摘要：Amkor Technology封装开发高级总监 Suresh Jayaraman 表示：“我们已经见证了从长途网络到城域网、局域网，再到数据中心的转变。光纤已经从卡的边缘转移到板载，最近又转移到了封装上。”

光学技术在长距离通信方面已经非常成熟，但其服务的距离正在缩短——尤其是在数据中心。

垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 已经能够驱动短光纤链路。但人们正在努力进一步缩小其尺寸，以便通过波导提供比光纤更多的连接。

Amkor Technology封装开发高级总监 Suresh Jayaraman 表示：“我们已经见证了从长途网络到城域网、局域网，再到数据中心的转变。光纤已经从卡的边缘转移到板载，最近又转移到了封装上。”

目前，许多研究正在进行中，旨在将光纤更靠近数据中心的服务器。目前，该技术通常用于机架间通信，而大多数机架内线缆仍采用铜线。用光纤取代铜线仍然是一个发展机遇。

将激光器与硅集成

尤其令人感兴趣的是光纤将如何连接到处理器。标准可插拔格式可能会被线性可插拔光学器件 (LPO) 和共封装光学器件 (CPO) 所取代。但这些器件仍在开发中。

在如何集成光通信方面，激光器的三个主要特性是可靠性、温度敏感性和能耗。可靠性一直是首要考虑因素，尽管它已经有所改进，但开发人员仍然担心激光器焊接到电路板上时可能会出现故障而需要更换。这正是可插拔格式的核心驱动力。

Synopsys高级产品经理 Mitch Heins 表示：“好消息是，与过去相比，现在的激光器变得相当坚固、相当可靠。”但设计师仍然保持警惕。

众所周知，激光对温度变化非常敏感，当需要精确的波长时，这一点会非常棘手。（请注意，在电子学中，我们通常用频率（Hz）来定义速度，而在光学中，我们倾向于用波长（通常以纳米为单位）来表示。）

最后，能量很重要。激光器运行时最耗能，但与功率相关的一个因素是激光阈值。这是激发激光所需的最小电流。该电流是激光功率的前提，阈值越高，持续运行的电流就越多。

因此，人们的努力重点是建立高可靠性、低温敏感性和低阈值的激光器。

现有的激光器

当今的光学器件通常依赖于所谓的分布式反馈激光器 (DFB)。这些激光器结构性能良好，阈值位于中低毫安范围内，低于其他类型的激光器。

这项技术代表着长距离光纤的小型化，以适应更短的距离。激光器通常工作在C波段或O波段。前者的中心波长为1550纳米，后者的中心波长为1310纳米。O波段与光纤通道中的最佳低损耗频率一致。C波段的损耗虽然不及C波段，但在可接受范围内，并且适合用于掺铒光纤放大器（ERFA），帮助信号在海底传输。

在数据中心和机架内，损耗很重要，但这些距离不需要ERFA，因此C波段没有任何价值（尽管它当然可用）。无论使用哪个波段，DFB都能提供干净的单模激光源，可用于互连。

“DFB激光器‘更优’——例如，线宽更窄、带宽更大、光输出功率更高，并且可以在O波段和C波段工作——但它们也更昂贵，”新思科技光子系统和电路首席工程师Jigesh Patel表示。“因此，它们通常用于单模光纤的长距离传输。DFB激光器也更适合相干光纤通信（有人认为最终会进入数据中心内部）和波分复用光纤系统（部分原因是其单模工作且线宽更窄，部分原因是它支持更大的工作波段）。”

正在进行的许多光学研究推动了硅光子学的发展。在硅光子学中，光子的作用不仅仅是从一处传播到另一处。它们在整个过程中进行计算，就像电子在电子学中一样。因此，那些无法进一步推动该技术发展的新光学发展可能会被绕过。然而，即使不满足光子学的需求，有效的互连也应该是可能的。

温度控制驱动系统配置

在激光器开发人员面临的挑战中，最大的挑战是温度管理。“你必须采取措施控制机架中设备的温度，这很困难，因为你要控制大约一度的温度，” Promex首席执行官迪克·奥特 (Dick Otte) 表示。“我们见过有人试图将光学设备的温度控制到精确到十分之一摄氏度的程度。”

如果没有良好的控制，噪声容限对于PAM4等信号格式来说就不够了。“温度变化会导致激光器尺寸变化，从而改变频率，导致信号超出带外，并降低信噪比，”Otte说。“当你开始使用PAM4和PAM16等调制方案来最大化数据量时，这些方案就开始失效了。”

虽然CPO仍然是一个目标，但是否包含激光器仍是一个悬而未决的问题。大多数专家倾向于将激光器置于容纳其他电子器件和光学器件的封装之外，以便于温度控制。激光器靠近高温芯片（例如处理器）尤其令人担忧——尤其是在活动起伏导致温度变化的情况下。

Jayaraman 表示：“由于面积和功率方面的考虑，激光器大多停留在封装外部。如果将激光器与封装分离，其性能和可靠性（寿命）也会得到提升，尽管光耦合损耗和边缘带宽密度损失是远程激光源需要解决的问题。”

Lightmatter 产品副总裁 Steve Klinger 对此表示赞同。“激光器对温度相对敏感，因此将它们与硅片的其余部分物理隔离，并能够将其放置在系统的其他位置是有利的。”

将激光器集成到一个精心控制的模块中甚至可能更有意义。光纤仍然可以将光传输到共封装电路，避免目前将光信号转换为电信号SerDes来驱动芯片的耗能方式。

“激光器通过封装边缘的一些光纤传输，它们与封装分离有两个原因，”Klinger说道。“一是激光器的可维护性。二是为大规模应用供电所需的激光功率。激光器的数量使得将激光器集成到一个单独的物理模块中成为可能，该模块可以插入或拔出系统。”

然而，其他激光器封装方法的研究仍在继续，这些激光器主要依赖于 III-V 族半导体。典型的共封装方案是在硅片中创建一个腔体，将激光器插入其中，假设它像大多数激光器一样是边缘发射型。通过将其嵌入芯片中，来自边缘的光可以进入波导。

图 1：边发射激光器与面发射激光器。上图展示了嵌入硅片的边发射激光器模型。下图展示了位于硅片顶部的面发射激光器（本例中为背面），并利用反射镜或光栅耦合器将光发射到波导中

进一步的研究仍在继续，即在硅表面外延生长 III-V 族材料。如果这种激光器是边缘发射的，则需要努力将发射光引导到硅层中。

Jayaraman 表示：“目前有很多关于将 III-V 族材料集成到硅基板上的活跃研究，例如单片集成、异质集成和转移印刷。然而，这些技术似乎都还未达到量产的水平。”

Heins 表示同意。“人们正在研究各种各样的解决方案，无论是在硅上生长 III-V 族元素，还是在硅上开个洞，然后把激光芯片放进去。”

与此同时，量子点 (QD) 激光器的研究仍在继续，这种激光器对温度的敏感度较低，但输出功率较低。QD 激光器主要用于显示器，其色纯度和可调性使其尤其具有吸引力。

VCSEL 或将迎来新的应用

VCSEL是一种更易于构建（即更便宜）的激光器，广泛应用于各种系统，例如光电鼠标以及较短的数据中心连接。Patel 表示：“如果机架内短距离连接使用多模光纤，VCSEL 将是最佳选择。它们易于制造，适合多模光纤使用的波长，而且成本更低。850nm 是 VCSEL 制造技术最为成熟的波长。”

然而，在硅光子学的背景下，VCSEL 存在一些问题。这些问题对于互连功能来说可能无关紧要，而且进一步的发展已经改善了它们的一些其他特性。

首先，它们的波长既不是O波段也不是C波段。许多器件的中心波长为850nm，还有一些新产品的中心波长为980nm。目前，人们正在努力研制波长更长的VCSEL，但目前尚未实现商业化生产。

Patel 解释说：“工作在 O 波段的 VCSEL 备受期待，但难以以高良率制造。过去三年取得了显著进展，不仅实现了 O 波段 VCSEL，而且带宽也比过去宽得多。而 PAM4 和 DP-PAM4 等较新的调制格式可以实现比激光器本身带宽更高的光谱效率。高带宽 O 波段 VCSEL 和 PAM4 都重新激发了人们对在单模光纤中使用 O 波段 VCSEL 的兴趣，而这在过去需要使用 DFB 激光器。”

一些VCSEL似乎也存在于1550nm波长，但尚未成熟。即便如此，只要波导末端将光信号转换回电信号的光电二极管能够有效响应，并且与其他光学元件不存在互操作性问题，那么特定波长对于互连来说可能就没那么重要了。

它们的输出相对较宽。这对于光子学来说是一个问题，因为光子学需要使用谐振器等需要精确波长的元件。同样，对于纯互连来说，这可能无关紧要。

VCSEL 的功率对于光子学来说太低，尽管它足以用于互连。但与光子学所需的速度相比，如果使用直接调制，调制速度会很慢。直接调制是指将电通信信号通过激光器本身，以产生调制光信号。这与先生成纯激光束，然后再对其进行调制不同。

Volantis Semiconductor 创始人兼首席执行官 Tapa Ghosh 表示：“如果你想直接调制它们，它们的速度会很慢，这就是 VCSEL 失宠的主要原因。”

它们还表现出多种模式和极化特性。这些特性可能有助于长距离通信，在长距离通信中，许多信号被聚合并复用到几条长距离线路中，但它们对于极短的点对点连接却毫无用处。

数据中心中的垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 通常用于驱动光纤。顾名思义，VCSEL 的光线垂直于表面发射，这与 DFB 等边发射激光器不同。这可以使集成更容易，因为背面发射激光器发出的垂直光线可以通过镜子反射到波导中。

这里的一大优势在于功率。DFB 的阈值为毫安级，而 VCSEL 的阈值则高达数百微安。

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来源：嫦娥追游戏