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硅光技术在相干模块中的应用前瞻

硅光技术以其悠久的研究历史和出色的产业链正成为400G高速光模块的革命起点。

1965年英特尔创始人之一戈登.摩尔发表了一个著名的论断:当价格保持不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目大约每隔18~24个月增长一倍,性能也将提升一倍,这便是举世闻名的摩尔定律。

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图片来源自网络

然而到了50年后的现在,该路线走到了终点。摩尔定律在更高的数据传输要求前已不再适用,随着晶体管体积越来越小,电布线的解决方案有其自身极限——提高传输速度时,耗电量会急剧增加,传输距离变得非常短,同时也会遇到信号延迟变大、传输带宽小、信号间串扰大的问题。

铜电路达到了物理瓶颈,止步于50Gb/s的传输极限。随着速率的提升尤其是400G时代的到来,板上集成面临的挑战加剧,信号完整性和功耗等问题常常让工程师束手无策,人们渴望新材料的出现从根本上改善光模块在高速链路里可能出现的诸多问题。

1、新材料?Ⅲ-Ⅴ族和硅基材料哪家强?

21世纪是新材料的时代, 2018年中科大天才少年曹原即因为与石墨烯相关的重大发现引起了轰动。石墨烯甚至黑磷等都是很有前景的材料,而当前拥有较为成熟产业链的新材料主要是Ⅲ-Ⅴ族和硅基材料。

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甘甫烷《硅基集成激光器的挑战与机遇》演讲PPT

 

下表主要列出了两者之间的性能对比。

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作为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体之一,磷化铟(InP)具有电子迁移率高、耐辐射性能好、禁带宽度大等优点,在两大应用领域拥有关键优势:

  • 光子领域:波长为1000nm以上的发射和探测能力;
  • 射频领域:高频RF应用中的高速和低噪声性能。

基于InP材料的激光器、调制器、探测器及其模块已广泛应用于光通信。

InP半导体激光器主要是边发射激光器,主要是以下两种类型:

  • 分布式反馈激光(DFB)
  • 电吸收调制激光器(EML)
DFB可实现速率在25G及以下,传输距离在10千米以内,适用于数据中心、城域网及接入网。
EML可实现速率在50G及以下,传输距离在80千米以内,主要适用于骨干网、城域网及DCI互联。

但是由于InP材料的高成本和与CMOS工艺不兼容的缺陷,InP受到了硅基材料的挑战。基于晶圆和标准化的CMOS工艺,硅基材料不仅具有高调制带宽(>30GHz)的技术特性,在器件尺寸、集成规模和成本方面也具有相当的优势。硅光技术在相干模块中的应用前瞻2019032510245944

甘甫烷《硅基集成激光器的挑战与机遇》演讲PPT

硅基材料也有其固有缺陷:硅是间接带隙,发光效率低。

目前硅基材料还无法在片上集成激光器,因此只能通过外部光源、贴装光源、混合集成、异质集成等方式,这些方式也带来了散热设计、耦合封装系统损耗大等挑战。

2、硅光产业现状如何?

尽管硅光材料拥有一定的先天缺陷,业界还是认为硅基材料可以取代传统的磷化铟方案,尤其是在高速光通信模块的研究领域。下表列出硅基光电子核心器件和关键技术面临的主要挑战和发展趋势。

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人们从未放弃在硅基上直接发光的探索,从20世纪90年代发现多孔硅的室温发光, 2000年观察到纳米硅的增益,直到最近几年硅拉曼激光器,Ⅲ-Ⅴ族-硅混合激光器,无不引起世界光电子研究学者的极大关注。大量科研人员进行了探索,比如:硅掺GeSn, 硅掺Er, 硅纳米颗粒等。当前量子点激光器可能是一个重要的硅基光源解决方案。

硅基材料的一个重要特点就是可以实现高密度、大规模的集成,这对光通信模块的生产效率提升至关重要。

随着波导理论的成熟,基于CMOS制造工艺的硅光技术被应用到光收发模块器件的设计制备中。硅光利用传统半导体产业非常成熟的硅晶圆加工工艺,在硅基底上利用蚀刻工艺加速了大规模波道器件的生产;加上外延生长等加工工艺制备调制器、接收器等关键器件,实现了调制器、接收器以及无源光学器件的高度集成。

相比于传统分立式器件,硅基工艺不再需要依次封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件,硅光体积大幅减小,材料成本、芯片成本、封装成本均有望进一步优化,同时,硅光技术可以通过晶圆测试等方法进行批量测试,测试效率显著提升。

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目前硅光技术仍处于起步阶段,光通信传统应用领域稳步增长,成为了硅光产业链的发展基础。目前光模块主要应用领域为电信和数据中心信息传输。受益于流量的持续高速增长,以及5G密集组网等新需求的显现,光通信领域对光模块的需求量稳步增长,同时光模块处于10G向100G、100G向400G升级的迭代周期,高速产品的价值不断提升。硅光技术作为逐步成熟的高集成度技术方案,在光通信市场逐渐获得了一定的市场份额。

3、硅光材料用于相干光模块的前景

虽说光模块的市场份额尚不足以体现硅光技术的价值,结构光面部识别、量子通信等广阔的应用领域也提出了相应的硅光解决方案——“更大的世界在召唤它”,但是硅光材料在光模块领域的应用还是契合了当前硅光技术较为初级的阶段。

目前出货的硅光模块产品主要分为两大类:

  • 短距离数据中心光模块
  • 中长距离的电信相干模块
首先说应用于数据中心的100G QSFP28 PSM4。传统100G PSM4方案使用4个25G速率的激光器分别调制4路信号经4根光纤(MPO高密度连接器)传输100G的总体速率。引入硅光技术后,调制器和无源光路可以高度集成,大幅节约了芯片成本(光模块中40%是光芯片成本,其中20%左右的激光器成本节约3/4)。不过由于光纤与硅波导之间巨大的模场失配,芯片和光纤的耦合损耗成为了系统损耗的主要来源,导致了光路功率预算的不足,因此目前只在500米短距离相对成熟。100G CWDM4硅光方案无法解决光芯片的数量,只能优化无源器件成本,比如易飞扬(Gigalight)的Mini tosa的制备正是基于此研发而成。

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甘甫烷《硅基集成激光器的挑战与机遇》演讲PPT

另一个硅光的机会点在于中长距离的相干领域。当前的相干产品主要是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这两种封装体积是在太大,并且功耗问题也很严重;硅光方案的优势主要体现在相干调制以及合分波器件的高度集成化,加上完善的温控设计,可以大幅解决相干产品的缺陷。当前硅光技术在成本上整体优势并不明显,封装工艺仍有技术难点需要突破,产品良率仍有差距。

硅光真正可以大显身手的机遇期是在400G时代。由于400G技术的要求,需要应用单通道56G或112G速率,但是目前的NRZ技术很难突破单路56G传输速率,主要原因在于56G/112G信号的通道损耗和反射引入代价太大,同时对通道Cross-Talk(串扰)的容忍性极大降低。

因此人们引进了PAM4技术,结合DSP数字信号处理进行补偿,但是这也使得系统不够透明且难以管理。业界急需研制出单波100G的芯片——这个时候硅光的优势便得以体现出来。

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当前基于PAM4的400G-DR4眼图(来自Tektronix)

目前业界普遍的看法是: 100G时代,硅光技术对并行方案——100G PSM4产品有一定影响;而到了400G时代,硅光在500m距离的400G DR4具有显著优势,长距离则要用到EML调制或者相干技术。

4、总结

硅光技术以其悠久的研究历史和出色的产业链正成为400G高速光模块的革命起点,与传统的磷化铟方案相比,硅基材料具有与CMOS工艺兼容、易大规模集成的固有优势。

业界也普遍看好硅光技术,思科首席技术官与首席架构师Dave Ward称:“硅光子是当今ASIC中最具发展前途的东西。这是唯一一种能够解决长期技术与商业需求的颠覆性技术。”

由于电芯片面临的技术瓶颈,当前相干模块有下移至30km到80km的DCI应用场景的趋势;与III-V族材料相比,硅基技术当前的困境在于光源难以在片上集成,因此像COBO等联盟更偏向于光电混合集成。

易飞扬(Gigalight)是硅光技术的坚定支持者,在完成100G QSFP28 PSM4的硅光模块的同时,又展开了对400G硅光关键技术的研究。相信在科研力量的支持下, 400G硅光项目可以早日落地,对高速率相干光模块市场带来技术的改善和变革。

 

部分内容引用自:

1. 麦姆斯咨询《磷化铟晶圆和外延片市场现状与未来》

2. 天风证券《光通信仅土壤,消费需求才是未来》

3. 中电三十八所 冯俊波、郭进《硅基光电子核心器件与技术概述》

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