2.3.3 相干光模块的光电器件技术的发展
在2.3.1 节中，我们提到了一个典型的相干光模块，主要由发射和接收的5 个核心器件组成，分别是光源、驱动器、调制器、ICR 和DSP。
相干光模块内部器件数量多且结构复杂，早期尺寸一般较大且不可插拔；而同期客户侧光模块的封装尺寸小，标准成熟且可插拔。因此，ICR 相干光模块在从不可插拔向可插拔演进后，封装的演进路线受到客户侧光模块的影响较多。相干光模块在CFP 之后原计划向CFP4 发展，但由于数据中心早已大量使用QSFP28 模块（与CFP4 尺寸较接近），因而演进路线直接跳过了CFP4/8，转向双密度四通道小型可插拔（QSFP-DD）封装，整体演进趋势如图2-11 所示。
图2-11 相干光模块演进趋势
相干光模块变为可插拔后，尺寸不断减小，功耗不断降低，传输效率不断提升，但对所使用的光电器件的集成度提出了更高要求，这包含了对每一个器件集成度的要求，以及对多器件进行集成光电的要求。
在早期的分离光器件中，调制器一般使用铌酸锂（LiNbO3）或磷化铟（InP）材料，均具备出色的调制带宽、高线性度和很小的啁啾效应。但铌酸锂器件需要较高的驱动电压，制约了相关集成度，仅在不可插拔或CFP 可插拔等大尺寸光模块中应用。磷化铟调制器只需较低的驱动电压，其具备同样出色的高频特性，因此可将调制器和驱动器集成在一起，提高集成度和降低封装成本。
随着模块向着CFP2、QSFP-DD 等更高集成度演进，进入集成光电器件技术阶段，光模块的尺寸进一步减小，高频衰减损耗和模块整体成本降低，模块的波特率水平提升，光电器件封装得以简化，如图2-12 所示。
当前受到业界关注的集成光电技术平台大致有3 个：磷化铟集成光电技术平台、硅基集成光电技术平台、薄膜铌酸锂混合光电集成技术平台。
图2-12 相干光模块提升集成度的两个阶段
1．磷化铟集成光电技术平台
磷化铟是最早被制备出来的III-V 族化合物半导体之一，其有两个物理特性非常适合应用于光通信：（1）它是一种直接带隙半导体，可以直接实现价带电子到导带的跃迁，因此可以实现发光功能，且能带宽度非常合适；（2）它具有很高的载流子迁移速率，因此具备更小的载流子渡越时间及更高的频率响应，其制成的调制器可以实现100G 以上的波特率。
磷化铟集成光电技术平台也有不足：（1）其晶圆尺寸主要以4 英寸（1 英寸≈ 25.4 毫米）为主，相比12 英寸的硅基晶圆衬底材料，单位面积上磷化铟集成光电技术平台具有
更高的成本；（2）它对工艺非常敏感，厂家需采用集成器件制造（IDM，Integrated Device Manufacturing）模式，且因为材料生长特性，加工制造过程中的良率难以控制，增加了芯片制造成本；（3）其需要采用气密和金属管壳的封装形式，在高芯片成本的基础上叠加封装成本，进一步增加了器件的整体成本。
2．硅基集成光电技术平台
硅在电芯片领域是一种非常成熟的材料，它经历了电子行业半个世纪的发展历程。硅基光电集成为一种新型光电子半导体材料，1967 年开始应用于通信领域。硅基光电集成是指利用硅材料实现光学调制、接收、WDM等多种光电功能的集成技术，其主要优势是集成度高、成本低。
（1）硅波导可以用于光调制、探测、偏振处理和分光等，硅基材料折射率差更大，使硅基光芯片拥有较小的尺寸和较高的集成度优势，甚至还可以将光芯片与电模拟芯片、数字芯片进行更多维度的集成。
（2）硅基材料的制备工艺成熟，可以借助成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS，
Complementary Metal Oxide Semiconductor）平台技术，采取无晶圆制造模式，形成规模效应并带动成本降低。另外得益于12 英寸硅基晶圆衬底材料已经规模化应用，且硅材料硬度、可靠性等特性支持非气密封装，硅基集成光电器件体现出较大的成本优势。
硅基集成光技术面临的挑战主要是带宽受限、光源集成、损耗较大等。
（1）硅的载流子色散效应使硅光调制器的调制效率较低，需要很高的驱动电压。
（2）硅是一种间接带隙半导体，无法发光，模块内部必须使用一个磷化铟基的可调激光器，因此制约了集成度。
（3）材料损耗和调制损耗使硅光模块在使用时需要结合一个小型化的掺铒光纤放大器
（EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier），增加了整体的功耗和成本。
3．薄膜铌酸锂混合光电集成技术平台
前面提到分离器件阶段的铌酸锂材料具备超高的带宽水平，近年来人们通过工艺的改善制备了质量良好的铌酸锂薄膜材料，并实现了低损耗的铌酸锂薄膜光波导。它与传统的铌酸锂材料相比，器件尺寸缩小、功耗降低，如制成的调制器成品的尺寸缩小到原来的1/10，半波电压缩小到原来的1/3。
薄膜铌酸锂材料对工艺的稳定度要求较高，必须使用气密封装，另外，其无法实现诸如光发射、光探测、光放大、光能量衰减等光学特性，因此在相干光模块中，必须与其他技术平台进行混合集成。
4．多种集成光电技术平台的比较和发展趋势
在不可插拔相干光模块阶段，光器件以分离的形式存在，各自实现最佳的光发送、光调制及光接收等功能，无须过多考虑器件的封装尺寸和整体功耗。
CFPx 、QSFP 等可插拔光模块在保持模块性能的同时向小型化封装的方向演进。近年来随着磷化铟集成和硅基集成光电技术逐渐成熟，借助器件集成平台的优势，以CFP2 为代表的光模块被广泛应用于运营商网络。
QSFP-DD、OSFP 等超小封装相干光模块在数据中心互联（DCI）及相干光下沉等场景中具有竞争力。采用超小型的磷化铟集成可调光发射机、接收机或者硅光数字收发机集成DSP 等方案是对应场景下的主流光电器件集成方案。
然而，对于超高速（100G 波特率以上）相干光模块来说，不同平台调制的电光速率水平将决定技术方案的选择。硅光、磷化铟、薄膜铌酸锂等材料均展示出各自的优点和缺点，面对智慧光网络超宽、泛在的大规模应用需求，对成本、产业链和良率的控制水平，在一定程度上决定了其产品的竞争力。
