Gbpstand4x100Gbpsreceive400GFR4:400GEopticV光电混合封装技术白皮书 I II III IV 1 1 4 6 6 7 9 10 11 11 13 16 18 19 21 21 22光电混合封装技术白皮书 22 23 25 27 27 28在带宽密集型应用业务、人工智能和高性能计算的驱动下，云计算数据中心的数量和规模持续扩张，数据中心网络对交换容量、连接带宽、集群规模的追求永无止境。云计算数据中心的流量以东西向为主，也就是说数据业务的传输主要发生在数据中心内部，这就使得网络节点之间存在着大量的高速的物理线路连接。随着连接速度的提高和传输距离的扩大，光纤通信技术在数据中心网络中发越来越重要的作用。一直以来，光模块作为可插拔的独立的光信号收发单元承担着数据业务光电/电光的转换。光模块多源协议（MSA）和电气与电子工程师协会（IEEE）等标准组织定义了种类繁多的光互联类型，以覆盖不同的应用场景。表1中为当前数据中心中正在大量部署的光模块类型。标准化的电接口、光接口以及管理接口，保证光模块与设备之间，以及光模块与光模块表1数据中心光模块类型BandwidthModuleTypeDistanceFibertypeOpticalInterfaceElectricalInterfaceStandard100GbpsNRZSFP2825GBASE-SR<30mAOC25GNRZ850nm25GAUI802.3bm100GbpsNRZQSFP28100GBASE-SR4100m8coreMMFParallelNRZ850nmVCSELCAUI-4802.3bmQSFP28100GBASE-CWDM42km2coreSMFNRZCWDM4Multi-SourceAgreementQSFP28100GBASE-LR410km2coreSMFNRZLWDM4802.3ba1100GbpsPAM4200GBASE-SR4100GBASE-SR2<30mY-CablePAM4850nmVCSELPAM4850nmVCSEL802.3cdDSFP100GBASE-SR2<30mAOCPAM4850nmVCSELMulti-SourceAgreementQSFP28100GBASE-DR1/FR1500m/2km2coreSMF1x100GPAM4O-bandCAUI-4Multi-SourceAgreement200GbpsQSFP56200GBASE-SR4100m8coreMMFParallelPAM4850nmVCSEL802.3cdQSFP56200GBASE-FR42km2coreSMFPAM4CWDM802.3cn400GbpsQSFP-DD400GBASE-SR8100m16coreMMFParallelAPCPAM4850nmVCSELP802.3cmQSFP-DD400GBASE-DR4500m8coreMMFParallelPAM41310nm802.3bsQSFP-DD400GBASE-FR42km2coreSMFPAM4CWDM802.3cuCFP2DCO120km2coreSMF16QAM64GbaudCoherentOIFCFP2DCOQSFPDDZR120km2coreSMF16QAM64GbaudCoherent802.3cw400GbpsCoherentCFP2DCO120km2coreSMF16QAM64GbaudOIFCFP2DCOQSFPDDZR120km2coreSMF16QAM64Gbaud802.3cw2光互联技术形态的演进，主要的驱动力来自于网络设备的光端口的吞吐带宽为Serdes带宽的整数倍。比如100GCAUI4端口包含了4个换容量提升需要相应增加单端口的连接带宽，以保证端口数量在面板容纳能力以内。Serdes速率决定了光模块电口的形态和规格，连接距离和端口带宽决定了光模块光口形态和规格。如图1所示，网络设备Serdes速率从信号完整性规格，以满足物理层链路上模块、线缆与设备之间的连通性和兼容图1数据中心网络设备Serdes速率发展路径PCB高速差分线作为传输介质。高速电信号在PCB上传输的过程中受介质损耗和趋肤效应的影响，传输的距离越长，数据速率越高，信号质量劣化现象越严优化和信号完整性的补偿，也能实现ASIC芯片到面板的电连接，但是在交换容量达到51.2T及以上的时候，高密度的ASIC到面板的电连接将使得PCB3光电混合封装技术白皮书光通信业界普遍认为光电混合封装是下一代光互联的重要解决方案。由于到技术瓶颈，传统的可插拔光学器件和板端信号补偿技术在成本和功耗方面将光子技术，主要解决大型数据中心机架及机群之间光互联的应用。在本文中，仅结合数据中心网络的需求和发展情况，探索光电混合封装技术的发展现状以图2光电子技术发展方向光电子技术的发展的主题一直都是高速，低功耗，低成本。这三点推动光电子器件向着集成化的方向发展，从最初的分离器件发展到收发模组，再到单片集成。硅基光子学是实现光子集成的最优的选择。业界期望光电子技术的发展历程是跟微电子一样的，从分立器件，到小型模组/模块化，最终希望能实现4大规模的单片集成。但是光电子器件受工艺和材料技术的限制，目前大量商用的光电子器件还是处于第二三个阶段。而微电子我们知道已经早早进入大规模集成阶段，CMOS工艺制程已经进入7nm时代，5nm/3nm的制程也在开发中，集成电路的规模按照摩尔定律向前发展。为了实现光通信回路的大规模集成，首先想到的就是去借鉴微电子集成的发展经验，硅基微电子集成无论是工艺制程还是产业生态已经积累了大量成熟的经验，从而催生了硅基光子技术的出现和发展。光电混合封装需要光电器件的高度集成，是硅基光子技术最理想的应用光电混合封装技术给数据网络系统带来的好处主要有三个方面，首先是信号完整性，因为把光收发器件和ASIC芯片封装在一起，电信号的传输了极大的缩小，电信号所需要的补偿也就相应的大大减小，这样不但提高了信号传输质量，同时也使得真个PCB版的信号走线布局更为灵活；第二方面是高集成度，刚才提到现在单芯片的交换带宽已经来到25.6T和51.2T，这就对设备的尺寸和集成度提出了要求。光电混合封装意味着直接将光信号从合封芯片引到面板上，也就是面板上直接是小尺寸的光连接器，这样能有效提高设备面板的连接密度；第三方面是成本上的节约，如果采用成熟的CMOS工器件的大规模集成，将为我们带来可观的成本节约。而且短的高速电传输总线在减小信号衰减的同时，也能降低补偿信号完图3光电混合封装产业链5光电混合封装技术经过十几年发展已经形成了完整的产业链体系，一些公司已经推出了明确的产业化路标。正在积极开发光电混合封装技术和产品的公近年来，关于硅基光子技术和光电混合封装的收购与整合的从未停歇：网络设备商思科先后收购了硅光公司Lightwire、Luxtera、Acacia，华为收购了比利时硅光子公司Caliopa，Intel收购交换芯片公司Barefoot，Ciena收购TeraXion磷化铟和硅光子资产，Juniper收购了Aurrion，诺基亚收购了硅基光子公司Elenion，这些并购案总价值达50亿美金。所有这些收购都瞄准了光电混合集成的路线，一方面显示市场对这一技术方向的看好，另一方面也预示作为当前光电通信领域最热门的技术方向，光电混合封装的实现方式和架构形态比较多，而且处于不断的更新更迭中。我们这个项目选取在大规模数据中心最具有实践价值的技术方向，对光电混合封装技术的发展状况进行系统研究和整理。第一阶段的内容包括光电混合封装系统的硬件架构，光引擎，外置光电混合封装的基本构成包括ASIC芯片、光引擎、衬底及散热机构。图2.1是一种典型的光电混合封装的实现形式，仅用于说明光电混合封装的基本构成，不代表本文对这种特定的封装形式有倾向性。实际设计中不同的厂家的6图4光电混合封装功能框图从图4可以看，电芯片和光组件通过管脚固定在同一衬底上，固定的方式可以是管脚插座（socket）也可以是回流焊。ASIC负责数据的处理和转发，光引擎负责光电/电光信号转换，ASIC芯片和光引擎之间通过高速差分线连接。网络设备面板。整个封装组件还应该有合适的散热机构，对ASIC和光引擎工作按光源的放置方式区分，光电混合封装的架构可以分为两个大类，外置激光器光源和内置激光器光源。硅基光子技术可以实现光调制器和光波导的大规模集成，但是由于硅为间接带隙半导体材料，很难作为光源材料直接发光，所以在硅基光子系统中还需要借助三五族磷化铟材料来提供连续的激光光源。在将其称之为外置激光器光源（ELS）；如果将光源激光器通过异质集成的方式与7外置光源的光电混合封装系统从目前的产业界状况来看，外置激光光源是主流。大功率的外置激光器，通过分光器同时为多个光调制器提供连续种子光源。光引擎中只包括了光调制器和接收器的阵列。这样做的好处首先是将最容易发生故障的激光器放置在混合封装以外，做到可替换可维护，其次是分散热源，减轻核心芯片组的散热压力。独立外置光源使得整个系统的布局和散热设计变得更加灵活，同时也让运行过程中的维护变得更加便捷。外置光源的封装形式和性能将在第4章节详细8图6内置光源的光电混合封装系统内置式光源在同一芯片衬底上制作光源与调制器，光学部分作为整体封装在一起。有些厂家具备三五族半导体材料的硅基集成能力，可以在硅基材料上用异质外延的方式构造三五族激光器结构，这种形式对工艺和封装都有很大的挑战。通常情况下，基于化合物半导体材料的激光器芯片是光通信系统中可靠性最低的器件之一。光源和调制器的单片集成会带来可靠性和散热问题，高密度的光源集成封装在一起势必成为整个系统的高风险因素，需要光路上有备份光源设计。内置光源的优势也比较明显，高度集成的光学组件将会使得网络设本章节将介绍光引擎的基本构成和功能特性。结合当前集成光子技术的状9光电混合封装技术白皮书在光电混合封装系统中，光引擎负责光电/电光的转换图73.2Tbps光引擎功能框图光引擎的电气端提供OIF-CEI-112GXS作为可选项，3.2Tbps光引擎的基本单元400GBASE也可以向下降速到200GBASE使用。当工作在200GBASE模式时，光引擎的电路测支持32路56G光电混合封装技术白皮书义，这样既能复用现有200G/400G可插拔光模块的标准规范和技术生态，也能表2200GBASE-DR4发射端光学指标表3200GBASE-DR4接收端光学指标2．200GBASE-FR4工作模式下的光学特性表4200GBASE-FR4发射端光学指标表5200GBASE-FR4接收端光学指标3．400GBASE-DR4工作模式下的光学特性表6400GBASE-DR4发射端光学指标表7400GBASE-DR4接收端光学指标4．400GBASE-FR4工作模式下的光学特性表8400GBASE-FR4发射端光学指标表9400GBASE-FR4接收端光学指标图8电气接口参考模型目前主流的技术方案中，光引擎的电信号接口遵从CEI-112G-XSR-PAM4标准。光电混合封装的应用场景更接近CEI中定义的应用模型C，如图8所示。光电混合封装技术白皮书表10电接口基本参数要求管理接口同样采用目前400G可插拔光模块使用的管理接口标准CMIS。目可插拔光模块的管理总线通常采用I2C通信，但是对于高密度多通道的光引擎，I2C的通信速率不再满足要求。因此现有的光电混合封装系统多数采用图9CMIS管理接口寄存器表图10光引擎工作条件2.2小节中介绍了光电混合封装系统可以采用外置激光器光源的形式，为光引擎提供连续光源。外置光源隔离半导体激光器带来的散热及可靠性风险，而且标准化的外置光源模块设计可以覆盖不同光电混合封装系统的应用。因此外置光源模块是目前大多数厂家采用的方案。本章将对外置激光器的结构、封需要使用大功率的半导体激光器。根据整个模块的散热情况，可以选用TEC对激光器工作温度进行控制。为了保持输出光功率的稳定，通常还会采用负反馈的自动功率控制电路，同时对光功率和激光器偏置电流进行实时监测。MCU负责整个模块的控制和监控，以及向外为主机提供管理总线和低速信号管脚。一个外置激光器模块中可以包含多个半导体激光器管芯，这些激光器都可以独立驱动和控制，在某些应用场景下部分管芯可以单图11外置激光器模块功能框图外置激光器输出的连续光通过保偏光纤连接到光引擎，然后分光器将连续光源分给多个光调制器。图12为使用400GBASE-DR4单元时的外置激光器连接关系示例。每个外置激光器模块包含两个独立的相同波长的激光器，每个激光图12400GBASE-DR4模式的外置激光器示例表11DR4模式下的外置激光器光学特性图13为使用400GBASE-FR4单元时的外置激光器连接关系示例。此时需要四种波长的激光器，每个激光器为8个100Gbps调制通道提供光源。调制后再将4个波长用合波器（MUX）混合到一根单模光纤中。表12为FR4模式下光源图13400GBASE-FR4模式的外置激光器示例表12FR4模式下的外置激光器光学特性为了降低激光器的使用数量，需要提高单个激光器的输出光功率，同时也同时高功率激光器需要考虑使用中的人眼安全。比如使用光电同口的设计或者外置激光器模块目前主流的封装形式有两种。第一种是采用已有的光模块封装形式，包括QSFP-DD和OSFP封装。如图14所示，因为传