Резюме
По мере того как мировой рынок оптических передатчиков-приемников, специализированных на искусственном интеллекте, растёт со среднегодовым темпом более 57% и достигает объёма в 26 миллиардов долларов США, основное внимание в технологических обсуждениях сосредоточено на ускорении работы оптических чипов и совершенствовании форматов модуляции. Однако группа, на первый взгляд незаметных пассивных радиочастотных компонентов — фильтров и индуктивностей — становится скрытым ограничивающим фактором, определяющим максимальные возможности сохранения целостности сигнала.В данной статье систематически рассматриваются ключевые функции индуктивностей в типичных радиочастотных цепях — таких как питание с смещением по схеме Bias-Tee, расширение полосы пропускания в цепях восстановления данных с тактовым сигналом (CDR) и компенсация пикирования в транзисторных усилителях с перекрёстным сопротивлением (TIA), а также механизм действия фильтров в подавлении шума питания, обеспечении электромагнитной совместимости (EMI) и эквализации оптико-электронных приёмных цепей. На основе инженерного опыта компаний Murata Manufacturing и SunPower в области SiP-интеграции, сверхширокополосных конических индуктивностей и миниатюрных фильтров EMI в статье подчёркивается, что высокочастотные пассивные компоненты стали ключевым ограничивающим фактором для раскрытия потенциала высокоскоростных оптических модулей. Кроме того, отмечается, что передовые технологии интеграции и инновации в материалах постепенно превращают фильтры и индуктивности из «дополнительных компонентов» в стратегически важные элементы, участвующие в совместном проектировании.
Ключевые слова: оптический модуль; транзистор типа Bias-Tee; индуктивность; фильтр EMI; CDR; пассивные радиочастотные компоненты
1. Введение
Индустрия оптических коммуникаций переживает период стремительного роста, стимулируемый центрами обработки данных на основе искусственного интеллекта. Согласно последним данным исследования компании TrendForce, объём мирового рынка специализированных оптических передатчиков-приёмников для ИИ должен увеличиться с 16,5 млрд долларов в 2025 году до 26,0 млрд долларов в 2026 году — темп годового роста превысит 57 %. В 2025 году объём поставок оптических передатчиков-приёмников скоростью 800 Гбит/с и выше составил около 24 миллионов единиц; к 2026 году он должен достичь почти 63 миллионов комплектов, что соответствует росту примерно в 2,6 раза. Этот рост обусловлен не только повышением скоростных спецификаций — от 400 Гбит/с до 800 Гбит/с и далее до 1,6 Тбит/с — но и структурной потребностью центров обработки данных в высокопроизводительных интерконнекциях с низкой задержкой для обучения и вычислений крупных моделей ИИ.
Однако на фоне процветания рынка и ускоренного технологического развития границы проектирования оптических модулей постепенно пересматриваются. По мере роста скорости одного канала с 25 Гбит/с по технологии NRZ до 53 Гбит/с и даже 106 Гбит/с по технологии PAM4, а также из-за строгих размерных ограничений, обусловленных многоканальной интеграцией и плотностью упаковки, ряд радиочастотных пассивных компонентов — индуктивности, фильтров и конденсаторов, традиционно рассматривавшихся как вспомогательные элементы — переходят из второстепенной роли на печатные платы в центральную роль в сигнальной цепи. Для постоянного напряжения на оптическом чипе EML требуется широкополосная индуктивность типа Bias-Tee для изоляции радиочастотного и постоянного тока; расширение полосы пропускания схемы CDR зависит от оптимизации проектирования пиковой индуктивности; подавление шума на фронтенде TIA обеспечивается за счёт использования фильтров питания.Высокочастотные характеристики этих радиочастотных компонентов — потеря при включении, полоса пропускания, паразитные параметры и температурная стабильность — напрямую определяют качество оптической диаграммы модуля и уровень ошибок передачи данных.
В данной статье систематически рассматриваются типичные сценарии применения пассивных радиочастотных компонентов — таких как фильтры и индуктивности — в оптических модулях, их ключевые функциональные принципы и основные технические проблемы. На основе инженерных решений ведущих производителей пассивных компонентов подчеркивается стратегическое значение высокочастотных пассивных элементов в проектировании оптических коммуникационных систем.
2 Основная архитектура оптического модуля и анализ радиочастотного канала связи
2.1 Ключевые функциональные блоки оптического модуля
Типичный высокоскоростной оптический модуль состоит из трёх основных компонентов: оптического передающего блока (TOSA), оптического приёмного блока (ROSA) и платы PCBA, содержащей схемы управления и управления. TOSA преобразует электрический сигнал в оптический; его основу составляет лазер (например, DFB или EML). ROSA восстанавливает электрический сигнал после его ослабления при передаче по оптическому волокну; в его состав входят фотоэлектрический детектор (PD) и транзисторный усилитель с переключающим сопротивлением (TIA). В сценариях двунаправленной передачи TOSA и ROSA могут быть объединены в единую двухнаправленную оптическую передающую/приёмную единицу (BOSA), где для мультиплексации по длине волны используется WDM-фильтр.
На уровне телекоммуникационного канала типичный путь передачи сигнала в направлении передачи звучит следующим образом: вход электрического интерфейса → CDR/перетайминг → драйвер → лазер; в направлении приёма — PD → TIA → ограничительный усилитель (LA) → CDR → выход электрического интерфейса. На каждом узле этого канала крайне важны как целостность радиочастотного сигнала, так и чистота источника питания — именно в этих аспектах фильтры и индуктивности проявляют свою ключевую роль.
2.2 Узел включения пассивных радиочастотных компонентов
С функциональной точки зрения ключевые узлы применения индуктивностей и фильтров в оптических модулях включают следующее:
С стороны передатчика: питание постоянным током лазера EML осуществляется с помощью схемы Bias-Tee; индуктивность Bias-Tee предназначена для подачи постоянного напряжения на путь радиочастотного сигнала и одновременного изоляции связи между радиочастотным сигналом и источником постоянного тока. В традиционных дискретных решениях на выходе драйвера необходимо внешне подключать конденсаторную и индуктивную сети схемы Bias-Tee, что занимает значительную площадь печатной платы.
Сторона приёма: Соединение между блоком TIA и блоком PD должно характеризоваться крайне низким уровнем паразитных эффектов; любая дополнительная паразитная индуктивность может ухудшить ширину полосы частот входного сигнала и характеристики шумоизоляции блока TIA. Кроме того, ограничительный усилитель и схема CDR крайне чувствительны к колебаниям напряжения питания; для их декуплирования используются многоступенчатые LC-фильтры или ферритовые шарики (Ferrite Beads).
Управление питанием: внутренний преобразователь DC–DC в оптическом модуле обычно работает при частоте переключения от нескольких сотен кГц до нескольких МГц; шум при переключении может передаваться через проводящие и радиационные пути на чувствительные оптические каналы связи и должен подавляться с помощью мощностных индуктивностей и фильтров EMI.
Часовой канал: VCO (регулируемый по напряжению генератор) и циклический фильтр в схеме CDR являются ключевыми компонентами, влияющими на качество восстановления колебаний тактового сигнала; проектирование циклического фильтра тесно связано с выбором значений индуктивности и ёмкости.
3 Основное применение индуктиватора в радиочастотной связи оптического модуля
3.1 Широкополосная индуктивность в биасовом ти-образнике — ключевой элемент управления EML
Лазер с электрической абсорбционной модуляцией (EML) является одним из основных решений для источников света в современных оптических модулях дальнего дальности передачи данных 100 Гбит/с, 400 Гбит/с и 800 Гбит/с. EML представляет собой интегрированную схему, включающую лазер типа DFB и электрический абсорбционный модулятор (EAM). Часть DFB требует постоянного токового биасса для генерации непрерывной оптической несущей, тогда как модулятор EAM нуждается в негативном биассе с дополнительным радиочастотным (RF) модулирующим сигналом для реализации оптической модуляции. Устройство, объединяющее постоянный токовый биасс и RF-сигнал для подачи в модулятор EAM, называется биасс-транзистором (Bias Tee); его ключевым компонентом является широкополосная биасс-индуктивность.
Основные требования к биас-индуктивности крайне строгие: в диапазоне радиочастот (обычно от нескольких десятков кГц до нескольких десятков ГГц) индуктивность должна обладать достаточно высоким импедансом для предотвращения утечки радиочастотных сигналов в путь постоянного тока; кроме того, её паразитный параллельный ёмкостный коэффициент должен быть крайне низким, чтобы минимизировать потери при передаче радиочастотных сигналов.В качестве примера можно привести сверхширокополосный конический индуктивный элемент JY-KZ0302M0043N1100-LPW, выпущенный компанией Jieying Communication Technology (Shenzhen) Co., Ltd. Данный компонент охватывает частотный диапазон от 10 МГц до 53 ГГц и выше; его типовое индуктивное значение составляет 1,1 мкХ. Потери вставки на частоте 30 ГГц равны всего -0,35 дБ, на частоте 40 ГГц не превышают -0,45 дБ; коэффициент отражения более 18 дБ; паразитный параллельный конденсатор — менее 60 фФ; частота саморезонанса превышает 65 ГГц; способность к непрерывному токопроводству — 430 мА.Устройство изготовлено с использованием технологии конической микроплетки из драгоценных металлов в сочетании с лазерной удалением краски и точечным свариванием аргоновым дуговым методом; диапазон рабочих температур составляет от –55 °C до +125 °C. Оно применяется в таких сценариях, как подача сигнала на оптические модули с пропускной способностью 40 Гбит/с и питание сверхширокополосных усилителей.
На фоне тенденции к локализации производства такие сверхширокополосные конические индуктивности постепенно изменяют ранее доминировавшую импортные радиочастотные компоненты, предлагая для проектирования оптических модулей EML 100G/400G/800G более короткие сроки поставки и более конкурентоспособные по стоимости решения.
3.2 Применение индуктивности пиковой формации при расширении полосы пропускания TIA и CDR
В линии приёма света устройство TIA преобразует слабый фотоэлектрический ток, генерируемый преобразователем PD, в дифференциальный сигнал напряжения; ширина полосы этого сигнала напрямую определяет максимальную скорость работы всей линии приёма. Из-за врождённых ограничений процесса CMOS по отношению к коэффициенту усиления и ширине полосы для высокоскоростных устройств TIA обычно требуется применение технологии индуктивного пикования для расширения ширины полосы.
Группа профессора Пань Цюаня из Южного университета науки и технологий разработала и протестировала оптический приёмник со скоростью передачи 26 Гбит/с, построенный на 65-нм CMOS-процессе. В конструкции использована топология «тройного индуктивного пикового усиления»: параллельный индуктивный элемент обратной связи Lf и последовательный входной индуктивный элемент Ls совместно обеспечивают эффективное расширение полосы пропускания на уровне –3 дБ. Последующий буферный ступень CML (Current Mode Logic) одновременно обеспечивает подавление постоянного смещения и компенсацию дифференциальной несоответственности выходного сигнала.
В модуле CDR на одном чипе исследовательская команда использовала технологию стекированных индуктивностей для экономии площади чипа. В элементе задержки CDR был реализован уравновешивающий блок задержки, который позволяет повысить высокочастотную гain без изменения характеристик задержки и без необходимости использования эталонного тактового сигнала — это значительно снижает нагрузку на размещение линий передачи. Результаты экспериментальных измерений показывают, что данная реализация обеспечивает заметное улучшение как энергоэффективности, так и стабильности тактового сигнала по сравнению с традиционными решениями на том же технологическом уровне.Данное исследование было опубликовано в журнале Journal of Semiconductors (doi: 10.1088/1674-4926/43/7/072401) и предоставляет научную основу, имеющую практическое значение для проектирования индуктивностей в CMOS оптических приёмниках.
3.3 Индуктивность DC-DC-преобразователя мощности — основа высокоэффективного преобразования источников питания
Бюджет энергопотребления высокоскоростных оптических модулей становится всё более ограниченным по мере увеличения скорости передачи данных и числа каналов. Общее энергопотребление 400-гигабитного FR4-модуля обычно составляет от 10 до 14 Вт, значительная часть которого приходится на внутренний преобразователь DC–DC. Индуктивность мощности является ключевым компонентом преобразователя DC–DC для накопления энергии и фильтрации; её постоянное сопротивление (DCR) напрямую определяет потери при проводимости, а ток насыщения (Isat) — способность модуля к мгновенной реакции на нагрузку.
В компактном внутреннем пространстве оптических модулей особую важность приобретает необходимость минимизации размеров и толщины силовых индуктивностей. Решение компании Murata Manufacturing для DC-DC-индуктиваторов, предназначенных для использования в оптических модулях, позволяет создавать компактные индуктивные компоненты с минимальной высотой (T ≤ 0,8 мм) и высокой токопроводностью, обеспечивая при этом высокую эффективность преобразования при одновременном соблюдении ограничений по пространству.
4 Классификация фильтров, их функции и применение в инженерной практике
4.1 Интегральность источника питания: конструкция декуплирования для фильтров EMI и магнитных шариков
Внутри оптического модуля одновременно присутствуют три сигнальных области: аналоговая (настройка лазера, TIA), цифровая (цифровая логика MCU и CDR) и радиочастотная (модулирующий сигнал, тактовый сигнал восстановления). Перекрёстное влияние шума между этими областями является распространённой причиной ухудшения характеристики оптического глаза и снижения чувствительности приёма. Фильтры EMI (включая обмотки общего режима, трёхконденсаторные схемы, ферритовые магнитные шарики и другие компоненты) выполняют функции изоляции и декуплирования в сети распределения питания (PDN).
Ферритовые магнитные шарики являются одним из наиболее распространённых компонентов подавления широкополосных электромагнитных помех (EMI). В диапазоне частот от десятков МГц до нескольких ГГц они проявляют резистивное импедансное поведение, рассеивая высокочастотные помехи в виде тепла, при этом сохраняя крайне низкое постоянное сопротивление в постоянном токовом (или низкочастотном) канале. В многоканальных модулях на каждый канал управления лазером и на каждый питательный контакт канала TIA обычно последовательно подключается по одному магнитному шарику для блокировки взаимной передачи помех в общем режиме между каналами.
Компания Murata предоставляет полный комплекс решений в области оптических модулей, охватывающих EMI-управление, конденсаторы, индуктивности и кристаллические осцилляторы. В 2023 году она провела специализированную конференцию по технологиям оптических модулей, на которой были представлены практические примеры применения конденсаторов, EMI-фильтров, индуктивностей, термисторов и кристаллических осцилляторов в таких модулях, а также оказала поддержку крупным компаниям отрасли в успешной разработке высокоскоростных оптических модулей. Для использования в оптических модулях Murata предлагает две версии индуктивностей типа Bias-T — для высоких и низких частот, а также комбинации индуктивностей с выдающимися характеристиками потерь при интерполяции в широком диапазоне частот, что позволяет удовлетворять разнообразные требования к скорости передачи данных и спецификациям корпусов.
4.2 Фильтрация уровня упаковки: кремниевые конденсаторы и интегрированные пассивные кремниевые компоненты
По мере перехода скорости передачи данных к уровню 112 Гбит/с при использовании технологии PAM4 (один канал) паразитные эффекты традиционных дискретных компонентов уже не позволяют обеспечить требуемый уровень целостности сигнала. Для эффективного контроля импеданса PDN на уровне платы-эмблемента необходимо использовать более короткие пути соединения между компонентами, а также компоненты фильтрации с более низкой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL).
Конденсаторы из высокоплотного кремния от Murata разработаны на основе полупроводникового MOS-процесса и оснащены трёхмерной конструкцией с трёхосевой организацией элементов, что позволяет повысить плотность ёмкости и достичь более высоких значений электростатической ёмкости. По сравнению с традиционными керамическими MLCC-конденсаторами, решения на основе кремния обеспечивают отличные импедансные характеристики в ультравысокочастотном диапазоне; благодаря волноводной архитектуре они демонстрируют высокую стабильность в ограниченном пространстве, значительно экономя площадь на печатной плате. Такие конденсаторы особенно подходят для применения в схемах оптических модулей с AC-связыванием и DC-десвязыванием.
Кроме того, интегрированные пассивные устройства на основе кремния (Silicon-based IPD) объединяют несколько индуктивностей, конденсаторов и резисторов на единой кремниевой плате, обеспечивая с помощью полупроводниковых технологий пассивные сети с точностью на уровне субмикрометрового размера и позволяющие осуществлять персонализированное проектирование для конкретных интерфейсов оптических модулей. Такие устройства уже начали применяться в решениях типа TOSA/ROSA для оптических модулей со скоростью 800 Гбит/с и выше.
4.3 Роль пассивных фильтров в профессиональных решениях для радиочастотных систем
С точки зрения более макроскопического разделения отраслевой специализации, компания Taiyo Yuden является ещё одним производителем, активно развиваемым в области высокочастотных пассивных компонентов для оптических модулей. Её линейка высокочастотных продуктов включает многослойные керамические устройства (фильтры, дуплексеры, эквалайзеры), SAW- и FBAR-устройства (фильтры, дуплексеры), а также пластинчатые антенны. На мировом рынке индуктивностей компании Murata, TDK и Taiyo Yuden занимают три лидирующие позиции; их совокупная доля рынка превышает 40%, что делает их ключевыми поставщиками пассивных компонентов для высокоскоростной коммуникационной инфраструктуры. Такая высококонцентрированная конкурентная ситуация означает, что выбор фильтров и индуктивностей в RF-ланце оптического модуля представляет собой не только техническое решение, но и напрямую влияет на стабильность цепочки поставок и надёжность поставок.
5 Тенденция к интеграции и вызовы миниатюризации
5.1 Эволюция от дискретных схем типа Bias-Tee к интегрированным схемам с настройкой напряжения на уровне чипа
В традиционных схемах управления EML выходной сигнал чипа драйвера должен проходить через отдельную схему типа «Bias-Tee» (включающую конденсаторы для блокировки постоянного тока и индуктивности для установления напряжения смещения), прежде чем поступать на устройство EML. Такая дискретная архитектура занимает значительную площадь печатной платы, особенно это заметно в четырехканальных модулях (например, 400G LR4) и восьмиканальных модулях (например, 800G LR8).
Драйвер EML с постоянным токовым соединением ISG-D5616, разработанный компанией Chengdu Insiga Semiconductor, представляет собой прорыв в направлении интеграции. Чип поддерживает скорость波特 до 53 Гбит/с, может быть напрямую подключён к чипу EML, при этом на EML-COC (chip-on-carrier) не требуется терминация с импедансом 50 Ом; смещение EA может подаваться непосредственно через управляющие выводы драйвера. Благодаря этой архитектуре ни драйверу, ни EML не требуется внешний Bias-Tee, что значительно сокращает занимаемое пространство в четырёх- или восьмиканальной модулях. Кроме того, поскольку драйвер использует дифференциальный вход, основным источником перекрёстных помех является шум общего режима, что обеспечивает естественную устойчивость к перекрёстным помехам.
5.2 Влияние соединения проводов на характеристики радиочастотных пассивных компонентов
В процессе упаковки оптических модулей электрическое соединение между чипом и печатной платой осуществляется в основном методом проводного соединения (wire bonding). В индустрии оптической связи широко используется технология термоултразвукового проводного соединения; её преимущества заключаются в том, что поверхность оптоэлектронных чипов обычно покрыта золотом, что обеспечивает высокие характеристики при работе в высоких частотах; кроме того, данная технология характеризуется низкой температурой соединения, высокой скоростью выполнения операции и высокой надежностью.
Однако последовательная индуктивность, встроенная в золотые провода (типовые значения составляют около 0,8–1 нХ на миллиметр длины), оказывает немалое влияние на сопоставление импеданса на высоких частотах. По мере увеличения длины сплавного провода его эквивалентная индуктивность растёт, что может изменить эффективную частотную характеристику фильтра и индуктивного элемента, а также привести к смещению резонансной точки широкополосного биас-Т-образника. Технология клинового сваривания (с использованием клиновидного ножа для формирования квадратных сварочных контактов) благодаря более контролируемым паразитным параметрам сварных контактов обычно применяется при соединении выводов на плате для высокочастотных сигналов. Это означает, что точное проектирование пассивных радиочастотных компонентов не может основываться исключительно на технических характеристиках самих компонентов; необходимо также учитывать паразитные эффекты, обусловленные интерконструкциями корпуса, при проведении трёхмерного электромагнитного моделирования всего цепного контура.
6. Заключение
По мере перехода оптических модулей от 100 Гбит/с к 800 Гбит/с, 1,6 Тбит/с и в будущем — до 3,2 Тбит/с, четыре ключевых фактора — скорость одного канала, количество каналов, ограничения по энергопотреблению и габариты корпуса — одновременно приближаются к физическим пределам. В этих условиях пассивные радиочастотные компоненты, такие как фильтры и индуктивности, уже не являются стандартными элементами, которые можно произвольно заменять; они становятся стратегическими компонентами, требующими совместного проектирования с активными чипами и даже их интеграции на одном кристалле.
От сверхширокополосных индуктивностей типа Bias-Tee на базе EML до трёхиндуктивной топологии для пикового формирования сигнала на фронтенде TIA, от стековых индуктивностей в схемах CDR до интегрированных кремниевых сетей декуплирования в PDN — каждый скачок в производительности пассивных компонентов напрямую приводит к улучшению бюджета линии оптического модуля, повышению качества оптического диаграмма и снижению уровня ошибок в системе. Постоянные инвестиции ведущих мировых производителей пассивных компонентов — таких как Murata, Taiyo Yuden и TDK — в направлениях миниатюризации, работы на высоких частотах и интеграции, а также прорывы в разработке отечественных сверхширокополосных конических индуктивностей открывают новые возможности для проектирования в индустрии оптической связи.
В перспективе, по мере того как такие новые технологические направления, как LPO (линейные подключаемые оптические компоненты) и CPO (оптические компоненты с совместной упаковкой), начинают заменять традиционные архитектуры DSP, пассивные компоненты будут всё глубже интегрироваться в зону пересечения фотонной и электронной интеграции. В результате концепция проектирования фильтров и индуктивностей перейдёт от статуса «стандартных компонентов на сигнальном пути» к роли «основного IP в междоменных совместных проектах». Этот переход не только станет всесторонним испытанием потенциала индустрии радиочастотных пассивных компонентов, но и переопределяет содержание и область применения «ключевых компонентов» в системах оптической связи.
## Библиография
[1] TrendForce (JiBang Consulting). Исследование мирового рынка специализированных оптических передатчиков-приемников для ИИ, апрель 2026 г.
[2] TrendForce (JiBang Consulting). Прогноз объемов поставок оптических передатчиков-приемников мощностью свыше 800 Гбит/с в мире на период до декабря 2025 года.
[3] Pan Q, Luo X S, Li Z H, [3] Pan Q, Luo X S, Li Z H, et al. A 26-Gb/s CMOS optical receiver with a reference-less CDR in 65-nm CMOS[J]. Journal of Semiconductors, 2022, 43(7): 072401.
[4] Insiga Semiconductor. Первый в отрасли драйвер EML с постоянным токовым соединением и скоростью передачи данных 53 Гбит/с — ISG-D5616, февраль 2023 г.
[5] Мурадата Сёсэйко. Материалы семинара по решениям для оптических модулей, март 2023 г.
[6] Мурадата Сёсэйко. Решение по применению оптических модулей на выставке Электроника Мюнхен–Шанхай 2025, апрель 2025 г.
[7] LightCounting. Отчет о прогнозах рынка оптических модулей 400 Гбит/с/800 Гбит/с, август 2024 г.
[8] Анализ конкурентной ситуации в глобальной индустрии индуктивных элементов. First Finance, июнь 2021 г.
[9] Хун Чанчжэн Текнолоджи. Основной технологический процесс производства оптических модулей [J]. 2024, февраль.