扩大集成可调谐激光器的生产规模

导言

在 "宽带中国 "等倡议和亚洲 5G 网络快速扩张的推动下，全球对数据和电信服务的需求急剧增长。为满足这一日益增长的需求，业界正在转向将所有必要功能集成到单个芯片上的紧凑型、高能效和可扩展激光解决方案。

集成可调谐激光器是这一趋势的关键技术之一。可调谐激光器与密集波分复用（DWDM）技术相结合，可使电信和数据通信网络扩大容量，而无需额外的光纤基础设施。此外，将相干技术微型化为可插拔收发器模块，也使 IP over DWDM 解决方案得以广泛实施。

由于对相干收发器的需求持续上升，各公司正在通过收购和兼并进行整合，以便在内部开发收发器组件并确保其供应。虽然这种整合预计会减少单个调制器和接收器组件的销售，但可调谐激光器的需求预计将大幅增长。LightCounting 市场数据预测，2026 年用于收发器的可调谐激光器市场将达到 4 亿美元（图 1）。

 图 1：高性能调制器和接收器以及可调谐激光器的全球市场销售额。（历史数据和预测）。扩展集成可调谐激光器的挑战

为了满足对可调谐激光器日益增长的需求，业界必须应对挑战，大规模制造高度集成、紧凑和高能效的激光器解决方案。更小的激光器设计本身就能在更低的电压和电流下工作，从而改善散热并最大限度地减少耦合损耗。光子集成在实现这些降低方面发挥着重要的作用，将多种功能整合到单个芯片上，从而最大限度地提高效率。

接入网络向 100G 相干技术的过渡需要采用 QSFP28 外形的紧凑型高能效相干插拔式器件。反过来，这也要求开发出适合这种外形尺寸的紧凑型高能效可调谐激光器。

针对这一挑战，EFFECT Photonics 开发了新型皮米级 ITLA（pITLA）模块，并声称这是世界上用于相干应用的最小集成可调谐激光器组件（ITLA）。pITLA 将包括波长锁定器在内的所有激光功能都集成在一个芯片上，体积仅为标准纳米 ITLA 模块的 20%（图 2）。

 图 2：用于相干光学的 ITLA 外形尺寸的体积缩小（2011-2023 年）。图中包括一个长度约为 4 厘米的火柴，以示比例。EFFECT Photonics 方法的关键是在单个芯片上单片集成所有可调谐激光功能。这种设置非常适合降低功耗和扩大生产规模。

扩展光子技术的经济性

尽管这些新型小型激光器可能具有创新性，但如果不能大批量生产，以满足移动和云提供商的需求，并降低每台设备的成本，那么它们的影响将是有限的。这一规模经济原则与推动电子行业成功的原则如出一辙，必须同样适用于光电子行业。

集成到单个芯片中的光学元件越多，每个元件的价格就越能降低。同样，在单个晶片上生产的光学系统芯片（SoC）器件越多，每个 SoC 的价格就越低。

埃因霍温工业大学和 JePPIX 联盟的研究人员模拟了这一规模经济原则对光子集成芯片 （PIC） 的影响。他们的分析表明，如果产量能从每年几千个芯片增加到几百万个，那么每个光电芯片的价格就能从几千欧元降到几十欧元（图 3）。

 图 3：光电芯片 （PIC） 成本模型与每年生产的 PIC 总数量的函数关系。产量的指数增长导致成本的指数下降。向电子制造业学习

为了在光电子制造中实现规模经济，该行业可以学习电子封装、组装和测试中使用的成熟的标准化技术。

球栅阵列 （BGA） 封装是一项关键的电子技术，必须移植到光子学领域。过去几十年来，BGA 式封装在电子产品制造商中越来越流行。它将芯片连接置于芯片封装之下，可以更有效地利用电路板空间，缩小封装尺寸，提高焊接效果（图 4）。

 图 4：球栅阵列 （BGA） 式封装的顶视图、底视图和侧视图。进入光电子领域的另一项关键技术是倒装芯片键合。这一工艺包括在最后的制造步骤中在芯片上沉积焊点，然后将芯片翻转过来，与电路板对齐，以便于焊接（图 5）。

 图 5：倒装芯片键合工艺的简化步骤。利用这些成熟的电子制造技术可以帮助光电子行业克服扩大生产规模和降低成本的挑战。通过修改现有的生产流程，企业可以避免建设全新的专业生产线所带来的高昂成本。

扩大集成可调谐激光器规模的策略

为了有效地扩大集成可调谐激光器的生产规模，实现规模经济效益，企业可以采用以下策略：

1.光子集成： 将尽可能多的激光功能集成到单个芯片上，如 EFFECT Photonics 公司的 pITLA 模块。这样可以降低功耗、封装尺寸和制造复杂性。

2.利用电子制造技术： 采用成熟的电子封装、组装和测试方法，如 BGA 封装和倒装芯片键合，以简化生产流程并降低成本。

3.增加产量： 如埃因霍温大学的模型所示，投资于每年生产数百万光芯片的能力，而不仅仅是数千个芯片，以大幅降低单位成本。

4.合作与整合： 参与战略收购、兼并和合作，以整合资源、专业技术和制造能力，使行业能够更有效地扩大规模。

5.优化制造设计： 与代工厂和封装供应商密切合作，从一开始就优化集成可调谐激光器的设计，以实现大批量、低成本制造。

通过实施这些战略，光电子技术产业可以利用规模经济的力量，为不断增长的全球数据和电信服务市场提供结构紧凑、高能效、价格合理的集成可调谐激光器。

结论

数据和电信需求激增，尤其是在亚洲，推动了对更紧凑、更节能、更可扩展的激光解决方案的需求。集成可调谐激光器走在了这一趋势的前沿，具有满足行业不断发展的需求所需的灵活性和性能。

为了有效地扩大这些集成可调谐激光器的生产规模，光电子技术行业必须采用与电子行业成功经验相同的规模经济原则。这包括利用光子集成、采用成熟的电子制造技术以及提高产量以降低成本。

通过采用这些战略，企业可以克服扩大集成可调谐激光器生产规模的挑战，并向移动和云提供商广泛提供这些先进的光学元件，从而推动全球数据和电信网络的持续增长和扩展。