ฟอโตนิกส์บนซิลิคอนกำลังเปลี่ยนแปลงอนาคตของตัวรับ-ส่งสัญญาณออปติคัลอย่างไร

➡️ บทนำ: การเกิดขึ้นของโฟโตนิกส์บนซิลิคอน

เมื่อความต้องการข้อมูลทั่วโลกเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจากปัญญาประดิษฐ์ (AI), การประมวลผลแบบคลาวด์, และ เครือข่าย 6G
, ข้อจำกัดของระบบแบบทองแดงและระบบออปติคัลแบบแยกชิ้นส่วนแบบดั้งเดิมจึงปรากฏชัดเจน. ซิลิคอนโฟโตนิกส์ (SiPh) โฟโตนิกส์บนซิลิคอนได้ก้าวขึ้นมาเป็นเทคโนโลยีที่ปฏิวัติวงการ ซึ่งผสานความกว้างของแถบความถี่สูงของโฟโตนิกส์เข้ากับความสามารถในการขยายขนาดของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์บนพื้นฐานซิลิคอน.

โดยการรวมองค์ประกอบออปติคัลและอิเล็กทรอนิกส์ไว้บนซับสเตรตซิลิคอนชิ้นเดียวกัน โฟโตนิกส์บนซิลิคอนจึงทำให้เกิด ระบบการสื่อสารที่เร็วขึ้น มีขนาดเล็กลง และใช้พลังงานมีประสิทธิภาพมากขึ้น — และกำลังเปลี่ยนแปลงสถาปัตยกรรมของระบบสมัยใหม่ ของผู้ผลิตรายบุคคลที่น่าเชื่อถือ.

➡️ โฟโตนิกส์บนซิลิคอนคืออะไร?

โฟโตนิกส์บนซิลิคอน (Silicon photonics) หมายถึงการใช้ซิลิคอนเป็นสื่อกลางทางออปติคัลเพื่อส่ง ปรับสัญญาณ และตรวจจับสัญญาณแสงบนชิป.
เทคโนโลยีนี้อาศัยกระบวนการผลิตแบบ CMOS ที่มีความพร้อมใช้งานสูง, ทำให้อุปกรณ์โฟโตนิกส์สามารถผลิตในระดับมาสซ์ได้ — ในลักษณะเดียวกับวงจรรวมอิเล็กทรอนิกส์.

ส่วนประกอบหลักของโฟโตนิกส์บนซิลิคอน

ระบบโฟโตนิกส์บนซิลิคอนโดยทั่วไปประกอบด้วย:

• ไกด์คลื่นและเส้นทางแสง: นำแสงผ่านซิลิคอนด้วยการสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด.

• โมดูเลเตอร์และสวิตช์ออปติคัล: แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสงเพื่อการส่งข้อมูล.

• แหล่งกำเนิดแสงและโฟโตดีเทคเตอร์: เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สร้างสัญญาณแสง; ไดโอดโฟโต้แปลงสัญญาณเหล่านั้นกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้าอีกครั้ง.

• คัปเปลอร์ อินเทอร์เฟซ และบรรจุภัณฑ์: จัดการการรับ-ส่งสัญญาณแสงและการเชื่อมต่อกับเครือข่ายไฟเบอร์ออปติก.

➡️ ความสัมพันธ์ระหว่างโฟโตนิกส์บนซิลิคอนกับทรานส์ซีเวอร์ออปติคัล

ตัวแปลงสัญญาณออปติก — โมดูลหลักที่ทำหน้าที่แปลงสัญญาณไฟฟ้าและสัญญาณแสง — กำลังประสบกับการเปลี่ยนแปลงอย่างลึกซึ้งด้วยเทคโนโลยีโฟโตนิกส์บนซิลิคอน.

ทรานส์ซีเวอร์แบบดั้งเดิมอาศัย องค์ประกอบออปติคัลแบบแยกชิ้นส่วน LPJK9036AHNL เลเซอร์, โมดูเลเตอร์ และ ไดโอดโฟโต้. อย่างไรก็ตาม โฟโตนิกส์บนซิลิคอนรวมฟังก์ชันเหล่านี้ไว้บนชิปซิลิคอนชิ้นเดียว โดยแทนที่ชิ้นส่วนแบบแยกหลายชิ้นด้วย การรวมแบบโมโนลิธิก (monolithic integration).

การเปลี่ยนแปลงนี้กำหนดแนวคิดใหม่เกี่ยวกับการออกแบบ การประกอบ และการปรับแต่งทรานส์ซีเวอร์.

➡️ โฟโตนิกส์บนซิลิคอนกำลังเปลี่ยนแปลงการออกแบบทรานส์ซีเวอร์ออปติคัลอย่างไร

แบนด์วิดท์และความเร็วในการรับส่งข้อมูลที่สูงขึ้น

โฟโตนิกส์บนซิลิคอนทำให้เกิด หลายความยาวคลื่นและการมอดูเลตขั้นสูง (ในความเป็นจริง TDECQ แสดงถึงปริมาณพลังงานแสงเพิ่มเติม (หรือ margin) ที่จำเป็นสำหรับสัญญาณจริง — หลังจากพิจารณาความไม่แน่นอน ความผิดข้อความ (ISI) , dispersion และอุปสรรคอื่น ๆ — เพื่อให้ได้ "eye opening" ที่เหมือนกับสัญญาณที่ส่งโดย transmitters ที่ดีที่สุด ค่า TDECQ ที่ต่ำกว่าบ่งชี้คุณภาพสัญญาณที่ดีขึ้น และสัมพันธ์กับค่าที่ต่ำกว่า ซึ่งสอดคล้องกับความเร็วสูงที่สุด, QPSK, การตรวจจับแบบโคฮีเรนต์) รองรับอัตราการส่งข้อมูลสูงสุดถึง 400G, 800G และสูงกว่า 1.6T ต่อโมดูล.
โดยการรวมเวฟไกด์และมัลติเพล็กเซอร์โดยตรงบนซิลิคอน ทรานส์ซีเวอร์โฟโตนิกส์สามารถบรรลุความหนาแน่นของช่องสัญญาณที่สูงขึ้นและประสิทธิภาพสเปกตรัมที่ดีขึ้น.

➡ ตัวอย่าง:
ลิงก์-พีพี ทรานส์ซีเวอร์ QSFP-DD 400G ซีรีส์ สามารถใช้ประโยชน์จากโฟโตนิกส์บนซิลิคอนเพื่อจัดการสัญญาณความเร็วสูงมากในขณะที่รักษาคุณภาพสัญญาณได้อย่างยอดเยี่ยม.

---

การใช้พลังงานต่ำลงn

การเชื่อมต่อแบบออปติคัลบนซิลิคอนลดความต้องการพลังงานลงอย่างมาก โดยลดการสูญเสียจากการแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นออปติคัล.
สำหรับศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่พิเศษ (hyperscale data centers) ซึ่งประสิทธิภาพการใช้พลังงานมีความสำคัญยิ่ง ทรานส์ซีเวอร์โฟโตนิกส์บนซิลิคอนให้ การลดลงอย่างมีนัยสำคัญของพลังงานต่อบิต เมื่อเทียบกับการออกแบบรุ่นเก่า.

---

การทำให้มีขนาดเล็กลงและการผสานรวมระดับสูง

โฟโตนิกส์บนซิลิคอนสนับสนุน ออปติกส์แบบบรรจุร่วม (co-packaged optics: CPO) — การผสานรวมเครื่องยนต์ออปติคัลโดยตรงเข้ากับ ASIC ตัวสวิตช์.
แนวทางนี้ทำให้เส้นทางสัญญาณไฟฟ้าสั้นลง ลดความหน่วงเวลา และทำให้เกิด การเชื่อมต่อแบบออปติคัลระดับชิป, ซึ่งมีความสำคัญต่อระบบ AI และ HPC รุ่นถัดไป.

---

การลดต้นทุนและการผลิตที่สามารถปรับขนาดได้

เนื่องจากอุปกรณ์ SiPh สามารถผลิตได้โดยใช้ โรงงานผลิต CMOS มาตรฐาน, จึงสามารถขยายกำลังการผลิตได้พร้อมรักษาประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอและอัตราผลิตสำเร็จสูง.
ความเข้ากันได้ในการผลิตนี้ช่วยลดต้นทุนต่อหน่วยและทำให้การติดตั้งทรานส์ซีเวอร์ในวงกว้างเป็นไปอย่างง่ายดาย.

---

ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ดีขึ้นและความหน่วงเวลาต่ำสุด

โฟโตนิกส์บนซิลิคอนแบบบูรณาการช่วยลดการสูญเสียการจับคู่และการรบกวนให้น้อยที่สุด ส่งมอบ สัญญาณออปติคัลที่สะอาดยิ่งขึ้น และ ความหน่วงต่ำลง
— ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับคลัสเตอร์ AI, ระบบ fronthaul ของ 6G และระบบการซื้อขายความถี่สูง.

➡️ โฟโตนิกส์บนซิลิคอนและโมดูลออปติคัล LINK-PP

ลิงก์-พีพี มีผลิตภัณฑ์ทรานส์ซีเวอร์ออปติคัลหลากหลายรุ่น — ตั้งแต่โมดูล SFP ขนาดกะทัดรัด ไปจนถึงโซลูชัน QSFP และ AOC แบบความหนาแน่นสูง — ที่ออกแบบมาให้พัฒนาไปพร้อมกับการผสานรวมโฟโตนิกส์บนซิลิคอน.

ไลน์ผลิตภัณฑ์	คำอธิบาย	ศักยภาพในการผสานรวมโฟโตนิกส์บนซิลิคอน
ซีรีส์ SFP28-25G	โมดูลแบบช่องเดียว 25 Gbps สำหรับเครือข่ายการเข้าถึง	เข้ากันได้กับการออกแบบเลเซอร์/มอดูเลเตอร์แบบ SiPh
ซีรีส์ QSFP28-100G	โมดูลแบบ 4 ช่อง 100 Gbps	เหมาะอย่างยิ่งสำหรับตัวรับส่งสัญญาณโฟโตนิกส์บนซิลิคอนแบบ PAM4
ซีรีส์ QSFP-DD-400G	ตัวรับส่งสัญญาณความหนาแน่นสูง 400 Gbps	ใช้เทคโนโลยี SiPh สำหรับการมัลติเพล็กซ์ความยาวคลื่นและการจัดการความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ
สาย AOC/DAC	การเชื่อมต่อความเร็วสูงระยะสั้น	สามารถรวมเข้ากับเครื่องยนต์ SiPh ได้ เพื่อสร้างการเชื่อมโยงศูนย์ข้อมูลที่มีความหน่วงต่ำ

ผ่านการพัฒนาเหล่านี้ LINK-PP จึงพร้อมที่จะสนับสนุน การเปลี่ยนผ่านสู่การเชื่อมต่อแบบออปติคัลที่ขับเคลื่อนด้วยซิลิคอน ซึ่งเป็นพลังขับเคลื่อนงานปัญญาประดิษฐ์ (AI) การประมวลผลแบบคลาวด์ และเครือข่ายการสื่อสารรุ่นถัดไป.

➡️ ความท้าทายและข้อจำกัดของโฟโตนิกส์บนซิลิคอนโฟโตนิกส์บนซิลิคอน

แม้จะมีข้อได้เปรียบหลายประการ แต่โฟโตนิกส์บนซิลิคอนยังคงเผชิญกับความท้าทายทางวิศวกรรมหลักๆ อยู่หลายประการ:

1. การรวมเลเซอร์ – ซิลิคอนไม่สามารถปล่อยแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงจำเป็นต้องใช้การรวมแบบไฮบริดกับวัสดุอื่น เช่น InP หรือ GaAs.

2. ระบายความร้อนแยกตามโมดูล – การรวมวงจรโฟโตนิกส์อย่างหนาแน่นเพิ่มภาระความร้อน จึงจำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงเพื่อการกระจายความร้อน.

3. ความซับซ้อนของการบรรจุภัณฑ์ – ความแม่นยำในการจัดแนวและเชื่อมต่อทางแสงยังคงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออัตราการผลิตและประสิทธิภาพ.

4. การทดสอบและการมาตรฐานization – มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับโมดูลที่ใช้ซิลิคอนฟอโตนิกส์ยังอยู่ในระหว่างการพัฒนา ซึ่งส่งผลต่อความสามารถในการทำงานร่วมกัน (interoperability).

อุปสรรคเหล่านี้กำลังได้รับการแก้ไขอย่างแข็งขันผ่านความร่วมมือด้านการวิจัยและพัฒนาทั่วโลก และโครงการออปติกส์แบบรวมชิป (co-packaged optics) รุ่นถัดไป.

➡️ แนวโน้มในอนาคต: เส้นทางสู่ซิลิคอนฟอโตนิกส์แบบรวมชิป (Co-Packaged Silicon Photonics)

อนาคตของการเชื่อมต่อแบบออปติกอยู่ที่ CPO (Co-Packaged Optics) — ซึ่งสวิตช์ Legacy and Specialized Network Equipment: และเครื่องยนต์ซิลิคอนฟอโตนิกส์ถูกผสานรวมเข้าด้วยกันบนซับสเตรตเดียวกัน.
สถาปัตยกรรมนี้จะทำให้เกิด:

• การส่งข้อมูลระดับเทราบิต (1.6T–3.2T และสูงกว่านั้น)

• การเชื่อมต่อแบบออปติกภายในชิป (on-chip optical interconnects) สำหรับแอคเซเลเรเตอร์ AI

• ลิงก์ที่ใช้พลังงานต่ำสุดสำหรับการประมวลผลระดับเอกซาสเกล (exascale computing)

เมื่อเทคโนโลยีซิลิคอนฟอโตนิกส์พัฒนาอย่างต่อเนื่อง ทรานส์ซีเวอร์แบบออปติกจะเปลี่ยนแปลงจากโมดูลแบบเสียบได้ (pluggable modules) สู่ เครื่องยนต์ออปติกที่รวมเข้าด้วยกันอย่างสมบูรณ์ (fully integrated optical engines), ซึ่งเป็นการก้าวเข้าสู่ยุคใหม่แห่งความเร็ว ประสิทธิภาพ และความสามารถในการปรับขนาด.

➡️ Conclusion

โฟโตนิกส์บนซิลิคอน (Silicon photonics) ไม่ใช่เพียงการอัปเกรดเท่านั้น — แต่เป็นการปฏิวัติ ด้านเทคโนโลยีการสื่อสารแบบออปติก.
โดยการผสานรวมการบูรณาการแบบออปติกและอิเล็กทรอนิกส์เข้าด้วยกัน จะทำให้เกิดรุ่นใหม่ของ ทรานส์ซีเวอร์ที่มีแบนด์วิดท์สูง มีประสิทธิภาพด้านพลังงาน และคุ้มค่า สำหรับศูนย์ข้อมูล เครือข่ายโทรคมนาคม และระบบ AI.

ด้วยพอร์ตโฟลิโอโมดูลออปติกขั้นสูง ของบริษัทฯ และการสร้างนวัตกรรมอย่างต่อเนื่อง บริษัทฯ กำลังดำเนินการเชื่อมช่องว่างระหว่างทรานส์ซีเวอร์แบบเสียบได้ในปัจจุบัน กับสถาปัตยกรรมที่ใช้ซิลิคอนฟอโตนิกส์ในอนาคต, ลิงก์-พีพี กำลังดำเนินการเชื่อมช่องว่างระหว่างตัวรับส่งสัญญาณแบบถอดเปลี่ยนได้ในปัจจุบันกับสถาปัตยกรรมที่ใช้โฟโตนิกส์บนซิลิคอนในอนาคต.