光電混合封裝技術(shù)白皮書(shū)

分布式存儲(chǔ)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)分析報(bào)告1分布式存儲(chǔ)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)分析報(bào)告1開(kāi)放數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)委員會(huì)ODCC（開(kāi)放數(shù)據(jù)中心委員會(huì)）發(fā)布的各項(xiàng)成對(duì)于未經(jīng)著作權(quán)人書(shū)面同意而實(shí)施的剽竊、復(fù)制、修I本白皮書(shū)在撰寫(xiě)過(guò)程中得到了多家單位的大力）：）：光電混合封裝技術(shù)白皮書(shū)斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)互聯(lián)的發(fā)展歷程，這是一個(gè)用光信號(hào)的連接逐步取代電信號(hào)在數(shù)據(jù)中心部署的光纖互聯(lián)的形態(tài)是采用可插拔的光模塊的形換。但是隨著交換容量的增加和Serdes速率的提升，交換芯片和面板之間的電面臨很大的挑戰(zhàn)。光電混合封裝技術(shù)的發(fā)展就是為了解決這線的連接距離，盡可能減小高速信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗，《光電混合封裝技術(shù)白皮書(shū)》結(jié)合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)光電混合封裝技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行系據(jù)中心用戶和產(chǎn)業(yè)鏈上下游供應(yīng)商，梳理了光電混合封格以及應(yīng)用形式，希望能做為從業(yè)人員的技術(shù)參考，讓光電混合封裝技術(shù)白皮書(shū)AI:ArtificialIntelligASIC:ApplicationSpecificCMOS:ComplementaryMeIEEE:InstituteofElectricalandElectronicsEngineersI/O:Input/Outputdriver.TheoutputdrivQSFP-DD:QuadSmallForm-factorPluggableD400GAUI-8:400Gbpseight-laneAttachmentUnitInterface400GDR4:400GEopticalstandardutilizingribbonfiberwith4x100Gbpstand4x100Gbpsreceive400GFR4:400GEopticV光電混合封裝技術(shù)白皮書(shū) I II III IV 1 1 4 6 6 7 9 10 11 11 13 16 18 19 21 21 22光電混合封裝技術(shù)白皮書(shū) 22 23 25 27 27 28在帶寬密集型應(yīng)用業(yè)務(wù)、人工智能和高性能計(jì)算的驅(qū)動(dòng)下，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)對(duì)交換容量、連接帶寬、集群規(guī)模的追求永無(wú)止境。云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的流量以東西向?yàn)橹?，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸主要發(fā)生在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，這就使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間存在著大量的高速的物理線路連接。隨著連接速度的提高和傳輸距離的擴(kuò)大，光纖通信技術(shù)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中發(fā)越來(lái)越重要的作用。一直以來(lái)，光模塊作為可插拔的獨(dú)立的光信號(hào)收發(fā)單元承擔(dān)著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)光電/電光的轉(zhuǎn)換。光模塊多源協(xié)議（MSA）和電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）等標(biāo)準(zhǔn)組織定義了種類(lèi)繁多的光互聯(lián)類(lèi)型，以覆蓋不同的應(yīng)用場(chǎng)景。表1中為當(dāng)前數(shù)據(jù)中心中正在大量部署的光模塊類(lèi)型。標(biāo)準(zhǔn)化的電接口、光接口以及管理接口，保證光模塊與設(shè)備之間，以及光模塊與光模塊表1數(shù)據(jù)中心光模塊類(lèi)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光互聯(lián)技術(shù)形態(tài)的演進(jìn)，主要的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的光端口的吞吐帶寬為Serdes帶寬的整數(shù)倍。比如100GCAUI4端口包含了4個(gè)換容量提升需要相應(yīng)增加單端口的連接帶寬，以保證端口數(shù)量在面板容納能力以內(nèi)。Serdes速率決定了光模塊電口的形態(tài)和規(guī)格，連接距離和端口帶寬決定了光模塊光口形態(tài)和規(guī)格。如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備Serdes速率從信號(hào)完整性規(guī)格，以滿足物理層鏈路上模塊、線纜與設(shè)備之間的連通性和兼容圖1數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備Serdes速率發(fā)展路徑PCB高速差分線作為傳輸介質(zhì)。高速電信號(hào)在PCB上傳輸?shù)倪^(guò)程中受介質(zhì)損耗和趨膚效應(yīng)的影響，傳輸?shù)木嚯x越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)速率越高，信號(hào)質(zhì)量劣化現(xiàn)象越嚴(yán)優(yōu)化和信號(hào)完整性的補(bǔ)償，也能實(shí)現(xiàn)ASIC芯片到面板的電連接，但是在交換容量達(dá)到51.2T及以上的時(shí)候，高密度的ASIC到面板的電連接將使得PCB3光電混合封裝技術(shù)白皮書(shū)光通信業(yè)界普遍認(rèn)為光電混合封裝是下一代光互聯(lián)的重要解決方案。由于到技術(shù)瓶頸，傳統(tǒng)的可插拔光學(xué)器件和板端信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)在成本和功耗方面將光子技術(shù)，主要解決大型數(shù)據(jù)中心機(jī)架及機(jī)群之間光互聯(lián)的應(yīng)用。在本文中，僅結(jié)合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的需求和發(fā)展情況，探索光電混合封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以圖2光電子技術(shù)發(fā)展方向光電子技術(shù)的發(fā)展的主題一直都是高速，低功耗，低成本。這三點(diǎn)推動(dòng)光電子器件向著集成化的方向發(fā)展，從最初的分離器件發(fā)展到收發(fā)模組，再到單片集成。硅基光子學(xué)是實(shí)現(xiàn)光子集成的最優(yōu)的選擇。業(yè)界期望光電子技術(shù)的發(fā)展歷程是跟微電子一樣的，從分立器件，到小型模組/模塊化，最終希望能實(shí)現(xiàn)4大規(guī)模的單片集成。但是光電子器件受工藝和材料技術(shù)的限制，目前大量商用的光電子器件還是處于第二三個(gè)階段。而微電子我們知道已經(jīng)早早進(jìn)入大規(guī)模集成階段，CMOS工藝制程已經(jīng)進(jìn)入7nm時(shí)代，5nm/3nm的制程也在開(kāi)發(fā)中，集成電路的規(guī)模按照摩爾定律向前發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)光通信回路的大規(guī)模集成，首先想到的就是去借鑒微電子集成的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，硅基微電子集成無(wú)論是工藝制程還是產(chǎn)業(yè)生態(tài)已經(jīng)積累了大量成熟的經(jīng)驗(yàn)，從而催生了硅基光子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。光電混合封裝需要光電器件的高度集成，是硅基光子技術(shù)最理想的應(yīng)用光電混合封裝技術(shù)給數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來(lái)的好處主要有三個(gè)方面，首先是信號(hào)完整性，因?yàn)榘压馐瞻l(fā)器件和ASIC芯片封裝在一起，電信號(hào)的傳輸了極大的縮小，電信號(hào)所需要的補(bǔ)償也就相應(yīng)的大大減小，這樣不但提高了信號(hào)傳輸質(zhì)量，同時(shí)也使得真?zhèn)€PCB版的信號(hào)走線布局更為靈活；第二方面是高集成度，剛才提到現(xiàn)在單芯片的交換帶寬已經(jīng)來(lái)到25.6T和51.2T，這就對(duì)設(shè)備的尺寸和集成度提出了要求。光電混合封裝意味著直接將光信號(hào)從合封芯片引到面板上，也就是面板上直接是小尺寸的光連接器，這樣能有效提高設(shè)備面板的連接密度；第三方面是成本上的節(jié)約，如果采用成熟的CMOS工器件的大規(guī)模集成，將為我們帶來(lái)可觀的成本節(jié)約。而且短的高速電傳輸總線在減小信號(hào)衰減的同時(shí)，也能降低補(bǔ)償信號(hào)完圖3光電混合封裝產(chǎn)業(yè)鏈5光電混合封裝技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年發(fā)展已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈體系，一些公司已經(jīng)推出了明確的產(chǎn)業(yè)化路標(biāo)。正在積極開(kāi)發(fā)光電混合封裝技術(shù)和產(chǎn)品的公近年來(lái)，關(guān)于硅基光子技術(shù)和光電混合封裝的收購(gòu)與整合的從未停歇：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商思科先后收購(gòu)了硅光公司Lightwire、Luxtera、Acacia，華為收購(gòu)了比利時(shí)硅光子公司Caliopa，Intel收購(gòu)交換芯片公司Barefoot，Ciena收購(gòu)TeraXion磷化銦和硅光子資產(chǎn)，Juniper收購(gòu)了Aurrion，諾基亞收購(gòu)了硅基光子公司Elenion，這些并購(gòu)案總價(jià)值達(dá)50億美金。所有這些收購(gòu)都瞄準(zhǔn)了光電混合集成的路線，一方面顯示市場(chǎng)對(duì)這一技術(shù)方向的看好，另一方面也預(yù)示作為當(dāng)前光電通信領(lǐng)域最熱門(mén)的技術(shù)方向，光電混合封裝的實(shí)現(xiàn)方式和架構(gòu)形態(tài)比較多，而且處于不斷的更新更迭中。我們這個(gè)項(xiàng)目選取在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心最具有實(shí)踐價(jià)值的技術(shù)方向，對(duì)光電混合封裝技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行系統(tǒng)研究和整理。第一階段的內(nèi)容包括光電混合封裝系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，光引擎，外置光電混合封裝的基本構(gòu)成包括ASIC芯片、光引擎、襯底及散熱機(jī)構(gòu)。圖2.1是一種典型的光電混合封裝的實(shí)現(xiàn)形式，僅用于說(shuō)明光電混合封裝的基本構(gòu)成，不代表本文對(duì)這種特定的封裝形式有傾向性。實(shí)際設(shè)計(jì)中不同的廠家的6圖4光電混合封裝功能框圖從圖4可以看，電芯片和光組件通過(guò)管腳固定在同一襯底上，固定的方式可以是管腳插座（socket）也可以是回流焊。ASIC負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)，光引擎負(fù)責(zé)光電/電光信號(hào)轉(zhuǎn)換，ASIC芯片和光引擎之間通過(guò)高速差分線連接。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備面板。整個(gè)封裝組件還應(yīng)該有合適的散熱機(jī)構(gòu)，對(duì)ASIC和光引擎工作按光源的放置方式區(qū)分，光電混合封裝的架構(gòu)可以分為兩個(gè)大類(lèi)，外置激光器光源和內(nèi)置激光器光源。硅基光子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光調(diào)制器和光波導(dǎo)的大規(guī)模集成，但是由于硅為間接帶隙半導(dǎo)體材料，很難作為光源材料直接發(fā)光，所以在硅基光子系統(tǒng)中還需要借助三五族磷化銦材料來(lái)提供連續(xù)的激光光源。在將其稱之為外置激光器光源（ELS）；如果將光源激光器通過(guò)異質(zhì)集成的方式與7外置光源的光電混合封裝系統(tǒng)從目前的產(chǎn)業(yè)界狀況來(lái)看，外置激光光源是主流。大功率的外置激光器，通過(guò)分光器同時(shí)為多個(gè)光調(diào)制器提供連續(xù)種子光源。光引擎中只包括了光調(diào)制器和接收器的陣列。這樣做的好處首先是將最容易發(fā)生故障的激光器放置在混合封裝以外，做到可替換可維護(hù)，其次是分散熱源，減輕核心芯片組的散熱壓力。獨(dú)立外置光源使得整個(gè)系統(tǒng)的布局和散熱設(shè)計(jì)變得更加靈活，同時(shí)也讓運(yùn)行過(guò)程中的維護(hù)變得更加便捷。外置光源的封裝形式和性能將在第4章節(jié)詳細(xì)8圖6內(nèi)置光源的光電混合封裝系統(tǒng)內(nèi)置式光源在同一芯片襯底上制作光源與調(diào)制器，光學(xué)部分作為整體封裝在一起。有些廠家具備三五族半導(dǎo)體材料的硅基集成能力，可以在硅基材料上用異質(zhì)外延的方式構(gòu)造三五族激光器結(jié)構(gòu)，這種形式對(duì)工藝和封裝都有很大的挑戰(zhàn)。通常情況下，基于化合物半導(dǎo)體材料的激光器芯片是光通信系統(tǒng)中可靠性最低的器件之一。光源和調(diào)制器的單片集成會(huì)帶來(lái)可靠性和散熱問(wèn)題，高密度的光源集成封裝在一起勢(shì)必成為整個(gè)系統(tǒng)的高風(fēng)險(xiǎn)因素，需要光路上有備份光源設(shè)計(jì)。內(nèi)置光源的優(yōu)勢(shì)也比較明顯，高度集成的光學(xué)組件將會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)本章節(jié)將介紹光引擎的基本構(gòu)成和功能特性。結(jié)合當(dāng)前集成光子技術(shù)的狀9光電混合封裝技術(shù)白皮書(shū)在光電混合封裝系統(tǒng)中，光引擎負(fù)責(zé)光電/電光的轉(zhuǎn)換圖73.2Tbps光引擎功能框圖光引擎的電氣端提供OIF-CEI-112GXS作為可選項(xiàng)，3.2Tbps光引擎的基本單元400GBASE也可以向下降速到200GBASE使用。當(dāng)工作在200GBASE模式時(shí)，光引擎的電路測(cè)支持32路56G光電混合封裝技術(shù)白皮書(shū)義，這樣既能復(fù)用現(xiàn)有200G/400G可插拔光模塊的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)生態(tài)，也能表2200GBASE-DR4發(fā)射端光學(xué)指標(biāo)表3200GBASE-DR4接收端光學(xué)指標(biāo)2．200GBASE-FR4工作模式下的光學(xué)特性表4200GBASE-FR4發(fā)射端光學(xué)指標(biāo)表5200GBASE-FR4接收端光學(xué)指標(biāo)3．400GBASE-DR4工作模式下的光學(xué)特性表6400GBASE-DR4發(fā)射端光學(xué)指標(biāo)表7400GBASE-DR4接收端光學(xué)指標(biāo)4．400GBASE-FR4工作模式下的光學(xué)特性表8400GBASE-FR4發(fā)射端光學(xué)指標(biāo)表9400GBASE-FR4接收端光學(xué)指標(biāo)圖8電氣接口參考模型目前主流的技術(shù)方案中，光引擎的電信號(hào)接口遵從CEI-112G-XSR-PAM4標(biāo)準(zhǔn)。光電混合封裝的應(yīng)用場(chǎng)景更接近CEI中定義的應(yīng)用模型C，如圖8所示。光電混合封裝技術(shù)白皮書(shū)表10電接口基本參數(shù)要求管理接口同樣采用目前400G可插拔光模塊使用的管理接口標(biāo)準(zhǔn)CMIS。目可插拔光模塊的管理總線通常采用I2C通信，但是對(duì)于高密度多通道的光引擎，I2C的通信速率不再滿足要求。因此現(xiàn)有的光電混合封裝系統(tǒng)多數(shù)采用圖9CMIS管理接口寄存器表圖10光引擎工作條件2.2小節(jié)中介紹了光電混合封裝系統(tǒng)可以采用外置激光器光源的形式，為光引擎提供連續(xù)光源。外置光源隔離半導(dǎo)體激光器帶來(lái)的散熱及可靠性風(fēng)險(xiǎn)，而且標(biāo)準(zhǔn)化的外置光源模塊設(shè)計(jì)可以覆蓋不同光電混合封裝系統(tǒng)的應(yīng)用。因此外置光源模塊是目前大多數(shù)廠家采用的方案。本章將對(duì)外置激光器的結(jié)構(gòu)、封需要使用大功率的半導(dǎo)體激光器。根據(jù)整個(gè)模塊的散熱情況，可以選用TEC對(duì)激光器工作溫度進(jìn)行控制。為了保持輸出光功率的穩(wěn)定，通常還會(huì)采用負(fù)反饋的自動(dòng)功率控制電路，同時(shí)對(duì)光功率和激光器偏置電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。MCU負(fù)責(zé)整個(gè)模塊的控制和監(jiān)控，以及向外為主機(jī)提供管理總線和低速信號(hào)管腳。一個(gè)外置激光器模塊中可以包含多個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯，這些激光器都可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和控制，在某些應(yīng)用場(chǎng)景下部分管芯可以單圖11外置激光器模塊功能框圖外置激光器輸出的連續(xù)光通過(guò)保偏光纖連接到光引擎，然后分光器將連續(xù)光源分給多個(gè)光調(diào)制器。圖12為使用400GBASE-DR4單元時(shí)的外置激光器連接關(guān)系示例。每個(gè)外置激光器模塊包含兩個(gè)獨(dú)立的相同波長(zhǎng)的激光器，每個(gè)激光圖12400GBASE-DR4模式的外置激光器示例表11DR4模式下的外置激光器光學(xué)特性圖13為使用400GBASE-FR4單元時(shí)的外置激光器連接關(guān)系示例。此時(shí)需要四種波長(zhǎng)的激光器，每個(gè)激光器為8個(gè)100Gbps調(diào)制通道提供光源。調(diào)制后再將4個(gè)波長(zhǎng)用合波器（MUX）混合到一根單模光纖中。表12為FR4模式下光源圖13400GBASE-FR4模式的外置激光器示例表12FR4模式下的外置激光器光學(xué)特性為了降低激光器的使用數(shù)量，需要提高單個(gè)激光器的輸出光功率，同時(shí)也同時(shí)高功率激光器需要考慮使用中的人眼安全。比如使用光電同口的設(shè)計(jì)或者外置激光器模塊目前主流的封裝形式有兩種。第一種是采用已有的光模塊封裝形式，包括QSFP-DD和OSFP封裝。如圖14所示，因?yàn)閭?/p>