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Der Fall Silizium-Photonik vs. Laser im 100G-Sektor

CBO
2021-02-01 13:59:00 / Netzwerk / Kommentare 0

In der heutigen herausfordernden Umgebung ist die 100G-Netzwerkarchitektur zur ultimativen Wahl geworden. Infolgedessen kann ein anhaltender Boom auf dem Markt für optische 100G-Transceiver beobachtet werden. Dies ist jedoch nicht das Ende, sondern kann als der Beginn einer neuen Ära betrachtet werden. Es wird allgemein angenommen, dass sich das Netzwerk zu einer übergeordneten 400G-Netzwerkarchitektur entwickeln wird. Folglich könnten wir eine marktgetriebene Entwicklung von optischen 400G-Transceivermodulen erleben. Andererseits kann man beobachten, dass viele große Marktteilnehmer wie HP, IBM und Intel ihr Interesse an der Silizium-Photonik verfolgen.

Silizium-Photonik und Vernetzung

Silicon Photonics ist eine bahnbrechende Technologie, bei der optische Strahlen für die Datenübertragung zwischen verschiedenen digitalen Geräten und Komponenten eingesetzt werden. Optische Strahlen können eine höhere Datenübertragungsrate bieten als elektrische Leiter. Die Silizium-Photonik ist eine Technologie, die sich noch in der Entwicklung befindet und nur in den Händen von Technologieriesen liegt. Branchenexperten sind jedoch sehr optimistisch in Bezug auf diese Technologie und die möglichen revolutionären Auswirkungen, die sie mit sich bringen kann.

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Einsatz von Lasern in optischen Sendeempfängern

Laser können als Kernkomponenten von optischen Sende- und Empfangsgeräten betrachtet werden. Man schätzt, dass 60 % der Kosten des Moduls auf den darin enthaltenen Laser zurückzuführen sind. Dabei ist es wichtig zu beachten, dass der Laser eng mit der Übertragungsdistanz des optischen Transceivers verbunden ist. Heutzutage gibt es verschiedene Arten von Lasern auf dem Markt, darunter FP, EML, DML, DFB, VCSEL, usw. Die folgende Tabelle enthält zusammengefasste Informationen über die verschiedenen Lasertypen.

Silizium-Photonik im Vergleich zu Lasern im 100G-Sektor

VCSEL Lasers

In 100G-Multimode-Glasfasernetzen werden häufig 100G-SR4 QSFP28-Laser des Typs VCSEL als Antrieb für optische 100G-SR4 QSFP28-Module verwendet. VCSEL-Laser verfügen über einen geringen Stromverbrauch, geringe Größe, hohe Kopplungsrate und sie sind zu einem niedrigeren Preis verfügbar, relativ.

EML Lasers

Der EML bietet aufgrund seiner geringen Wellenlängendispersion einen stabilen Wellenlängenbetrieb auch bei höheren Geschwindigkeiten. Der EML-Laser auf Ein-Chip-Basis besteht aus einem direkt in die Laserdiode integrierten Elektroabsorptionsmodulator. Der Frequenzgang dieses Lasertyps wird von der Kapazität des EAM-Teils (Elektroabsorptionsmodulator) bestimmt, und er kann höhere Betriebsgeschwindigkeiten bis zu 40 GHz und sogar darüber erreichen. EML-Laser werden häufig für die Konstruktion von 100G-LR4 QSFP28- und 100G-ER4-Transceivern verwendet, die in Singlemode-Glasfasernetzwerken zur Datenübertragung über bis zu 10 km weit verbreitet sind.

DML Lasers

DML-Laser werden bevorzugt für relativ kurze Reichweiten (2-10 km) und niedrigere Geschwindigkeiten (≤25 Gbps) in den Bereichen Datenkommunikation und Telekommunikation eingesetzt. Der niedrigere Frequenzgang, die höhere chromatische Dispersion und das relativ niedrige Extinktionsverhältnis sind einige der Hauptunterschiede zwischen EML- und DML-Lasern. Dieser Lasertyp wird häufig in 100G-CWDM4 QSFP28-Optiken eingesetzt, wenn CWDM-basierte Konnektivität über bis zu 2 Kilometer gewünscht ist.

Silizium-Photonik

Wie wir bereits besprochen haben, ist die Silizium-Photonik-Technologie ein neuer Durchbruch, der sich vor allem im 100G-Bereich zu einer beliebten Option entwickelt hat. Führende Unternehmen der Netzwerkbranche konzentrieren sich auf die Entwicklung von fortschrittlichen Transceivern auf der Basis von Silizium-Photonik, um den mit der Verbreitung der 5G-Technologie erwarteten Netzwerkboom abzufedern.

Bei der 5G-Übertragung wird diese moderne Technologie dabei helfen, eine große Menge an Daten zu relativ geringen Kosten zu übertragen. Laut einer Studie wird der Silizium-Photonik-Markt zwischen 2020 und 2026 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von über 30 % wachsen. Im aktuellen Szenario dominieren 100G-PSM-Transceiver auf Basis von Silizium-Photonik den 100G-Sektor mit einem satten Marktanteil von etwa 80 %. Die folgende Grafik zeigt das prognostizierte Wachstum von optischen Modulen auf Silizium-Photonik-Basis in den kommenden Jahren.

Silizium-Photonik - Herausforderungen und Vorteile in der 100G-Transceiver-Industrie

Im heutigen Szenario sind InP und Si die beiden Technologien, die für die Entwicklung von optischen Integrationsprodukten im kommerziellen Maßstab zur Verfügung stehen. Laser wie EML, DML und DFB stammen aus der InP-Familie, die in der Technologie relativ ausgereift ist. InP-Laser sind jedoch teurer und nicht mit CMOS kompatibel. Andererseits bieten die Si-Silizium-Photonikbauteile durch den CMOS-Prozess breite Integrationsmöglichkeiten mit integrierten Schaltungen und optoelektronischen Bauteilen.

Das aktuelle Angebot an 100G-Modulen auf der Basis von Silizium-Photonik zeigt das Wachstumspotenzial dieser Technologie. Allerdings ist das alles andere als einfach. Es gibt bestimmte Herausforderungen im Zusammenhang mit der Integration und der effizienten Nutzung dieser Technologie in der optischen Transceiver-Industrie, von denen wir einige diskutieren wollen.

1. Verpackung

Die Verpackung von optischen Siliziumchips und anderen optoelektrischen Komponenten für den Bau eines optischen Moduls ist kompliziert und schwierig. Obwohl es die optische Siliziumtechnologie schon seit vielen Jahren gibt und sie ziemlich ausgereift ist, gibt es immer noch viele technische Herausforderungen im Verpackungsprozess vom Siliziumchip zum optischen Transceiver. Die Verpackungskosten und die Ausbeute sind zwei Hauptprobleme, die optimiert werden müssen.

2. Laser-Integration

Wie wir wissen, kann Silizium selbst kein Licht emittieren, und Module, die auf dieser Technologie basieren, benötigen eine externe Lichtquelle, bei der es sich wie bei herkömmlichen optischen Modulen um einen Laser handelt. Lichtquellen sind für die Silizium-Photonik von Anfang an von entscheidender Bedeutung gewesen, und die Entwicklung praktischer Lichtquellen für optische Transceiver auf Siliziumbasis ist ein Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung. Off-Chip-Lichtquellen können als "optische Energieversorgung" oder "Photonenversorgung" für den Chip betrachtet werden. In einer bestimmten Anwendung ist die Entscheidung über die Platzierung der Lichtquelle off- oder on-chip situationsabhängig und hängt von Faktoren wie durchschnittlicher Stromverbrauch, Wärmesenke, Kosten, Größe, Energiedissipation usw. ab.

3. Wärmemanagement

Die optischen Siliziumchips sind temperaturempfindlich, und der Temperatureinfluss wäre bei Verwendung einer Gitterstruktur noch größer. Daher sind weitere Optimierungen bei der Kontrolle des Stromverbrauchs und der strukturellen Merkmale erforderlich, um ein kostengünstiges, zuverlässiges und energieeffizientes Design zu erreichen.

Schlussfolgerung

Die Silizium-Photonik-Technologie hat zweifelsohne das Potenzial, die Netzwerkindustrie zu revolutionieren. Allerdings befindet sie sich noch in einer Entwicklungsphase. Viele Herausforderungen im Zusammenhang mit der Integration dieser neuen chipbasierten Technologie mit anderen optoelektrischen Komponenten müssen noch bewältigt werden. Es ist anerkennenswert, dass in diesem Bereich viele Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unternommen werden. Verschiedenen Studien zufolge wird die Silizium-Photonik-Technologie einen eindeutigen Anteil am 400G-Sektor gewinnen. Im 100G-Sektor dominiert derzeit jedoch der Laser.


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