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用于数据中心互连的光电子集成芯片

简介

数据中心是数字世界的支柱,容纳着庞大的服务器和交换机网络,为云计算、流媒体服务和无数其他应用提供支持。随着数据流量持续呈指数级增长,数据中心网络对更高带宽、更低延迟和更高能效的需求也日益增长。

光电子集成芯片(PIC)已成为满足这些苛刻要求的关键使能技术。通过将多个光电子元件集成到单个芯片上,PIC能够实现紧凑、高性能的光收发器,从而能够通过光纤链路以极快的速度传输数据。

本文将概述用于数据中心互连的PIC技术,涵盖系统要求、关键构建模块、当前实施和未来发展方向。我们将探讨PIC如何彻底改变数据中心网络,并实现容量达到100 Tbps及以上的下一代交换机。

数据中心网络架构与需求
现代数据中心通常采用多级交换机的分层网络拓扑结构,如图1所示。机架内的服务器连接到架顶式(TOR)交换机,然后连接到更高级别的聚合/叶子交换机和核心/脊椎交换机。
 
图1
随着层级上升,链路距离增加:

  • 服务器到TOR交换机:<10米(无源铜缆)

  • TOR到叶交换机:10-100米(有源光缆)

  • 叶到脊交换机:100-500米(光收发器)

  • 脊到脊交换机:500米-2公里(光收发器)


为了跟上不断增长的流量,交换机的带宽大约每两年翻一番(图2)。这反过来又推动了人们对更高速光互连的需求。
 
图2
目前先进的交换机的工作速度为25.6 Tbps,需要64个400G光收发器。下一代交换机达到51.2 Tbps,甚至有望达到102.4 Tbps。

数据中心光互连的关键要求包括:

  • 高带宽密度(Gbps/cm2)

  • 低功耗(pJ/bit)

  • 成本效益高,可扩展至更高的数据传输率

  • 支持不同的传输距离要求(100米至10公里)

  • 符合以太网标准(由IEEE 802.3定义)


光电子集成电路构建模块
PIC将多种光电子功能集成到单个芯片上,包括激光器、调制器、光电探测器、多路复用器/解复用器以及无源波导。PIC的两个主要平台是:

1.磷化铟(InP):允许单片集成有源元件(激光器、放大器),但晶圆尺寸较小。

2.硅基光电子:利用成熟的大硅晶圆CMOS制造工艺,但需要异构集成有源元件。


关键构建模块包括:

1.激光器:提供光源,通常用于数据中心应用的O波段(1260-1360nm)。

   集成方法包括:

  • 通过光纤耦合的外部激光器

  • 倒装芯片激光器

  • III-V族增益材料的异构集成


2.调制器:将数据编码到光载波上。

   常见类型有:

  • 马赫-曾德(Mach-Zehnder)调制器(MZM):工作带宽较宽,但体积较大

  • 微环(Microring)调制器(MRM):体积小巧,但温度敏感

  • 电吸收调制器(EAM):结构紧凑,性能良好


3.光电探测器:将光信号转换为电信号。通常使用硅基锗光电子技术。


4.多路复用器/解复用器:组合/分离多个波长通道。可使用阵列波导光栅(AWG)或级联马赫-曾德干涉仪。


5.光纤耦合器:PIC波导和光纤之间的接口。边缘耦合器提供宽带操作,而光栅耦合器则可实现晶圆级测试。


目前用于数据中心收发器的PIC实现
过去十年间,多项用于数据中心互连的PIC技术已经开发并商业化,传输速率从40G扩展到800G。主要方法包括:
直接调制激光器(DML):

  • 最简单的方法——直接调制激光电流

  • 适用于短距离(SR)应用,最高可达25 Gbaud

  • 在较高数据速率下受啁啾效应限制


外部调制激光器(EML):

  • 将DFB激光器与电吸收调制器集成

  • 性能优于DML,在高速传输时尤为明显

  • 广泛用于100G/400G DR和FR收发器


硅基光电子技术:

  • 利用CMOS制造技术实现可扩展、低成本生产

  • 需要III-V族异构集成用于激光器

  • 高速直流收发器的主导技术


图3显示了英特尔硅基光电子收发器的演变,说明了带宽如何通过增加通道数、波特率和调制复杂性而扩大。
 
图3
表1对不同代QSFP收发器的关键规格进行了比较,显示了带宽、功率效率和密度的变化。

光电共封装 (CPO) 器件:前沿领域
随着交换机带宽突破25 Tbps,传统可插拔光模块面临越来越多的挑战:

1.交换机专用集成电路(ASIC)与光模块之间的电气通道损耗限制了可实现的传输速率

2.前面板拥塞和热管理问题

3.串行解串器/重定时器的高功耗,以克服信道损伤


光电共封装器件(CPO)通过将光引擎与开关ASIC集成在同一封装中,大大缩短了电气互连,从而解决了这些问题。这可以实现:

  • 降低功耗(无需长距离SerDes)

  • 提高带宽密度

  • 改善热管理


图4展示了从传统可插拔光学器件到共封装解决方案的演变过程。

图4
CPO的关键要求包括:

  • 超高带宽密度(>200 Gbps/mm 线性)

  • 光电子和电子器件的紧密集成

  • 晶圆级测试能力

  • 坚固的光纤连接解决方案

  • 光器件的可维护性


硅基光电子技术已成为可插拔光模块的领先技术,可提供所需的集成密度和制造可扩展性。图5展示了基于硅基光电子技术的1.6Tbps可插拔光模块引擎,与可插拔模块相比,带宽密度和功率效率有了显着提高。
 
图5
如图6所示,多家主要交换机和光学器件供应商已经展示了CPO原型。这些原型综合运用了多种技术,包括:

  • 异构集成激光器与外部激光源

  • 边缘耦合与表面耦合光纤连接

  • 马赫-曾德与微环调制器


图6

未来方向
扩展到102 Tbps开关节点及以上
下一代目标传输速率为51.2 Tbps的交换机可能使用512个100 Gbps PAM4通道。将传输速率翻倍至102.4 Tbps有多种方案:
1. 将波特率提高到112 GBaud(224 Gbps PAM4)

  • 需要缩短电通道(共封装)或增加重定时器

2. 采用更高阶调制(如PAM6)

  • 对光学器件的信噪比要求很高

3. 增加波长通道的数量

  • 可能需要更紧密的波长间隔或温度控制

4. 采用相干传输格式

  • 每波长传输速度可达400G-800G

  • 复杂度更高,但适用于较短距离传输


最终,可能需要结合这些方法并改变交换平台的架构,才能实现102 Tbps及以上的节点。

PIC技术扩展
图7展示了PIC数据速率提升的潜在方向,包括:

  • 更高的波特率

  • 高阶调制格式

  • 增加波长数

  • 极化复用


主要发展领域包括:

  • 超高带宽(>100 GHz)调制器和光电探测器

  • 改进多波长光源的激光集成

  • 高级多路复用方案(例如,紧密波长间隔

  • 光电芯片和电芯片的3D集成


随着复杂性和功耗的持续改善,相干传输预计也将越来越适用于短距离数据中心应用。

结论
光电子集成电路彻底改变了数据中心的互连方式,在大幅提高带宽的同时,还提高了能效并降低了成本。随着数据中心向100 Tbps甚至更高的交换节点迈进,光电子集成电路技术的持续创新—尤其是CPO领域的创新,对于满足不断增长的带宽需求很重要。

先进光电子集成技术的融合,加上封装和光纤连接技术的创新,为下一代数据中心带来高性能、可扩展的光互连新纪元。

参考资料
[1] M. Glick, L. Liao, and K. Schmidtke, Integrated Photonics for Data Communication Applications. Elsevier, 2023.



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