基于VCSEL的微光電集成收發(fā)模塊

2019-11-03 09:56:50

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供稿：網(wǎng)友

華中科技大學(xué)光電子工程系　　楊宜，阮玉 1.VCSEL簡介

　　垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）作為一種新型的半導(dǎo)體激光器，已經(jīng)在計算、網(wǎng)絡(luò)、傳感以及其他應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大影響。第一片商用的VCSEL是Honeywell公司于1996年引入市場的。隨著現(xiàn)代高速短波長光纖網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，VCSEL已經(jīng)成為光通信領(lǐng)域最理想、最有前途的光源。與一般的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器相比，VCSEL具有非常優(yōu)越的性能和極其低廉的價格。其在千兆以太網(wǎng)和光纖通道中的應(yīng)用取得了巨大的成功。

　　為什么說VCSEL優(yōu)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器呢？這是由其完全不同的生長工藝和結(jié)構(gòu)特征決定的。從圖1可以了解，VCSEL的垂直腔結(jié)構(gòu)決定了它不需要“解理”等傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器所必須的生產(chǎn)工序；可以象處理微電子硅片一樣進行在線的晶片級測試或裸片安裝；在一個晶片上可以一次性生長成千上萬個VCSEL陣列。這些都大大提高了VCSEL的成品率，降低了其生產(chǎn)和測試成本。

圖1、VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器）

　　同時，VCSEL的垂腔結(jié)構(gòu)使得它的陣列應(yīng)用非常誘人，在并行光傳輸、存儲和交換領(lǐng)域已經(jīng)可以看到許多商業(yè)化產(chǎn)品。其圓形出射光斑截面較之邊發(fā)射激光器的橢圓形具有更小、更對稱的光束發(fā)散角，這樣與光纖之間的耦合將更加方便。當(dāng)然還有更多優(yōu)點，如更低的閾值和功耗；更高的效率、調(diào)制帶寬和溫度穩(wěn)定性；更長的壽命等，決定了VCSEL美好的市場應(yīng)用前景。

圖2為Picolight公司對VCSEL技術(shù)發(fā)展的總結(jié)和預(yù)測，可以看到這項高速發(fā)展的技術(shù)將最終在光通信領(lǐng)域引領(lǐng)潮流。

　　　　　　圖2、Picolight公司對VCSEL技術(shù)發(fā)展的總結(jié)和預(yù)測

2.基于VCSEL的光收發(fā)模塊

　　　　　　　　　　圖3、收發(fā)模塊的簡單應(yīng)用　　　

　　收發(fā)模塊簡單的說就是一種用于光通信系統(tǒng)中的光電子系統(tǒng)。圖3給出了一個最簡單的應(yīng)用實例。可以看到：近端主機待傳輸?shù)碾娦盘柦?jīng)過光收發(fā)模塊的E/O轉(zhuǎn)換成光信號上到光纖鏈路，再由遠端的另一個模塊把光信號O/E轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給遠端主機，于是實現(xiàn)了主機之間的通信。而所謂“基于VCSEL的收發(fā)模塊”是指模塊中用到的激光器是VCSEL或其陣列。

　　根據(jù)權(quán)威市場預(yù)測和研究公司ElectroniCast（San Mateo, CA）的最新報道：基于VCSEL的光收發(fā)模塊市場在1999年為$2.5億，是1998年的3倍以上。受近期千兆以太網(wǎng)和光纖通道迅猛發(fā)展的影響，這一增長勢頭仍在繼續(xù)。考慮到一系列新應(yīng)用的開發(fā)，預(yù)計在2004年將達到$28億，2009年達到$96億。面4是ElectroniCast的市場預(yù)測圖。

　　　　　　　　　圖4、ElectroniCast的市場預(yù)測圖

　　這種市場爆炸的驅(qū)動因素主要有以下幾點：

¨ 數(shù)據(jù)通信的迅速發(fā)展和相關(guān)標準的建立

　　* 千兆以太網(wǎng)的蓬勃發(fā)展占領(lǐng)了大部分接入網(wǎng)市場，以及即將到來的10G以太網(wǎng)

　　* 光纖通道的持續(xù)增長，速率向2G比特每秒（2´ Fiber Channel）過渡，甚至到將來的10 Gbps

¨ 向傳統(tǒng)電信業(yè)的滲透

　　* 以基于VCSEL的收發(fā)器提供10G甚短距離（VSR, Very Short Reach）互連的低成本解決方案

¨ 新的機會，諸如：

　　* 無限帶寬交換結(jié)構(gòu)中的串行和并行連接

¨ 系統(tǒng)內(nèi)部VCSEL陣列互連應(yīng)用的展開

3.VCSEL收發(fā)模塊的市場定位

　　現(xiàn)階段VCSEL收發(fā)模塊的主要增長點在千兆以太網(wǎng)和1-2G光纖通道上。這些應(yīng)用到2004年將增長5倍，當(dāng)然那時10G版本將占領(lǐng)相當(dāng)大的份額。多波長CWDM VCSEL、長波長單模VCSEL和10G VCSEL收發(fā)模塊將是今后發(fā)展與需求的方向。

²千兆以太網(wǎng)與局域網(wǎng)

　　Dell’Oro公司的調(diào)查顯示：以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了大于95%的局域網(wǎng)市場份額。而千兆以太網(wǎng)是快速以太網(wǎng)和FDDI互連的自然升級。圖5是權(quán)威市場研究公司IDC對千兆以太網(wǎng)市場發(fā)展的總結(jié)和預(yù)測。可以看到：千兆以太網(wǎng)的端口出貨量將從1999年的150萬迅速增加到2004年的5500萬個，其市場也將從1999年的$17億增長到2004年的$142億。而基于VCSEL的光收發(fā)模塊在這一領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大的優(yōu)勢。

　　　　　　　圖5、IDC對千兆以太網(wǎng)市場發(fā)展的總結(jié)和預(yù)測示意圖

²光纖通道與存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）

　　和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)一樣，數(shù)據(jù)存儲網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在近幾年來也經(jīng)歷了飛速的發(fā)展。基于光纖通道的存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)SAN具備眾多優(yōu)點，包括：與高速局域網(wǎng)良好的兼容性；較長距離傳輸有利于更加廣泛的共享資源等。同時也提高了存儲備份、中心存儲管理等的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用水平。因此光纖通道的發(fā)展應(yīng)用也是炙手可熱的。

　　　　　　圖6、光纖通道集線器和交換機端口的市場預(yù)測

　　根據(jù)IDC公司的市場研究：光纖通道集線器和交換機端口的市場需求將從1999年的56.7萬激增到2003年的530萬。圖6給出了詳細的預(yù)測數(shù)據(jù)。正如基于千兆以太網(wǎng)的局域網(wǎng)供應(yīng)商一樣，基于光纖通道的SAN系統(tǒng)生產(chǎn)商已經(jīng)開始開發(fā)新一代2.125G，甚至超過8G速率的系統(tǒng)。即將到來的高速SAN系統(tǒng)需要更高性能的光電子系統(tǒng)，因此VCSEL收發(fā)模塊在光纖通道領(lǐng)域的應(yīng)用同樣讓人看好。

²城域網(wǎng)

　　去年12月光學(xué)國際互聯(lián)網(wǎng)論壇（Optical Internetworking Forum, OIF-Fremont, CA）通過一項新規(guī)范，OIF-VSR-01.0，將VCSEL的應(yīng)用推入了城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)領(lǐng)域。這一基于并行光學(xué)器件的甚短距離（VSR）OC-192（10G速率）接口的規(guī)范定義了850-nm VCSEL系統(tǒng)使用傳統(tǒng)廣域網(wǎng)中的SONET協(xié)議展開短距離或城域網(wǎng)服務(wù)。這使得VCSEL收發(fā)模塊在城域網(wǎng)這個2001年首個通信技術(shù)熱點領(lǐng)域開拓了美好的應(yīng)用前景。

4.光電集成收發(fā)模塊

　　這里的微光電集成收發(fā)模塊，簡單的說是運用先進的系統(tǒng)集成和封裝工藝將VCSEL和探測器陣列與CMOS芯片集成在一起組成光收發(fā)模塊的核心，配合光學(xué)子系統(tǒng)和驅(qū)動等電路的設(shè)計，構(gòu)成高速率、小尺寸、實現(xiàn)具體標準功能的接收發(fā)射模塊。圖7所示為其基本思路。這種光學(xué)器件與IC的集成帶來的優(yōu)勢是顯而易見的。不僅僅是性能的提升、體積的減小和速率的提高，它將帶來生產(chǎn)成本以及用戶維護和升級成本的大大降低。

　　　　　　　　　圖7、光電集成收發(fā)模塊的基本思路

5. 微光電集成收發(fā)模塊的應(yīng)用方向

　　微光電集成收發(fā)模塊的優(yōu)越性能和低廉的成本決定了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用具備巨大市場潛力，這里僅羅列以下一些主要應(yīng)用方向。

*10G以太網(wǎng)、高速光纖通道和并行光互連

　　這一領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該說現(xiàn)階段基于VCSEL的光收發(fā)模塊的一種自然過渡。由于系統(tǒng)和用戶對速率和帶寬需求的不斷增長，收發(fā)模塊必然朝著更高速率和小型化發(fā)展。日益膨脹的局域網(wǎng)和光纖通道市場永遠是光收發(fā)模塊發(fā)展的動力。

*短距離SONET/SDH 10G或40G互連

　　常規(guī)的SONET/SDH協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中使用FP或DFB激光器，很多還需要外加電吸收或鈮酸鋰調(diào)制器。一個普通的DFB激光器售價昂貴，外調(diào)制器價格更高*而光電集成收發(fā)模塊中的VCSEL成本低廉，其裸片與探測器、IC等的集成導(dǎo)致整體成本進一步下降。加之OIF-VSR系列標準的出臺，完全有理由相信：這種寬帶、低成本的集成化模塊在許多短距離SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場合有著很好的前景。

*路由器、交換機、無線基站、計算機工作站和存儲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信

*大型設(shè)備中板間的數(shù)據(jù)交換

*微處理器芯片間以及處理器與內(nèi)存之間的互連

可以說這項應(yīng)用是最具革命性、最有潛力的。

　　很明顯，隨著微機處理器處理能力的不斷提高，內(nèi)存和其他外設(shè)的響應(yīng)速度不斷加快，計算機系統(tǒng)的瓶頸在于總線上。無論是PCI或其他高速總線規(guī)范，較之CPU的數(shù)GHz處理速率都落后太遠，發(fā)展的趨勢只能是用光互連取代電的總線。這種芯片級的微光電集成技術(shù)使得開發(fā)光纖總線成為可能。而基于VCSEL的微光電集成收發(fā)模塊正是這種光纖總線的輸入輸出接口，其市場潛力是可想而知的。

6.結(jié)束語

面對潛力巨大的市場機遇，作者認為以下的特征使我們完全有理由選擇基于VCSEL的高速光收發(fā)模塊市場。

¨ 高速的需求增長率和市場膨脹

¨ 產(chǎn)品適于大規(guī)模批量生產(chǎn)，成品率高

¨ 產(chǎn)品對價格非常敏感

¨ 相對低的研發(fā)和生產(chǎn)投入

¨ 具有可證實的未來市場

¨ 產(chǎn)品推入市場周期短

　　因此，現(xiàn)階段研究和開發(fā)基于VCSEL的高速微光電集成光通信有源器件（首先是光收發(fā)模塊）是非常有必要的。

摘自《光纖新聞網(wǎng)》

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