硅光技術(shù)在相干模塊中的應(yīng)用前瞻

1965年英特爾創(chuàng)始人之一戈登.摩爾發(fā)表了一個(gè)著名的論斷：當(dāng)價(jià)格保持不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目大約每隔18~24個(gè)月增長一倍，性能也將提升一倍，這便是舉世聞名的摩爾定律。

?圖片來源自網(wǎng)絡(luò)

然而到了50年后的現(xiàn)在，該路線走到了終點(diǎn)。

摩爾定律在更高的數(shù)據(jù)傳輸要求前已不再適用，隨著晶體管體積越來越小，電布線的解決方案有其自身極限——提高傳輸速度時(shí)，耗電量會(huì)急劇增加，傳輸距離變得非常短，同時(shí)也會(huì)遇到信號(hào)延遲變大、傳輸帶寬小、信號(hào)間串?dāng)_大的問題。

銅電路達(dá)到了物理瓶頸，止步于50Gb/s的傳輸極限。隨著速率的提升尤其是400G時(shí)代的到來，板上集成面臨的挑戰(zhàn)加劇，信號(hào)完整性和功耗等問題常常讓工程師束手無策，人們渴望新材料的出現(xiàn)從根本上改善光模塊在高速鏈路里可能出現(xiàn)的諸多問題。

新材料？Ⅲ-Ⅴ族和硅基材料哪家強(qiáng)？

21世紀(jì)是新材料的時(shí)代, 2018年中科大天才少年曹原即因?yàn)榕c石墨烯相關(guān)的重大發(fā)現(xiàn)引起了轟動(dòng)。

石墨烯甚至黑磷等都是很有前景的材料，而當(dāng)前擁有較為成熟產(chǎn)業(yè)鏈的新材料主要是Ⅲ-Ⅴ族和硅基材料。

?甘甫烷《硅基集成激光器的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》演講PPT

下表主要列出了兩者之間的性能對(duì)比。

作為Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體之一，磷化銦(InP)具有電子遷移率高、耐輻射性能好、禁帶寬度大等優(yōu)點(diǎn)，在兩大應(yīng)用領(lǐng)域擁有關(guān)鍵優(yōu)勢：

• 光子領(lǐng)域：波長為1000nm以上的發(fā)射和探測能力；

• 射頻領(lǐng)域：高頻RF應(yīng)用中的高速和低噪聲性能。

基于InP材料的激光器、調(diào)制器、探測器及其模塊已廣泛應(yīng)用于光通信。

InP半導(dǎo)體激光器主要是邊發(fā)射激光器，主要是以下兩種類型：

• 分布式反饋激光(DFB)

• 電吸收調(diào)制激光器(EML)

DFB

可實(shí)現(xiàn)速率在25G及以下，傳輸距離在10千米以內(nèi)，適用于數(shù)據(jù)中心、城域網(wǎng)及接入網(wǎng)。

EML

可實(shí)現(xiàn)速率在50G及以下，傳輸距離在80千米以內(nèi)，主要適用于骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)及DCI互聯(lián)。

但是由于InP材料的高成本和與CMOS工藝不兼容的缺陷，InP受到了硅基材料的挑戰(zhàn)。基于晶圓和標(biāo)準(zhǔn)化的CMOS工藝，硅基材料不僅具有高調(diào)制帶寬(>30GHz)的技術(shù)特性，在器件尺寸、集成規(guī)模和成本方面也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

?甘甫烷《硅基集成激光器的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》演講PPT

硅基材料也有其固有缺陷：硅是間接帶隙，發(fā)光效率低。

目前硅基材料還無法在片上集成激光器，因此只能通過外部光源、貼裝光源、混合集成、異質(zhì)集成等方式，這些方式也帶來了散熱設(shè)計(jì)、耦合封裝系統(tǒng)損耗大等挑戰(zhàn)。

硅光產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀如何？

盡管硅光材料擁有一定的先天缺陷，業(yè)界還是認(rèn)為硅基材料可以取代傳統(tǒng)的磷化銦方案，尤其是在高速光通信模塊的研究領(lǐng)域。

下表列出硅基光電子核心器件和關(guān)鍵技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。

人們從未放棄在硅基上直接發(fā)光的探索，從20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)多孔硅的室溫發(fā)光, 2000年觀察到納米硅的增益，直到最近幾年硅拉曼激光器，Ⅲ-Ⅴ族-硅混合激光器，無不引起世界光電子研究學(xué)者的極大關(guān)注。

大量科研人員進(jìn)行了探索，比如：硅摻GeSn, 硅摻Er, 硅納米顆粒等。當(dāng)前量子點(diǎn)激光器可能是一個(gè)重要的硅基光源解決方案。 

硅基材料的一個(gè)重要特點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)高密度、大規(guī)模的集成，這對(duì)光通信模塊的生產(chǎn)效率提升至關(guān)重要。

隨著波導(dǎo)理論的成熟，基于CMOS制造工藝的硅光技術(shù)被應(yīng)用到光收發(fā)模塊器件的設(shè)計(jì)制備中。硅光利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)非常成熟的硅晶圓加工工藝，在硅基底上利用蝕刻工藝加速了大規(guī)模波道器件的生產(chǎn)；加上外延生長等加工工藝制備調(diào)制器、接收器等關(guān)鍵器件，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制器、接收器以及無源光學(xué)器件的高度集成。

相比于傳統(tǒng)分立式器件，硅基工藝不再需要依次封裝電芯片、光芯片、透鏡、對(duì)準(zhǔn)組件、光纖端面等器件，硅光體積大幅減小，材料成本、芯片成本、封裝成本均有望進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)，硅光技術(shù)可以通過晶圓測試等方法進(jìn)行批量測試，測試效率顯著提升。

目前硅光技術(shù)仍處于起步階段，光通信傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域穩(wěn)步增長，成為了硅光產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展基礎(chǔ)。

目前光模塊主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娦藕蛿?shù)據(jù)中心信息傳輸。受益于流量的持續(xù)高速增長，以及5G密集組網(wǎng)等新需求的顯現(xiàn)，光通信領(lǐng)域?qū)饽K的需求量穩(wěn)步增長，同時(shí)光模塊處于10G向100G、100G向400G升級(jí)的迭代周期，高速產(chǎn)品的價(jià)值不斷提升。

硅光技術(shù)作為逐步成熟的高集成度技術(shù)方案，在光通信市場逐漸獲得了一定的市場份額。

硅光材料用于相干光模塊的前景

雖說光模塊的市場份額尚不足以體現(xiàn)硅光技術(shù)的價(jià)值，結(jié)構(gòu)光面部識(shí)別、量子通信等廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域也提出了相應(yīng)的硅光解決方案——“更大的世界在召喚它”，但是硅光材料在光模塊領(lǐng)域的應(yīng)用還是契合了當(dāng)前硅光技術(shù)較為初級(jí)的階段。

目前出貨的硅光模塊產(chǎn)品主要分為兩大類：

• 短距離數(shù)據(jù)中心光模塊

• 中長距離的電信相干模塊

短距離數(shù)據(jù)中心光模塊

? 數(shù)據(jù)中心的100G QSFP28 PSM4

傳統(tǒng)100G PSM4方案使用4個(gè)25G速率的激光器分別調(diào)制4路信號(hào)經(jīng)4根光纖（MPO高密度連接器）傳輸100G的總體速率。

引入硅光技術(shù)后，調(diào)制器和無源光路可以高度集成，大幅節(jié)約了芯片成本（光模塊中40%是光芯片成本，其中20%左右的激光器成本節(jié)約3/4）。

不過由于光纖與硅波導(dǎo)之間巨大的模場失配，芯片和光纖的耦合損耗成為了系統(tǒng)損耗的主要來源，導(dǎo)致了光路功率預(yù)算的不足，因此目前只在500米短距離相對(duì)成熟。

? 100G CWDM4硅光方案

100G CWDM4硅光方案無法解決光芯片的數(shù)量，只能優(yōu)化無源器件成本，比如易飛揚(yáng)(Gigalight)的Mini tosa的制備正是基于此研發(fā)而成。

?甘甫烷《硅基集成激光器的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》演講PPT

中長距離的電信相干模塊

當(dāng)前的相干產(chǎn)品主要是100G的速率，在光源端采用外部光源+放大器的形式，但是CFP和CFP2這兩種封裝體積是在太大，并且功耗問題也很嚴(yán)重；硅光方案的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在相干調(diào)制以及合分波器件的高度集成化，加上完善的溫控設(shè)計(jì)，可以大幅解決相干產(chǎn)品的缺陷。

當(dāng)前硅光技術(shù)在成本上整體優(yōu)勢并不明顯，封裝工藝仍有技術(shù)難點(diǎn)需要突破，產(chǎn)品良率仍有差距。

硅光真正可以大顯身手的機(jī)遇期是在400G時(shí)代。

400G時(shí)代

由于400G技術(shù)的要求，需要應(yīng)用單通道56G或112G速率，但是目前的NRZ技術(shù)很難突破單路56G傳輸速率，主要原因在于56G/112G信號(hào)的通道損耗和反射引入代價(jià)太大，同時(shí)對(duì)通道Cross-Talk（串?dāng)_）的容忍性極大降低。

因此人們引進(jìn)了PAM4技術(shù)，結(jié)合DSP數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行補(bǔ)償，但是這也使得系統(tǒng)不夠透明且難以管理。業(yè)界急需研制出單波100G的芯片——這個(gè)時(shí)候硅光的優(yōu)勢便得以體現(xiàn)出來。

?當(dāng)前基于PAM4的400G-DR4眼圖（來自Tektronix）

目前業(yè)界普遍的看法是: 100G時(shí)代，硅光技術(shù)對(duì)并行方案——100G PSM4產(chǎn)品有一定影響；而到了400G時(shí)代，硅光在500m距離的400G DR4具有顯著優(yōu)勢，長距離則要用到EML調(diào)制或者相干技術(shù)。

總結(jié)

硅光技術(shù)以其悠久的研究歷史和出色的產(chǎn)業(yè)鏈正成為400G高速光模塊的革命起點(diǎn)，與傳統(tǒng)的磷化銦方案相比，硅基材料具有與CMOS工藝兼容、易大規(guī)模集成的固有優(yōu)勢。

業(yè)界也普遍看好硅光技術(shù)，思科首席技術(shù)官與首席架構(gòu)師Dave Ward稱：“硅光子是當(dāng)今ASIC中最具發(fā)展前途的東西。這是唯一一種能夠解決長期技術(shù)與商業(yè)需求的顛覆性技術(shù)。”

由于電芯片面臨的技術(shù)瓶頸，當(dāng)前相干模塊有下移至30km到80km的DCI應(yīng)用場景的趨勢；與III-V族材料相比，硅基技術(shù)當(dāng)前的困境在于光源難以在片上集成，因此像COBO等聯(lián)盟更偏向于光電混合集成。

易飛揚(yáng)(Gigalight)是硅光技術(shù)的堅(jiān)定支持者，在完成100G QSFP28 PSM4的硅光模塊的同時(shí)，又展開了對(duì)400G硅光關(guān)鍵技術(shù)的研究。相信在科研力量的支持下, 400G硅光項(xiàng)目可以早日落地，對(duì)高速率相干光模塊市場帶來技術(shù)的改善和變革。

部分內(nèi)容引用自：

1. 麥姆斯咨詢《磷化銦晶圓和外延片市場現(xiàn)狀與未來》

2. 天風(fēng)證券《光通信僅土壤，消費(fèi)需求才是未來》

3. 中電三十八所 馮俊波、郭進(jìn)《硅基光電子核心器件與技術(shù)概述》