光模块是通信网络中的关键传输部件，其应用、技术、类型和术语多种多样。 对于该领域的新手来说，这可能会令人困惑。 讨论时 光模块，我们实际上在谈论什么？
本文旨在从多个角度深入探讨高度市场化的术语。 从客户需求开始，逐步涵盖元器件采购、工艺路径选择、封装工艺确定，最终形成光模块的完整制造流程。 旨在让读者对光模块有更清晰的整体了解。
本文描述了光模块的端到端制造流程，从客户需求出发，经过材料选择、设计和生产。 本文系统分析了光模块领域的众多术语、技术和类别。 同时，还简要介绍了行业发展趋势。
以数据中心为例，客户需求是500G传输距离100米，采用 QSFP28 接口，同时还要考虑整个系统的成本。 这一简洁的要求涵盖了光模块设计和制造中的每个关键细节。
选择1：封装方法和工艺路线。 我们可以选择 TO-CAN、BOX 和蝶形等密封封装选项，也可以选择 COB、COC 等非密封封装选项。
选择2：光模块类型。 可选择VCSEL、DFB、EML或窄线宽可调等多种类型。
选择3：设计路线。 它可以是单通道或多通道设计。
选择 4：调制格式。 可以是NZR、PAM4、相干调制（如QPSK、16QAM、64QAM等）
选择5：未来发展。 考虑到不断增加的数据速率、外包光学引擎和硅光子等新兴技术。
这些选择直接关系到产品所需的几个关键性能指标，并且与最终产品的整体可靠性和成本密切相关。 在竞争激烈的光模块领域，需要在参数组合之间找到最佳平衡点。
这涉及到追求性能方面，例如数据速率、小外形尺寸和长传输距离。 它还需要解决功耗和热管理挑战。 解决热管理问题反过来可能会引起成本考虑。 反过来，管理成本又涉及与稳定性和可靠性等因素相关的风险。
因此，尽管封装、外观、电气接口已经标准化，但光模块的设计和制造仍然需要丰富的经验。 了解客户需求，在性能、功耗、成本、可靠性之间取得平衡，是光模块行业企业核心竞争力的本质。
在这个充满挑战的过程中，设计人员需要考虑各种技术和业务因素，同时保持最佳性能。 他们需要确保产品以优异的性能在市场上保持竞争力。
根据客户的要求和室外环境，激光芯片容易受到蒸汽腐蚀和温度波动的影响，从而显着影响波长，我们正在考虑采用气密密封解决方案。 该解决方案包括将激光芯片密封在金属外壳内，用惰性气体填充外壳，并包括用于激光传输的密封窗口。 根据传输距离、芯片发热、成本要求、通道数等因素，我们可以选择不同的气密密封方式。
(1) TO-CAN封装
激光二极管放置在小型散热器（散热器）上，并通过焊线连接到电气引脚。 随后，将金属盖密封在激光二极管上，包括用于激光传输的密封窗口。 TO-CAN封装尺寸紧凑，成本相对较低，适合电信市场应用，例如基站前传、家庭宽带等领域的10公里10G/25G传输。
但由于其体积较小，可能不太适合大功率、大电流、长距离传输场景。 这是因为将更大的散热装置融入到如此紧凑的设计中具有挑战性。
组装成 TO-CAN 后，它实质上为激光二极管提供了基本封装。 然而，激光束的直径仍然可能与光纤的直径不同。 需要与透镜和光纤进一步对准和耦合，以将大部分能量集中到光纤中。
一旦所有组件完全封装，它就成为 TOSA（发射器光学组件）。 另一方面，当使用接收器芯片时，它被称为 ROSA（接收器光学组件）。 这些统称为 OSA（光学组件）。
(2) 蝴蝶套餐
为了满足高功率要求，可以采用蝶形封装解决方案。 激光二极管安装在更大的散热器上，还可以选择使用TEC（热电冷却器）温度控制系统。 透镜和隔离器等光学元件也容纳在金属外壳内。
(3) 盒装:
BOX包装是一种特殊形式的蝶形包装，旨在满足多渠道要求。 BOX封装内部集成了多个激光二极管，并通过单根光纤进行传输。 这种类型的封装适合对温度控制、气密密封和可靠性有较高要求的应用。 稍后将更详细地讨论多渠道问题，但这里仅简单提及。
随着光模块在市场上的广泛应用，数据中心配备了空调和环境监控设备。 与室外电信市场相比，数据中心提供了更优化的工作环境。 光模块的广泛使用对成本控制提出了更高的要求，导致非密封封装技术逐渐出现。 这项技术不断发展，可靠性不断提高，适用场景也在不断扩大。
简单来说，非气密封装是将光学芯片直接附着或焊接到印刷电路板 (PCB) 上，并使用环氧树脂等粘合材料进行基本密封。 这种方法减少了对许多辅助组件的需求，从而提高了成本效益和集成度。
COB（板上芯片）封装确实是非气密式封装的典型形式。 在COB封装中，激光芯片、激光阵列和接收器阵列等组件直接附着或粘合到PCB（印刷电路板）基板上，实现紧凑的封装形式。 这种方法消除了一些保护措施和辅助装置，使其成为相对具有成本效益的选择。
对于运行速度为 25Gbps 及以下的光模块，单通道 TO 或蝶形封装光收发器组件通常焊接到 PCB 板上。 然而，对于运行在40Gbps及以上的高速光模块，由于激光二极管速度的限制，通常需要并行使用多个通道。 例如，通过聚合40个10Gbps通道可以实现100Gbps，通过组合25个XNUMXGbps通道可以实现XNUMXGbps。
这对封装提出了更高的要求，包括并行光学设计、管理高速电磁干扰、减小物理尺寸以及解决散热问题等。 COB 封装是非常适合满足这些需求的解决方案。 它允许将TIA（跨阻放大器）/LA（限幅放大器）芯片、激光器阵列和接收器阵列集成到紧凑的封装中，从而实现模块的小型化。
总之，气密密封提供了由金属和玻璃构成的坚固保护屏障，使其适用于各种环境条件。 然而，非气密包装在受控工作环境中运行时可以优化成本，同时满足特定要求。
选择光芯片时，需要综合考虑传输距离、调制方式、成本等多种因素。 此外，供应链的状况也是一个重要的考虑因素，因为某些受欢迎的产品在生产的早期阶段可能会出现短缺、延误或交货延迟的情况。
半导体行业具有显着的规模经济，大多数芯片制造商优先考虑向大客户供货，而规模较小的制造商可能需要寻找替代供应商或解决方案。
由于需求差异，光模块企业在采购芯片时价格可能存在较大差异。 一些需求量大的大公司可能会比小制造商获得低20-30%的价格优势，这使其成为光模块行业的关键竞争因素。 因此，在芯片选型和采购过程中，还需要仔细考虑供应链和定价因素。
VCSEL 芯片是一种经济高效的选择，具有较大的发射角，通常与多模光纤结合使用。 然而，多模光纤往往更昂贵。 当考虑整个系统成本时，它更适合排序距离应用，例如AOC（有源光缆）为几米，SR（短程）光模块约为100米。
DFB（Distributed Feedback）芯片在原有FP（Fabry-Perot）激光器之上加工光栅，实现更精准的波长选择，从而提高输出波长的精度。 DFB 芯片具有更窄的发射角，可实现更高效的光路耦合。 因此，DFB芯片更常用于中长距离应用，例如500米或2公里，并且它们提供相对适中的成本选择。
EML（电吸收调制激光）芯片是一种成本较高的选择，由激光芯片（可以是DFB、DBR等）和外部电吸收调制器组成。 在工作过程中，激光芯片保持连续发射状态，并且通过切换吸收芯片的状态来控制EML激光器的信号输出。 使用EML的优点在于激光芯片的稳定运行，从而产生更纯净的发射波长。 即使经过外部调制器调制和长距离传输后，信号质量仍然很高。
EML适合长距离传输应用，例如10公里、20公里、40公里，甚至更远的距离。 然而，由于需要外部电吸收调制器以及长距离应用对质量的更高要求，EML芯片的成本相对DFB芯片要高，在相同的情况下高达50%甚至更多。数据速率。
在前面的讨论中，我们提到长距离传输会遇到色散问题，虽然EML（电吸收调制激光器）可以解决与线性调频相关的问题，但激光器固有的发射波长范围（称为“线宽”）仍然无法解决问题。持续存在。 在超长距离ODN（光分配网络）应用中，例如80公里、100公里甚至更长的距离，这个问题仍然突出。
另一方面，对于超长距离干线传输，系统整体成本的考虑至关重要。 从北京到上海铺设大量光纤会产生大量费用。 因此，引入 DWDM 密集波分复用技术能够在单根光纤上传输不同波长的信号，大大增强了单根光纤的传输容量，降低了长途干线的整体系统成本。 满足这些双重要求需要使用可调谐窄线宽激光器。
可调谐窄线宽激光器结构复杂，实现方法多种多样，包括电流控制、温度控制、机械控制等。 以外腔机械控制方式为例，在普通激光器外部增加光栅结构，通过机械控制调节输出波长，实现更精准的波长控制。
历史上可调谐激光器的应用有限，但随着 5G 前传中可能引入波分复用 (WDM) 技术，一些制造商正在探索使用可调谐激光器的可能性。 未来对这些技术的需求可能会发生重大变化。
对此，Ascent Optics 提供了 可调谐 SFP+/XFP 10G DWDM 80km光模块满足当前5G前传WDM应用需求。 下图是该模块的原理示意图。
总之，根据不同的传输距离、调制方式和特殊要求，选择合适的光芯片至关重要。 VCSEL适合低成本短距离，DFB激光器适合中距离，EML适合中长距离和特殊调制需求，而可调谐窄线宽激光器适合超长距离和特殊应用。
在光模块设计过程中，我们已经根据使用环境选择了合适的封装形式，并根据传输距离和性能要求选择了合适的激光器类型。 接下来，我们需要根据传输速率选择通道数和调制方法。
在设计过程中，我们必须在几个关键指标之间取得微妙的平衡，包括芯片等级（性能和成本）、通道数（小型化、散热、封装复杂性）和调制方法（芯片成本、可靠性、设计复杂性） 。 通过对这些方面进行综合评估和权衡，最终确定最优的光模块设计方案。
最简单的解决方案。 一种包含一个激光器和一个接收器的光模块，用于单通道传输。
例如，10G芯片可以与NRZ调制一起使用来创建10G光模块。 或者，可以使用 10G 芯片与过采样调制来创建 25G 前向纠错 (FEC) 光模块。 并且可以使用50G芯片 PAM4 调制创建100G DR1数据中心光模块。 这种类型的设计适合单通道的要求。
随着客户对带宽需求的增加，多通道设计成为解决方案之一。 在该设计中，多通道激光器和接收器相结合以实现更高的传输速率。 然而，多通道设计面临着如何通过光纤有效传输数据的挑战。
每个激光器直接连接到单根光纤进行传输。 这种设计简单，所需元件较少，成本相对较低。 然而，当处理较长的传输距离时，由于每根光纤的累积成本，多光纤方法可能会产生巨大的成本压力。 该方式适用于中短距离场景。
为了减少光纤的使用量，可以采用单纤解决方案。 该方法利用粗波分复用（CWDM）原理，将来自四个不同激光器的信号组合到一根光纤上进行传输，并在接收端分离出不同波长的信号进行检测。 实现这一目标的两条主要技术路线是TFF（薄膜滤波器）滤波和AWG（阵列波导光栅）器件。
TFF（薄膜滤光片）滤光片：
这种方法涉及使用滤波器在不同激光进入光纤之前将其波长分开。 该方法具有相对较低的温度敏感性，但设计和生产复杂性较高。
AWG（阵列波导光栅）设备：
使用 AWG 芯片组合和分离波长。 虽然该方法具有相对较高的温度敏感性，但其设计相对简单。
这两个子方案各有特点。 AWG器件对温度相对敏感，需要较高的温度控制能力，导致成本相对较高（在相似良率和产量的情况下）。 然而，AWG 设备的设计和生产阶段相对简单。
另一方面，TFF解决方案对温度敏感度较低，但器件设计和制造难度较大，需要设计、涂层和耦合对准等方面的先进技能。
在选择合适的调制格式时，重要的是要考虑不同方法的优缺点，并进行详细的比较。 下面介绍几种常见的调制格式及其特点：
NRZ调制是传统的光模块调制方式，其原理比较简单。 在NRZ调制下，激光器发出的高/低光功率分别对应二进制1和0信号。 这种调制方法很容易理解，但对于高速数据传输可能有限制。
所需的芯片元件比较简单，通常包括驱动芯片、放大器（TIA、LA）、时钟恢复电路（CDR）和控制芯片（MCU或ASIC）。 NRZ调制适用于一些中短距离的数据传输场景，例如数据中心内的连接。
为了实现更高的数据传输速率，引入了PAM4调制技术。 PAM4调制将光信号的功率分为四个不同的阈值，分别对应二进制信号状态00、01、10和11。通过采用更密集的功率电平方案，PAM4可以在相同的时间内传输更多的数据，从而提高了传输速率。传输速度。
由于 PAM4 调制需要精确的功率控制和更窄的检测阈值，因此通常需要使用外腔激光器 (EML) 激光二极管。 除了NRZ调制所需的芯片组件外，还需要数字信号处理器（DSP）芯片进行信号处理，将数字信号转换为模拟信号。
超频方案是通过使用低速芯片传输高速信号来降低成本。 例如，可以使用10Gbps的光芯片来传输25Gbps的信号。 然而，这种方法可能会导致信号质量下降，因为超频信号可能会在激光器发射加速过程中遇到阈值识别降低的问题。
目前25G光模块常见的配置有两种：基于25G光芯片的模块和10G光芯片超频。 与超频10G光芯片相比，基于25G光芯片的模块具有更高的可靠性和稳定性，但其生产工艺要求更为严格。
相干调制是一种特殊的调制技术，它利用信号的相位和幅度参数。 它有两个主要优点：首先，它可以在一个信号周期内传输更多数据，类似于 PAM4 调制。 其次，它通过差分相移键控等技术实现了出色的抗干扰性，使其适合超长距离传输。
相干调制技术确实为超长距离传输提供了独特的优势。 但相比传统调制方式，其实现更为复杂，需要更先进的调制设备和算法支持。
综上所述，调制方式的选择需要考虑多种因素，包括传输要求、光芯片特性、成本等。 此外，还应考虑外形尺寸和接口的标准化，以确保光模块的兼容性和互操作性。 在设计光模块时，必须在这些不同的参数和约束之间取得平衡，以实现最佳的设计解决方案。
通过本文的全面分析，我们对光模块的设计和应用有了深入的了解，涵盖了从源头到端点的多个关键环节和技术考虑。 光模块作为现代通信领域的核心器件，在数据中心、云计算等领域发挥着至关重要的作用。 它们还展示了 5G 通信和物联网 (IoT) 等新兴应用的巨大潜力。 在如此多元化和快速发展的背景下，我们可以对光模块的未来进行一些展望。
随着通信技术的不断进步，光模块将继续向更高的速度、更小的外形尺寸和更高的可靠性发展。 从10G、25G到100G、400G，传输速率的不断提升将为数据传输提供更大的带宽和容量。 此外，随着5G时代的到来，光模块在无线通信上的应用将不断增长。 例如，用于前传和网络连接的光学模块。 这将大大加快数据传输的速度和智能化。
此外，随着可持续发展的重要性不断增强，光模块设计也将更加注重能源效率和环境考虑。 在设计过程中，我们会考虑降低功耗、提高散热效率、使用可再生材料等策略。
未来，随着技术的不断创新和突破，光模块将在推动信息通信技术领域的进步中发挥更加关键的作用。 无论是在数据中心、通信网络还是新兴应用中，光模块都将不断发展。 他们旨在为人们提供更快、更可靠的连接，让信息传输更加便捷、高效。
综上所述，光模块作为通信技术的关键驱动力之一，其未来充满希望和挑战。 我们期待这一领域有更多的创新突破，为全球通信的美好未来铺平道路。
