国内光模块企业的综合实力不断提升,在全球光模块市场的影响力不断提高。未来五年全球光模块市场年均增长率约为8.6%,至2020年市场销售收入将增至71亿美元。以下对光模块发展前景分析。
光模块发展前景分析,光模块本质上是将光芯片进行封装和集成,封装、测试有一定的技术门槛,尤其是高速光模块,在保证性能稳定同时还需提高良率,达到量产需要一定的技术水平。2016年全球光模块市场51亿美元,而2011年为31亿美元,2011-2016光模块市场年复合增速11%。2018全球与中国市场射频光纤传输模块(RFoF)深度研究报告预计到2020年,2016-2020光模块市场规模将达到71亿美元,复合增速保持9%。
光模块在新兴的数据中心应用,已经成为贡献增速最快的市场。光模块是构建光通信系统与网络的重要组成部分,高速光传输设备、长距离光传输设备和最受市场关注的智能光网络的发展、升级以及推广应用,都取决于光电子器件技术进步和产品更新换代的支持。现从六大技术方向来分析光模块发展前景。
由于光组件(OSA)的成本占光模块成本的60%以上,加之光芯片降成本的空间越来越小,最有可能降低成本的是封装成本。在保证光模块性能及可靠性的同时,推动封装技术从比较昂贵的气密封装走向低成本的非气密封装成为必须。光模块发展前景分析,非气密封装的要点包括光器件自身的非气密性,光组件设计的优化,封装材料以及工艺的改进等。其中以光器件特别是激光器的非气密化最为挑战。这是因为如果激光器件实现了非气密化,昂贵的气密封装的确就不需要了。可喜的是,近几年来已经有数家激光器厂家公开宣称自己的激光器可以适用于非气密应用。纵观现在大量出货的数据中心光模块,多是以非气密封装为主。看来非气密封装技术已经很好地被数据中心光模块业界及客户接受。
光模块发展前景分析,在多通道,高速率,低功耗需求的驱动下,相同容积的光模块需要具备更大的数据传输量,光子集成技术渐渐地成为现实。光子集成技术的意义较广:比如说基于硅基的集成(平面光波导混合集成,硅光等),基于磷化铟的集成等。混合集成技术通常是指将不同材料集成在一起。也有将部分自由空间光学和部分集成光学的构造叫做混合集成,也未尝不可。典型的混合集成是将有源光器件(激光器,探测器等)集成到具有光路连接或者其他一些无源功能(分合波器等)的基板上(平面光波导,硅光等)。混合集成技术可以将光组件做得很紧凑,顺应光模块小型化趋势,方便使用成熟自动化IC封装工艺,有利于大量生产,是近期数据中心用光模块行之有效技术的方法。
倒装焊是从IC封装产业而来的一种高密度芯片互联技术。在光模块速率突飞猛进的今天,短缩芯片之间的互联是一个有效的选项。通过金-金焊或者共晶焊将光芯片直接倒装焊到基板上,比金线键合的高频效果要好得多(距离短,电阻小等)。光模块发展前景分析,对于激光器来说,由于有源区靠近焊点,激光器产生的热比较容易从焊点传到基板上,对于提高激光器在高温时的效率有很大帮助。因为倒装焊是IC封装产业的成熟技术,已经有很多种用于IC封装的商用自动倒装焊机。光组件因为需要光路耦合,因此对精度要求很高。这几年光组件加工用高精度倒装焊机十分抢眼,许多情况下已经实现无源对光,极大地提高了生产力。因为倒装焊(也叫自动邦定贴片)机具有高精度,高效率,高品质等特点,倒装焊技术已经成为数据中心光模块业界的一种重要工艺。
COB也是从IC封装产业而来的工艺,其原理是通过胶贴片工艺(epoxy die bonding)先将芯片或光组件固定在PCB上,然后金线键合(wirebonding)进行电气连接,最后顶部滴灌胶封。光模块发展前景指出,很显然,这是一种非气密封装。这种工艺的好处是可以使用自动化。比如说光组件通过倒装焊等混合集成以后,可以看成是一个“芯片”。然后再采用COB技术将其固定在PCB上。目前COB技术已经得到大量采用,特别是在短距离数据通信使用VCSEL阵列的情况。集成度高的硅光也可以使用COB技术来进行封装。
探讨光电子器件与硅基集成电路技术兼容的技术和手法,集成在同一硅衬底上的一门科学。硅光技术最终会走向光电集成(OEIC:Opto-Electric INTEGRATED Circuits),使得目前分离光电转换(光模块)变成光电集成中的局部光电转换,更进一步推动系统的集成化。光模块发展前景分析,硅光技术当然可以实现很多功能,但目前比较耀眼的还是硅调制器。从产业界来说,一种新技术进入市场的门槛必须是性能及成本都有竞争力,这对于需要巨大前期投入的硅光技术来说的确是很大的挑战。数据中心光模块市场,由于大量需求集中在2公里以内,加之低成本、高速率、高密度等的强烈要求,比较适合硅光的大量应用。个人认为在100G速率,传统光模块已经做得十分成功,硅光要大量进入不太容易。但在200G,400G以上速率,由于传统直接调制式已经接近带宽的极限,EML的成本又比较高,对硅光来说将会是一个很好的机会。硅光的大量应用也取决于业界对技术的开放与接受程度。如果在制定标准或协议时考虑到硅光的特点,在满足传输条件的前提下放松一些指标(波长,消光比等),这将会极大地促进硅光的发展和应用。
如果说OEIC是究极的光电集成方案,板载光学则是介于OEIC和光模块之间的一项技术。板载光学将光电转换功能从面板搬到主板处理器或者关联电芯片之旁。光模块发展前景分析,因为节省空间而提高了密度,也减少高频信号的走线距离,从而降低功耗。板载光学最开始主要是集中在采用VCSEL阵列的短距离多模光纤中,然而最近也有采用硅光技术在单模光纤里的方案。除了单纯光电转换功能的构成以外,也有将光电转换功能(I/O)和关联电芯片(processing)封装在一起的形式(Co-package)。板载光学虽具有高密度的优点,但制造,安装,维护成本还较高,目前多是应用在超算领域。相信随着技术的发展及市场的需要,板载光学也会逐渐进入到数据中心光互联领域内来。
光模块在未来必须支持热插拔,即没有切断电源,光模块可以连接或断开设备,光模块是可热插拔的,网络管理人员在不关闭网络可以升级和扩展的系统,影响在线用户不会。光模块发展前景分析,未来随着国内云计算大数据的普及,国内大型数据中心建设需求依然很大。我国目前规划在建数据中心共计246个,总设计机架数约为103万个,总设计服务器规模约 1326 万台。我们认为未来大型数据中心的接踵建设将带动高端光模块行业的景气度。