超高速光模块及核心器件发展现状与演进

        超高速相干光模块作为全频OTN网络的核心部件，其速率、传输距离、功耗、成本直接影响光传输网络基础设施的演进。目前长途400G和城域800G已进入商用阶段，长途800G和城域1.6T处于技术开发阶段。当单波速率提升时，为支持单纤传输容量升级，需要扩展工作波段，例如400G长途相干光模块工作波段从C波段向C+L波段扩展，未来T比特长途相干光模块还将向S+C+L多波段演进。随着相干光模块的技术发展，核心器件面临带宽、集成度、功耗和成本的挑战，推动新材料、新架构、新封装工艺的创新和突破。

发展现状

        电信领域长途和城域传输相干光模块以CFP2为主；数据中心间互联的相干光模块有QSFP-DD和OSFP两种。标准化、小型化、可插拔、易维护是光模块的传统需求。中兴通讯采用CFP2相干光模块。下面分别介绍光模块内相干光源和光收发器件的技术现状。

        相干光源方面，包括集成激光器和外腔激光器两条技术路线。单片磷化铟集成激光器不能实现C+L一体化。外腔激光器包括空间光学滤波器和硅光滤波器两种方案，其中空间光学滤波器方案中标准具高反膜的波长相关性，难以实现C+L一体化。中兴通讯的相干光源方案为小型化的Nano封装外腔激光器，采用硅光滤波器方案，通过创新的双微环和马曾干涉仪结构，调控谐振谷底，抑制竞争模谐振峰，可拓展激光器频率调谐范围至C+L一体化12THz共240波，较当前业界主流的C120/L120调谐范围翻倍；激光器线宽指标30kHz，满足长距离传输系统需求。

        光收发器件方面，相干光收发器件主要材料是硅光、磷化铟和薄膜铌酸锂三种。硅光器件成本优势明显，硅光器件采用绝热耦合器等波长无关的设计，支持C+L一体化，但调制带宽有限，未来硅光技术发展方向是集成薄膜铌酸锂材料，支持大带宽调制。磷化铟器件带宽大、成本高，突出优势是可集成半导体光放大器（SOA）实现高功率输出，并且调制器中多模干涉仪引入的波长相关损耗也可以通过SOA进行补偿，但磷化铟芯片中多模干涉仪混频器和SOA都难以支持100nm以上工作波长范围，现阶段尚未有C+L一体化的磷化铟器件产品。薄膜铌酸锂从体材料铌酸锂发展而来，通过设计波长相关性较小的多模干涉仪支持C+L一体化。中兴通讯采用硅光接收/薄膜铌酸锂调制的技术平台，以封装集成的方式实现CL一体化128GBd光收发器件。

演进

        为支持光模块向超高速演进，光模块电接口形态、光收发器件、器件封装需要技术创新。

        光模块方面，2030年以前，可插拔光模块是主流，随着单板上单路电信号速率提升至448Gbps及以上，光模块形态演进可能有两个方向：引入飞线（flyover）电缆提高电信号传输质量，继续支持面板可插拔模块；单板内采用嵌入式光模块，即相干光模块与单板信号处理芯片尽量靠近，如图1所示。相干光模块功耗增长呈螺旋式上升趋势，冷板式液冷技术等先进散热技术将逐步引入。光模块速率演进的驱动力是提升波特率和减少光电通道数来降低比特传输成本。当光域波特率达到400GBd以上时，考虑到性价比，有可能采用双波长并行架构实现更高速率传输需求。

        光收发器件方面，随着光芯片大带宽需求推动，各种新材料器件研究也成为热门，如高电光系数的钽酸锂、钛酸钡、锆钛酸铅、有机聚合物、石墨烯等。光器件新材料的应用需要有成本或性能优势，以硅光技术为平台，集成其他新材料实现取长补短是重要的技术发展方向。光收发器件材料特性如表1所示，其中硅光+薄膜铌酸锂的异质集成可能是未来相干光器件的主流技术路线，其支持实现S+C+L一体化，支持2030年左右所需的400GBd+波特率：发送端硅光无源元件支持多波段工作，薄膜铌酸锂波导仅为调制部分，带宽可达200GHz以上；接收端采用热调相位实现多波段90°相位差的精确混频，锗探测器通过降低光生载流子渡越时间和优化串行电阻支持200GHz以上带宽。

        器件封装方面，光芯片、电芯片和DSP芯片之间高速信号互联优化是光器件封装演进的驱动力，光电子器件将借鉴集成电路行业封装技术，如铜凸点、铜铜键合、芯片通孔、集成电容、有机基板、类载板、玻璃基板等技术，光电子器件与集成电路封装的主要区别在于光芯片需要光耦合，以及在封装工艺过程中需做好光芯片耦合面的防护。近中期光电子器件封装架构有可能是光芯片作为中介板，调制驱动和探测跨阻放大芯片倒装在光芯片之上，接口高速信号通过光芯片的通孔与电芯片互联，光芯片和电芯片采用铜铜键合或凸点焊接的方式以实现较短的传输路径和较小的寄生效应，DSP芯片和光电芯片共基板进行封装。图2给出了中长期相干光器件一种可能的极简形态：采用扇出晶圆级封装工艺，相干DSP芯片集成控制管理、调制驱动/跨阻放大、电容功能，相干DSP倒装，和光芯片通过重布线层互联，相干DSP在上利于散热。

        相干光模块正朝着高带宽、高集成度、高可靠、低功耗、低成本的方向发展，推动核心器件在芯片材料、架构方案、封装工艺上不断创新。目前中兴通讯已实现C+L一体化相干光模块。展望未来，T比特级光器件有望采用硅光+薄膜铌酸锂的异质集成技术实现S+C+L一体化，支持256GBd/400GBd+高波特率。