高带宽光模块解决方案的技术

逍遥设计自动化

引言
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2 K( I6 S! q* E, ]! \人工智能、机器学习工作负载、云计算、AR/VR、视频流媒体、5G技术和自动驾驶汽车等应用的快速发展，推动了数据通信需求的持续增长。本文探讨光模块解决方案的演进过程以及推动1.6T和3.2T技术发展的技术创新[1]。
可插拔光收发器概述
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# W7 _8 Q! L) j+ `9 _% ], H可插拔光收发器是数据通信系统的核心组件，负责电信号和光信号的转换。这些模块支持热插拔功能，使系统维护和升级无需停机。可插拔光收发器遵循多源协议(MSA)定义的行业标准，包括SFP、QSFP、QSFP-DD和OSFP等规格。

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图1：以太网交换机带宽和光收发器能力的历史演进过程，显示了SERDES速度与系统总带宽之间的关系。

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$ V2 M6 ~5 W' w# S" ^" y0 w6 |8 _图2：各种光收发器的外形规格，说明了不同带宽需求和应用场景下可选方案的多样性。
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6 U2 k3 m) r0 u* S% o光收发器的标准化使网络架构师能够在不修改底层电气交换设计的情况下灵活选择解决方案。例如，QSFP-DD规格支持多种变体，包括400GBASE-SR8、400GBASE-DR4和400GBASE-FR4，每种变体针对不同的应用场景和传输距离进行了优化。
# J( j$ O, ?4 W9 R. x$ N0 ~技术架构与组件

" g* D2 n  D. S8 l可插拔光收发器的架构包含多个协同工作的复杂组件：

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" m0 _& D* j+ T4 T图3：光收发器的关键组件，显示了从电信号输入到光信号输出的信号传输路径。
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系统首先通过定时器处理输入电信号，消除抖动并纠正信号损伤。定时后的信号通过各种可能的机制调制激光输出，包括直接调制激光器(DML)、电吸收调制激光器(EML)或基于硅基光电子的解决方案，如马赫-曾德尔调制器和环形调制器。
制造方法的演进

传统的光收发器制造依赖于分立元件，需要精确的手动组装各种部件。这种方法在大规模生产应用中面临重大挑战。
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0 ?5 P& K6 c5 @) J( m: S图4：传统分立元件组装在光收发器中的复杂性，突出显示了制造过程中需要的多个对准步骤。
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- K/ e6 G6 f2 H1 s5 M0 m. b现代解决方案正在向集成方法发展，特别是硅基光电子技术。这一进步显著提高了制造效率和可靠性。
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图5：高度集成的光电子线路，将多个光学组件集成到单个芯片中，大大降低了组装复杂性。
先进集成技术

& C& @6 \) Z' }5 J' d8 @2 {& x业界在异质集成方面取得了显著进展，尤其是在晶圆级处理和激光器集成方面。

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! t2 s+ G; z+ l7 _, |8 ?9 a/ e8 X图6：InP材料与硅的晶圆级集成，实现了集成激光源的批量生产。

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图7：集成激光器在不同工作条件下的性能特性，证明了集成方法的稳定性和可靠性。
未来方向：迈向1.6T及更高带宽

业界正在快速向更高带宽解决方案发展，1.6T和3.2T模块正在研发中。这一进展对支持下一代交换机和人工智能集群非常重要。
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图8：为1.6T应用设计的先进光电子集成芯片，具有8个以200Gbps运行的高速马赫-曾德尔调制器。

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8 Y9 h. q3 D: y- Q7 @# o7 J( n: p+ ~图9：1.6T光模块的完整架构，展示了各种组件如何集成以实现更高的带宽能力。

向更高带宽解决方案的过渡将使每机架单元的容量翻倍，无需修改基础设施。200G/通道光链路的采用为这些先进解决方案奠定了基础，支持下一代102.4T交换机和大规模人工智能集群。
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光电共封装和计算互连领域的当前发展正在解决信号布线和功耗方面的挑战。通过将光学器件与ASIC更紧密地集成，这些解决方案最大限度地减少了电气走线长度，将功耗降低到5 pJ/bit以下。

硅基光电子技术和先进集成技术推动的光模块解决方案持续发展，确保了数据中心基础设施满足当前和未来的通信需求。在向1.6T和3.2T能力发展的过程中，这些技术进步将继续支持数据密集型应用和人工智能工作负载的扩展需求。
2 J$ T( V  A( W; A8 ~7 v参考来源

- u+ K/ v+ j: Q* U* t& t8 J[1] P. Russell, "Charting the Path Toward 1.6T and 3.2T Optical Module Solutions," Photonics.com, Jan. 24, 2024. [Online]. Available: https://www.photonics.com/Articles/Charting_the_Path_Toward_16T_and_32T_Optical/a70490 [Accessed: Jan. 24, 2025]
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