近年来,随着数据中心规模的不断扩大及计算需求的激增,传统长距离光学通信技术逐渐向短距离通信领域延伸。这一趋势催生了对廉价且高效激光器的需求,尤其是在模块化和板内光互连方案中,低成本激光器的发展成为研究热点。本文围绕廉价激光器能否胜任短距离传输这一核心问题,结合现有技术和市场实际,详细分析其性能特点、应用场景、技术壁垒及未来前景。光学通信的兴起源于长距离、跨国甚至跨洋的海底通信,使用以分布反馈激光器(DFB)为代表的高性能激光器,其波长多集中在1550纳米(C波段)和1310纳米(O波段),能够有效控制信号传输过程中的衰减与色散。然而,数据中心内部或附近的通信距离多为米级甚至厘米级,依赖传统DFB激光器的成本和性能可能过于高昂和浪费。廉价的垂直腔面发射激光器(VCSEL)正是在这种需求下崭露头角,这种激光器主要发射850纳米波长的光线,易于制造且成本低廉,非常适合多模光纤的短距离连接。
VCSEL不仅成本优势明显,而且其垂直发射的特性便于集成和封装。尽管如此,VCSEL在硅光子学集成和单模光纤应用中仍存在一定局限,例如波长稳定性较差、输出功率有限以及调制带宽相对较低等问题。对于短距离数据中心应用而言,这些限制往往影响不大,因为信号距离短且系统的温度控制更加可控。温度敏感性是激光器部署中的一个关键挑战。激光器工作温度的微小变化会引起激光波长的漂移,进而影响通信信噪比和数据传输质量。尤其是在采用PAM4等多级调制技术的场景中,温度控制显得尤为重要。
相比之下,近年来VCSEL的设计改进显著提高了其温度耐受性,一些新型VCSEL仅有约1纳米的波长漂移,这对于宽带光波导系统是完全可接受的。此外,VCSEL的激光阈值电流极低,功耗远低于传统DFB激光器,极大增加了其在节能数据中心中的吸引力。在集成形式上,传统的激光器往往与电子芯片分离,采用外部模块方式实现光电转换,存在占地面积大和互连损耗高的问题。当前,业界正积极探索共封装光学(CPO)和线性可插拔光学(LPO)技术,试图将激光源更紧密地整合进芯片封装或主板,这不仅可以降低传输延迟,还能减小功耗及物理空间。然而,由于激光器的热敏特性,很多专家倾向于将激光器模块物理分离出来,方便温度管理和维护,尤其是在大型多路并行通信环境中。值得关注的是,新兴量子点激光器(QD激光器)通过其优异的温度稳定性和色彩纯度,展现出在显示和某些通信领域的应用潜力。
虽然这些激光器输出功率相对较低,但对于特定短距离连接需求仍有吸引力。最近,由Volantis Semiconductor等公司推进的先进VCSEL技术突破了多项传统壁垒,开发出具有单模单极化特征、消除背反射效应、提高可靠性和产率的980纳米波段VCSEL。这些激光器配合光学中介层,可直接将光耦合进硅波导,无需传统光纤,大幅简化光学互连的组装过程,并实现较高的调制带宽(18GHz)与极优的能量效率(139飞焦耳/比特)。在高速数据传输中,虽然单个VCSEL的速度低于部分高端激光器,但通过构建大规模的二维VCSEL阵列,采用数千个通道并行传输,每个通道以25Gbps速率工作,整体系统的带宽能力仍能满足甚至超过现代数据中心的需求。多通道并行传输的方法极大降低了对单通道高速性能的依赖,使得低成本VCSEL成为性价比突出、实用价值强的短距离光通信方案。同时,这种高并行度也迫使光学互连设计转向采用波导技术替代传统多根光纤,避免"光纤乱斗"和空间浪费。
对于未来的发展方向,随着III-V族半导体材料与硅基材料的异质集成技术逐步成熟,未来激光器有望实现更大规模的单芯片集成和封装一体化。虽然当前相关技术尚未达到量产阶段,但持续的研发投入与先进制造工艺的突破,将为激光器的体积缩减、功耗降低及波长调节稳定性提供有力支撑。基于光子计算的日益兴起,将促使激光器从简单的光信号发送端,转变为更复杂的光学计算单元,这也对激光器的单模、窄线宽及高带宽能力提出更高要求。尽管如此,数据中心中大规模短距离互连依然有广阔空间,可以优先以廉价、易制造、功耗低的VCSEL为主,满足庞大数据流的高效传输需求。总体来看,廉价激光器凭借其成本优势、能效高及充分满足短距离应用的性能,已逐渐成为数据中心短距离光通信的主力军。虽然存在如温度敏感性、波长稳定性和调制速度的局限,但持续的技术创新正不断缩小这些差距。
未来,随着集成封装技术的进步和新型材料的引入,廉价激光器有望实现大规模、高性能以及与硅光子平台的深度融合,从而推动数据中心通信向更高带宽、更低功耗和更小尺寸方向发展。 。
