顺应时代潮流,2019年光模块市场前瞻

发布时间:2019年02月01日 15:02    发布者:chaser12
关键词: 400G光模块 , 易飞扬

2018年已经成为过去式,国内外形势风云变幻,不管是国家之间的贸易战还是著名人物的逝世都牵动着大伙的心;虽然国外通信行业寒冬已至,大规模裁员消息不绝于耳,但是国内市场却传来利好的政策环境。


2019年迎面而来,对我们光器件厂商来说,不必去预测市场,只需要最快地顺应时代潮流,就能立于不败之地。


5G利好政策推动光模块市场持续前进


12月19日至21日,中央经济工作会议于北京举行。会议确定2019年要抓好7项重点工作任务,其中明确提出了:加大制造业技术改造和设备更新,加快5G商用步伐,以及加强人工智能、工业互联网、物联网等新型基础设施的建设。2019年将成为国内5G设备商以及器件商至关重要的一年。


5G商用过程中,光模块市场是备受各厂商追捧的市场。光器件是构成光通信系统的必备元器件,处于光通信产业链的中上游,能够实现光信号的产生、调制、探测、连接、波长复用和解复用、光路转换、信号放大、光电转换等。


光器件当前主要的应用市场是电信光网络和数据中心,无论是电信运营商的骨干网、城域网和接入网,移动网络,还是数据中心光互连,都需要大量的光器件。


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从全球来看,经济危机之后,各国普遍把建设高速光通信网络作为发展经济的重要战略之一。因此,未来几年电信光器件需求增长的驱动因素依旧强劲。


美国

到2020年,每个社区(包括学校、医院、政府等)都享有至少1Gb/s的宽带服务,至少有1亿家庭享受下行速率大于100Mb/s, 上行速率大于50Mb/s的宽带服务。


欧盟

2020年全部宽带接入速率不低于30Mb/s, 50%的家庭接入速率超100Mb/s。


过去一年里,行业发生了激烈的收购重组,高速光通信市场的垄断即将形成。


2013年,我们提出“宽带中国”战略,之后又陆续颁布了“互联网+”、“提速降费”等产业政策。此外,光纤到户、4G/5G传输网络、三网融合、物联网、大数据等多项国家重点工程都将成为持续拉动光通信市场需求增长的主要因素。


中国

国务院《关于加快高速带宽网络建设推进网络提速降费的指导意见》明确要求要加快基础设施,2016-2017年网络建设累计投资不低于7000亿元,2017年底,全国所有设区市城区和大部分非设区市城区家庭要具备100Mbps光纤接入能力。


国务院要求2020年宽带覆盖到98%行政村,80%以上的行政村实现光纤到村,总投入1400亿元。这些都为国内光器件市场需求的快速增长提供了政策红利与现实基础。按照目前带宽流量的增长,2016年的网络流量会达到1.1ZB, 而2019年将达到2ZB。



400G数据中心是下一代数据中心的必然选择


为了应对互联网流量的快速增长,我国“十三五”规划建议中明确提出要提前布局下一代互联网,这无疑为互联网未来发展做好了规划,并指明了方向。


这种快速的增长,为当前光纤通信传输技术提出了很大的挑战,也极大推动了光纤通信技术的发展。随着移动互联网/物联网的发展, 云计算, VR/AR, AI等新技术的商用,数据中心在未来的社会将保持长时间高速率的持续发展。


思科的预测

2017—2020年全球每年数据中心增长率预计超过30%,随之而来的全球数据中心IP流量将从2015年的每年4.7ZB增长到2020年每年15.3ZB,年复合增长率约为27%。


LightCounting的预测

在数据中心中,光模块已经成为承载IP流量的最主要载体,因此,数据中心的飞速发展必将带动光模块市场的爆发式增长,到2019年数据中心光模块市场规模有望达到49亿美元。


同时由于流量的飞速增长,对光模块的传输速率也提出更高的要求,如今主流的100G光模块将在2019年逐步被基于新技术的200/400G光模块所取代,预计200/400G光模块市场规模在2020年达到10亿美金。


在数据中心400G短距离光互连技术中,与100G(4x25Gbps)及以下技术最大的不同是引入了新的调制方式(PAM4)与更高的信号波特率(56Gbaud-64Gbaud), 使得单波长的传输速率达到100Gbps。


目前较成熟的VCSEL、直调激光器(DML)与电吸收调制器(EML)的光器件由于其模拟带宽不足,必须配合数字信号处理(DSP)芯片才能满足单波100G的应用需求,对比传统使用模拟始终恢复(CDR)芯片的模块,会大幅增加功耗。

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基于模拟实现的56GPAM4信号编码电


由于400G技术的要求,需要应用单通道56G或112G速率要求,但是目前的NRZ技术很难突破单路56G传输速率,主要原因在于56G/112G信号的通道损耗和反射引入代价太大,同时对通道Cross-Talk(串扰)的容忍性极大降低。


PAM4调制技术的分类
  • 基于DSP的数字DAC实现方法

  • 基于模拟的Combine方法



当前PAM4产品从解决方案上的分类
  • 数字类PAM4产品 (DSP方案)

  • 模拟类PAM4产品 (CDR方案)



易飞扬(Gigalight)根据不同的应用场景,采用了400G AOC应用CDR技术、400G光模块应用DSP技术的方案,基本上可达到功耗和性能之间的平衡。下面列出了CDR和DSP方案比较表格。


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硅光技术——低成本、功耗的400G解决方案


为了实现低成本、低功耗的400G解决方案,结合高带宽的外调制技术与低功耗的CDR电芯片是较可行的技术方案。


而传统基于磷酸锂或者磷化铟工艺的MZ调制器受限于复杂的制造工艺(涉及材料生长、高精度封装技术或大规模光子制备工艺), 期间成本较高,成品率难以控制,批量生产的难度也很大,因此不适合用于短距离光互连。


而硅基光收发器件和集成模块基于“绝缘体上的硅”(silicon-on-insulator, SOI)晶圆和标准化的CMOS工艺,除了具备满足400G应用高调制带宽的技术特性,在器件尺寸、集成规模和成本方面也具有相当的优势。


可以预见的是,在400G时代2公里以下的应用场景中,硅基光芯片将拥有广阔的市场前景。

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硅光技术的应用


对于应用于下一代数据中心的400G光模块,能够在100GE的基础上进一步提升网络容量并降低每比特的传输成本,目前数据中心和IP城域和骨干网的核心路由器已经具备装载400GE接口的能力,Google和Facebook以及国内的阿里巴巴等互联网公司也计划在400GE成熟之后第一时间在数据中心应用,IEEE也完成了400GE以太网标准IEEE802.23bs的制定。可以说目前400GE的需求已经非常明确,只待成熟的商用产品出现。


从光模块看,目前市场主流的高端光模块速率为100Gbps,其大多数还是基于传统的光器件解决方案。只有少数厂商如Intel, Luxtera, ST(意法半导体)拥有自主的硅光解决方案,主要原因是在100G及以下的传输速率下现有的光器件能够更好的满足带宽及成本的需求。


对于数据中心的400G技术,其核心技术在于开发基于硅光的新型光器件,该部分主要完成发送端的电光调制与接收端的光电转换工作。与传统的光器件相比,硅光器件需要在更小的体积满足更大的调制带宽(>30GHz), 线性的调制特性,高效率低损耗的光源与硅光芯片耦合技术。


国外对于硅基光器件的研究始于2000年左右,经过十几年发展已经形成了完整的产学研体系,一些公司已经推出了100G硅光子器件的产品。


Luxtera的100G QSFP光收发模块已经销售了200万对。此外,Intel, Kotura, Cisco和Acacia等公司也在近年相继研制出100G及以上硅基光模块的样品。同时,国外微电子CMOS厂商, IC和光器件厂商也陆续加入硅光技术产业链,形成了比较完整的研发体系。


随着近年来硅基光子技术的突破,一些公司已经推出了硅光子器件的商用化产品。半导体行业巨头Intel和IBM公司早在10年前就开展了硅基光电混合芯片的研发与布局。

2012年1
2月IBM宣布其采用90纳米CMOS工艺,实现了硅光子器件与微电子IC的集成,每个通道的收发速率超过25Gbps。

2013年11月富士通与英特尔联合演示了全球首台基于英特尔硅光总线互连的服务器,重新定义了服务器的标准架构。

光通信行业领头羊思科公司也格外重视硅光子技术带来的功耗和成本优势,2012年3月花费2.7亿美元完成了对Lightwire公司的收购,并于1年之后宣布推出100Gb/s硅光电子收发器。思科首席技术官与首席架构师Dave Ward称:“硅光子是当今ASIC中最具发展前途的东西。这是唯一一种能够解决长期技术与商业需求的颠覆性技术。”


总结


5G市场作为光通信行业发展的绝佳契机,将带动数据中心100G甚至400G光模块产品的深刻变革,当前基于PAM4调制的产品处于大规模应用前的阶段,所以还存在着兼容性问题。随着行业的进一步发展,硅光技术的逐渐成熟,数据中心的高速率高模块应用将迎来更为广阔的明天。


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