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1965年英特爾創始人之一戈登.摩爾發表了一個著名的論斷：當價格保持不變時，集成電路上可容納的元器件的數目大約每隔18~24個月增長一倍，性能也將提升一倍，這便是舉世聞名的摩爾定律。 ◮圖片來源自網絡 然而到了50年后的現在，該路線走到了終點。 摩爾定律在更高的數據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，耗電量會急劇增加，傳輸距離變得非常短，同時也會遇到信號延遲變大、傳輸帶寬小、信號間串擾大的問題。 銅電路達到了物理瓶頸，止步于50Gb/s的傳輸極限。隨著速率的提升尤其是400G時代的到來，板上集成面臨的挑戰加劇，信號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從根本上改善光模塊在高速鏈路里可能出現的諸多問題。 新材料？Ⅲ-Ⅴ族和硅基材料哪家強？21世紀是新材料的時代, 2018年中科大天才少年曹原即因為與石墨烯相關的重大發現引起了轟動。 石墨烯甚至黑磷等都是很有前景的材料，而當前擁有較為成熟產業鏈的新材料主要是Ⅲ-Ⅴ族和硅基材料。 ◮甘甫烷《硅基集成激光器的挑戰與機遇》演講PPT 下表主要列出了兩者之間的性能對比。
基于InP材料的激光器、調制器、探測器及其模塊已廣泛應用于光通信。 InP半導體激光器主要是邊發射激光器，主要是以下兩種類型：
DFB 可實現速率在25G及以下，傳輸距離在10千米以內，適用于數據中心、城域網及接入網。 EML 可實現速率在50G及以下，傳輸距離在80千米以內，主要適用于骨干網、城域網及DCI互聯。 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。基于晶圓和標準化的CMOS工藝，硅基材料不僅具有高調制帶寬(>30GHz)的技術特性，在器件尺寸、集成規模和成本方面也具有相當的優勢。 ◮甘甫烷《硅基集成激光器的挑戰與機遇》演講PPT 硅基材料也有其固有缺陷：硅是間接帶隙，發光效率低。 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、異質集成等方式，這些方式也帶來了散熱設計、耦合封裝系統損耗大等挑戰。 硅光產業現狀如何？盡管硅光材料擁有一定的先天缺陷，業界還是認為硅基材料可以取代傳統的磷化銦方案，尤其是在高速光通信模塊的研究領域。 下表列出硅基光電子核心器件和關鍵技術面臨的主要挑戰和發展趨勢。 人們從未放棄在硅基上直接發光的探索，從20世紀90年代發現多孔硅的室溫發光, 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者的極大關注。 大量科研人員進行了探索，比如：硅摻GeSn, 硅摻Er, 硅納米顆粒等。當前量子點激光器可能是一個重要的硅基光源解決方案。 硅基材料的一個重要特點就是可以實現高密度、大規模的集成，這對光通信模塊的生產效率提升至關重要。 隨著波導理論的成熟，基于CMOS制造工藝的硅光技術被應用到光收發模塊器件的設計制備中。硅光利用傳統半導體產業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模波道器件的生產；加上外延生長等加工工藝制備調制器、接收器等關鍵器件，實現了調制器、接收器以及無源光學器件的高度集成。 相比于傳統分立式器件，硅基工藝不再需要依次封裝電芯片、光芯片、透鏡、對準組件、光纖端面等器件，硅光體積大幅減小，材料成本、芯片成本、封裝成本均有望進一步優化，同時，硅光技術可以通過晶圓測試等方法進行批量測試，測試效率顯著提升。 目前硅光技術仍處于起步階段，光通信傳統應用領域穩步增長，成為了硅光產業鏈的發展基礎。 目前光模塊主要應用領域為電信和數據中心信息傳輸。受益于流量的持續高速增長，以及5G密集組網等新需求的顯現，光通信領域對光模塊的需求量穩步增長，同時光模塊處于10G向100G、100G向400G升級的迭代周期，高速產品的價值不斷提升。 硅光技術作為逐步成熟的高集成度技術方案，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硅光技術的價值，結構光面部識別、量子通信等廣闊的應用領域也提出了相應的硅光解決方案——“更大的世界在召喚它”，但是硅光材料在光模塊領域的應用還是契合了當前硅光技術較為初級的階段。 目前出貨的硅光模塊產品主要分為兩大類：
短距離數據中心光模塊 • 數據中心的100G QSFP28 PSM4 傳統100G PSM4方案使用4個25G速率的激光器分別調制4路信號經4根光纖（MPO高密度連接器）傳輸100G的總體速率。 引入硅光技術后，調制器和無源光路可以高度集成，大幅節約了芯片成本（光模塊中40%是光芯片成本，其中20%左右的激光器成本節約3/4）。 不過由于光纖與硅波導之間巨大的模場失配，芯片和光纖的耦合損耗成為了系統損耗的主要來源，導致了光路功率預算的不足，因此目前只在500米短距離相對成熟。 • 100G CWDM4硅光方案 100G CWDM4硅光方案無法解決光芯片的數量，只能優化無源器件成本，比如易飛揚(Gigalight)的Mini tosa的制備正是基于此研發而成。 ◮甘甫烷《硅基集成激光器的挑戰與機遇》演講PPT 中長距離的電信相干模塊 當前的相干產品主要是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重；硅光方案的優勢主要體現在相干調制以及合分波器件的高度集成化，加上完善的溫控設計，可以大幅解決相干產品的缺陷。 當前硅光技術在成本上整體優勢并不明顯，封裝工藝仍有技術難點需要突破，產品良率仍有差距。 硅光真正可以大顯身手的機遇期是在400G時代。 400G時代 由于400G技術的要求，需要應用單通道56G或112G速率，但是目前的NRZ技術很難突破單路56G傳輸速率，主要原因在于56G/112G信號的通道損耗和反射引入代價太大，同時對通道Cross-Talk（串擾）的容忍性極大降低。 因此人們引進了PAM4技術，結合DSP數字信號處理進行補償，但是這也使得系統不夠透明且難以管理。業界急需研制出單波100G的芯片——這個時候硅光的優勢便得以體現出來。 ◮當前基于PAM4的400G-DR4眼圖（來自Tektronix） 目前業界普遍的看法是: 100G時代，硅光技術對并行方案——100G PSM4產品有一定影響；而到了400G時代，硅光在500m距離的400G DR4具有顯著優勢，長距離則要用到EML調制或者相干技術。 總結硅光技術以其悠久的研究歷史和出色的產業鏈正成為400G高速光模塊的革命起點，與傳統的磷化銦方案相比，硅基材料具有與CMOS工藝兼容、易大規模集成的固有優勢。 業界也普遍看好硅光技術，思科首席技術官與首席架構師Dave Ward稱：“硅光子是當今ASIC中最具發展前途的東西。這是唯一一種能夠解決長期技術與商業需求的顛覆性技術。” 由于電芯片面臨的技術瓶頸，當前相干模塊有下移至30km到80km的DCI應用場景的趨勢；與III-V族材料相比，硅基技術當前的困境在于光源難以在片上集成，因此像COBO等聯盟更偏向于光電混合集成。 易飛揚(Gigalight)是硅光技術的堅定支持者，在完成100G QSFP28 PSM4的硅光模塊的同時，又展開了對400G硅光關鍵技術的研究。相信在科研力量的支持下, 400G硅光項目可以早日落地，對高速率相干光模塊市場帶來技術的改善和變革。了解更多硅光信息，請訪問：https://www.gigalight.com/cn/100g-qsfp28-psm4-500m.html 部分內容引用自： 1. 麥姆斯咨詢《磷化銦晶圓和外延片市場現狀與未來》 2. 天風證券《光通信僅土壤，消費需求才是未來》 3. 中電三十八所 馮俊波、郭進《硅基光電子核心器件與技術概述》 |
