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1965年英特爾創(chuàng )始人之一戈登.摩爾發(fā)表了一個(gè)著(zhù)名的論斷：當價(jià)格保持不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數目大約每隔18~24個(gè)月增長(cháng)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(lái)源自網(wǎng)絡(luò ) 然而到了50年后的現在，該路線(xiàn)走到了終點(diǎn)。 摩爾定律在更高的數據傳輸要求前已不再適用，隨著(zhù)晶體管體積越來(lái)越小，電布線(xiàn)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 )遇到信號延遲變大、傳輸帶寬小、信號間串擾大的問(wèn)題。 銅電路達到了物理瓶頸，止步于50Gb/s的傳輸極限。隨著(zhù)速率的提升尤其是400G時(shí)代的到來(lái)，板上集成面臨的挑戰加劇，信號完整性和功耗等問(wèn)題常常讓工程師束手無(wú)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(wèn)題。 新材料？Ⅲ-Ⅴ族和硅基材料哪家強？21世紀是新材料的時(shí)代, 2018年中科大天才少年曹原即因為與石墨烯相關(guān)的重大發(fā)現引起了轟動(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(fā)射激光器，主要是以下兩種類(lèi)型：
DFB 可實(shí)現速率在25G及以下，傳輸距離在10千米以?xún)�，適用于數據中心、城域網(wǎng)及接入網(wǎng)。 EML 可實(shí)現速率在50G及以下，傳輸距離在80千米以?xún)�，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�；诰A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(shù)特性，在器件尺寸、集成規模和成本方面也具有相當的優(yōu)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(fā)光效率低。 目前硅基材料還無(wú)法在片上集成激光器，因此只能通過(guò)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(lái)了散熱設計、耦合封裝系統損耗大等挑戰。 硅光產(chǎn)業(yè)現狀如何？盡管硅光材料擁有一定的先天缺陷，業(yè)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(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90年代發(fā)現多孔硅的室溫發(fā)光, 2000年觀(guān)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(wú)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)現高密度、大規模的集成，這對光通信模塊的生產(chǎn)效率提升至關(guān)重要。 隨著(zhù)波導理論的成熟，基于CMOS制造工藝的硅光技術(shù)被應用到光收發(fā)模塊器件的設計制備中。硅光利用傳統半導體產(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模波道器件的生產(chǎn)；加上外延生長(cháng)等加工工藝制備調制器、接收器等關(guān)鍵器件，實(shí)現了調制器、接收器以及無(wú)源光學(xué)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(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)，硅光技術(shù)可以通過(guò)晶圓測試等方法進(jìn)行批量測試，測試效率顯著(zhù)提升。 目前硅光技術(shù)仍處于起步階段，光通信傳統應用領(lǐng)域穩步增長(cháng)，成為了硅光產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展基礎。 目前光模塊主要應用領(lǐng)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(cháng)，以及5G密集組網(wǎng)等新需求的顯現，光通信領(lǐng)域對光模塊的需求量穩步增長(cháng)，同時(shí)光模塊處于10G向100G、100G向400G升級的迭代周期，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(chǎng)逐漸獲得了一定的市場(chǎng)份額。 硅光材料用于相干光模塊的前景雖說(shuō)光模塊的市場(chǎng)份額尚不足以體現硅光技術(shù)的價(jià)值，結構光面部識別、量子通信等廣闊的應用領(lǐng)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(lǐng)域的應用還是契合了當前硅光技術(shù)較為初級的階段。 目前出貨的硅光模塊產(chǎn)品主要分為兩大類(lèi)：
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(gè)25G速率的激光器分別調制4路信號經(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，調制器和無(wú)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(guò)由于光纖與硅波導之間巨大的模場(chǎng)失配，芯片和光纖的耦合損耗成為了系統損耗的主要來(lái)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(wú)法解決光芯片的數量，只能優(yōu)化無(wú)源器件成本，比如易飛揚(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與機遇》演講PPT 中長(cháng)距離的電信相干模塊 當前的相干產(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(wèn)題也很?chē)乐�；硅光方案的�?yōu)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(chǎn)品的缺陷。 當前硅光技術(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遇期是在400G時(shí)代。 400G時(shí)代 由于400G技術(shù)的要求，需要應用單通道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信號的通道損耗和反射引入代價(jià)太大，同時(shí)對通道Cross-Talk（串擾）的容忍性極大降低。 因此人們引進(jìn)了PAM4技術(shù)，結合DSP數字信號處理進(jìn)行補償，但是這也使得系統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)勢便得以體現出來(lái)。 ◮當前基于PAM4的400G-DR4眼圖（來(lái)自Tektronix） 目前業(yè)界普遍的看法是: 100G時(shí)代，硅光技術(shù)對并行方案——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(zhù)優(yōu)勢，長(cháng)距離則要用到EML調制或者相干技術(shù)。 總結硅光技術(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(yōu)勢。 業(yè)界也普遍看好硅光技術(shù)，思科首席技術(shù)官與首席架構師Dave Ward稱(chēng)：“硅光子是當今ASIC中最具發(fā)展前途的東西。這是唯一一種能夠解決長(cháng)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，當前相干模塊有下移至30km到80km的DCI應用場(chǎng)景的趨勢；與III-V族材料相比，硅基技術(shù)當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(Gigalight)是硅光技術(shù)的堅定支持者，在完成100G QSFP28 PSM4的硅光模塊的同時(shí)，又展開(kāi)了對400G硅光關(guān)鍵技術(shù)的研究。相信在科研力量的支持下, 400G硅光項目可以早日落地，對高速率相干光模塊市場(chǎng)帶來(lái)技術(shù)的改善和變革。了解更多硅光信息，請訪(fǎng)問(wèn)：https://www.gigalight.com/cn/100g-qsfp28-psm4-500m.html 部分內容引用自： 1. 麥姆斯咨詢(xún)《磷化銦晶圓和外延片市場(chǎng)現狀與未來(lái)》 2. 天風(fēng)證券《光通信僅土壤，消費需求才是未來(lái)》 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》 |
