北大教授王興軍：硅光市場(chǎng)將迎迅猛發(fā)展，更高集成度是重點(diǎn)

  ICC訊 “科創(chuàng )V計劃——燕緣科創(chuàng )大講堂”由北京大學(xué)校友會(huì )指導，北京創(chuàng )業(yè)投資協(xié)會(huì )與北大校友“燕緣雄芯”平臺、北京大學(xué)科技創(chuàng )新校友會(huì )聯(lián)合主辦，將每周一個(gè)小時(shí)線(xiàn)上深度分享，聚焦科創(chuàng )話(huà)題，傳遞科創(chuàng )星火。

  10月23日，“燕緣科創(chuàng )”第26期邀請了北京大學(xué)教授、博士生導師、電子學(xué)系副主任王興軍，分享了《硅基光電子集成芯片 — 光電融合的核心技術(shù)》。

  王興軍，北京大學(xué)教授，博士生導師，電子學(xué)系副主任，區域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統國家重點(diǎn)實(shí)驗室副主任，信息與通信研究所副所長(cháng)。

  以下是直播分享內容概要：

  硅基光電子技術(shù)是利用硅或與硅工藝兼容的其他材料，開(kāi)發(fā)以光子、電子為載體的微納量級信息功能器件，并將它們在同一硅襯底上大規模集成，形成一個(gè)完整的具有綜合功能的新型芯片單元。

  硅基光電子技術(shù)是實(shí)現“光電融合”的最佳方法，早在上個(gè)世紀60年代就提出，但受限于硅自身發(fā)光效率低、無(wú)法做成光源的致命缺點(diǎn)，一直沒(méi)有進(jìn)展。80年代，美國Soref 教授提出了硅基光電子集成概念，2004年 Intel報道了1Gb/s速率的硅基調制器，2003年后，逐步的研究中發(fā)現探測器可以用鍺來(lái)做，硅基激光源方面用三五族材料來(lái)做部分解決了硅本質(zhì)問(wèn)題，逐步做到了部分集成。

  2016年，Intel最早做出100G硅光收發(fā)器投以商用，之后很多產(chǎn)品以及公司相繼出現?，F在可以做到400G，未來(lái)可能做到1T或者更高。目前主要在數據中心和通訊應用，未來(lái)在傳感、計算等領(lǐng)域還會(huì )有更多的應用。

  硅基光電子學(xué)市場(chǎng)應用前景廣闊，預估2019年市場(chǎng)有4億多美金，2025年有40~50億美金，年增長(cháng)率約40%。主要應用領(lǐng)域為數據中心光模塊、長(cháng)距光傳輸模塊、光互連、5G光模塊、無(wú)人駕駛LiDAR、免疫測試、光纖陀螺等。

  目前，硅基光電子集成技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)相對成熟完整，仿真軟件、設計公司、驅動(dòng)電路、研發(fā)線(xiàn)、封測、光器件光模塊、設備商、運營(yíng)商等領(lǐng)域都有相應的一系列公司出現。硅光遵循微電子的腳步發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈逐漸分化，無(wú)晶圓廠(chǎng)的產(chǎn)業(yè)基礎已經(jīng)形成。相比較，硅光產(chǎn)業(yè)成長(cháng)速度比微電子快2倍，當前專(zhuān)注于硅光IP開(kāi)發(fā)和模塊生產(chǎn)、封測的公司已經(jīng)陸續成立，20年后，硅光產(chǎn)業(yè)的成熟度將接近微電子。

  目前，硅基光電子主要應用領(lǐng)域有：

  1. 數據中心方面應用

  我國在部署七大新基建，包括5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車(chē)充電樁、大數據中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等直接投資將達10萬(wàn)億元左右，帶動(dòng)投資累積或超17萬(wàn)億元。

  其中，5G基建和大數據中心投入很大，與硅光有密切聯(lián)系。大數據中心主要由交換機、服務(wù)器以及用于硬件互連的光電子芯片、光模塊組成。處理器之間，交換機之間，都要用到光連接，光連接的速度會(huì )越來(lái)越快。5G應用方面，光電子芯片、光模塊是實(shí)現5G高速、低延時(shí)通信的核心技術(shù)，也是5G低成本、廣覆蓋的關(guān)鍵。

  Alibaba Network & Optics Roadmap

  從阿里的roadmap可以看到帶寬從2013年的40G到2019年實(shí)現400G，平均每?jì)赡攴环?023年預計達到1.6T，但新的標準還沒(méi)有制定下來(lái)，還有很多研究?jì)r(jià)值和空間。

  數據中心方面還有一些比較偏學(xué)術(shù)的研究方向需要解決，主要包括：電泵CMOS兼容硅基光源問(wèn)題、Tb/s速率、功耗問(wèn)題、高速多通道光子集成陣列問(wèn)題、電光單片集成問(wèn)題、波導損耗和放大問(wèn)題、共封裝技術(shù)等。

  2. 5G通信方面應用

  繼數據中心之后的下一個(gè)有希望部署硅基收發(fā)機的場(chǎng)景為5G前傳模塊。Intel的100Gbps已經(jīng)初步應用到5G前傳中驗證。歐盟地平線(xiàn)2020項目“Teraboard”，針對5G基站之間處理單元，芯片間的高速互聯(lián)提出了Tbit高速互聯(lián)集成光電架構。目標實(shí)現ASIC處理器芯片間Tbit級高速互聯(lián)。該架構采用3D TSV封裝方式實(shí)現光電芯片融合，芯片間互聯(lián)通路采用PLC多層波導結構。

  3. 光通信方面應用

  目前光通信方面的應用發(fā)展方向是超高傳輸速率的瓶頸突破、長(cháng)距離傳輸方案的比較(直接檢測/相干檢測)與新型材料的硅基光通信系統探索。

  北大張帆老師團隊基于單個(gè)硅基調制器，可以實(shí)現200Gb/s甚至更高的但波長(cháng)傳輸速率。

  高速率硅基IQ調制器(single lane 200Gb/s (80Gbaud) PAM-6 and 176Gb/s (88Gbaud) PAM-4)

  硅光子芯片在100G,400G及以上的高速短距光通信場(chǎng)景中優(yōu)勢明顯。2020年初，Acacia宣布出樣包括400ZR, OPENZR+和Open ROADM MSA的多種400G 可插拔硅光相干模塊，并稱(chēng)將繼續擴大相干技術(shù)在更短距離中的應用。

  當前的相干產(chǎn)品主要是100G速率，在光源端采用外部光源加放大器的形式，但是CFP和CFP2這兩種封裝體積過(guò)大，并且功耗問(wèn)題也很?chē)乐亍?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e7%a1%85%e5%85%89&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">硅光方案的優(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。硅光子集成芯片的規模商用有望使得相干技術(shù)降低成本，進(jìn)而下沉到核心與匯聚層。

  中山大學(xué)蔡新倫教授和華南師范大學(xué)劉柳教授團隊做的新型大帶寬、高速片上LN調制器(SiP+LN)，獲得70GHz帶寬，實(shí)現超過(guò)100Gb/s速率傳輸。

  北京大學(xué)和UCSB合作基于A(yíng)lGaAsOI實(shí)現新型低功耗、高效率的片上光頻梳。在非常小的閾值下實(shí)現光梳20μW。

  4. 人工智能方面應用

  深度學(xué)習硬件方面遇到很多問(wèn)題，運算量越來(lái)越大，反復運算，能耗速率都會(huì )受到制約。光的功耗低，速度快，理論上可以解決深度學(xué)習中電的功耗和速率瓶頸。2017年，MIT提出了一種全新的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )架構，這種架構在理論上，相比于傳統的電子設備，可以大大提升計算的速度和功耗。他們將這種光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )應用于一套可編程的納米光子處理器中，利用光子芯片的全光矩陣乘法實(shí)現了這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )架構。

  這種設計的芯片用于語(yǔ)音識別，經(jīng)過(guò)深度學(xué)習后，通過(guò)對可編程硅光電子芯片的訓練，實(shí)現了76.7%的語(yǔ)音識別率，實(shí)驗中識別的準確率可以媲美當前在計算機中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法得到的結果，同時(shí)能量消耗和速度性能優(yōu)于當前的微電子系統。

  2019年，英國牛津大學(xué)基于氮化硅微環(huán)結構和相變材料，利用波分復用結構實(shí)現了全光類(lèi)腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，具備監督學(xué)習和無(wú)監督學(xué)習能力。通過(guò)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行訓練，實(shí)現了對15個(gè)像素點(diǎn)圖片的識別。

  5. 其他方面應用

  激光雷達也是硅光有很大發(fā)展的方向，光學(xué)相控陣方案具有慣性(精度高、可控性好)、寬視角掃描、便于小型化等特點(diǎn)。加利福尼亞大學(xué)的Ben Yoo課題組通過(guò) 3D集成方案，將發(fā)射機中的相控陣及電控模塊集成在里一起;MIT的Watts組也報道了基于相干方案的集成相控陣報道;今年，三星電子在CLEO上報道了他們的集成相控陣樣片，其中還將片上放大器也集成了上去，能夠實(shí)現 40m的探測距離。

  光學(xué)相控陣方案的激光雷達當前系統層集成主要集中在相控陣及電控模塊本身，距離實(shí)用還需要在一些關(guān)鍵器件上取得突破。

  除了激光雷達應用，集成光學(xué)陀螺儀也是重要的應用 之一。2018年，caltech就報道了目前世界上尺寸最小的光學(xué)陀螺儀芯片，它的尺寸是傳統MEMS陀螺儀的500分之一，同時(shí)可檢測的薩格納克相移也是原來(lái)的30分之一。

  在光傳感方面，依托成熟的 CMOS工藝，今年許多課題組也報道了許多相關(guān)工作，例如溶液氣體成分的檢測、生物檢測、量子自旋態(tài)檢測等。

  我是在北京大學(xué)電子學(xué)系區域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心，我們團隊大概有30人，主要研究以光子和電子為信息載體的大規模集成芯片和信息系統，實(shí)現在各種尺度上的感知、互連和處理，研究?jì)热莅ǜ咚俟杌馐瞻l(fā)芯片和系統，微波光電子芯片與系統，硅基片上光放大器與激光器，硅基傳感/二維材料/非線(xiàn)性等新型器件。

  我們已經(jīng)掌握了幾十種硅基光電子單元器件/芯片，以及和光子芯片相配套的微電子芯片的設計、流片和測試的經(jīng)驗。

  從最近兩年的OFC和IEDM會(huì )議、以及高影響論文情況來(lái)看， 國際上硅基光電子發(fā)展的趨勢是依托于硅基CMOS平臺， 大規模的集成化。我國最近幾年在微電子和光電子方面加大投入，需要這兩個(gè)領(lǐng)域真正的協(xié)同攻關(guān)。硅光的市場(chǎng)將在未來(lái)幾年迅猛發(fā)展，更高的集成度將成為未來(lái)十年硅光在數據中心的重點(diǎn)，另外新的應用(傳感，量子計算通信，醫療)將不斷涌現，成為新的增長(cháng)點(diǎn)。

  Q&A

  問(wèn)：英特爾是目前最早商用的么?不知能做到的大規模商用最高速率是多少?聽(tīng)說(shuō)良率仍然在一半以下?

  答：一些小公司在Intel之前有一些，但是大規模能夠提供商用產(chǎn)品的還是Intel，速率是100Gb/s，目前相干最高可以做到400Gb/s。良率確實(shí)是個(gè)問(wèn)題，是不是一半以下沒(méi)有準確的數據，這涉及到波長(cháng)對準，不同器件工藝、封裝等問(wèn)題，都會(huì )有影響。

  問(wèn)：王老師，您對海信和光迅做的硅光芯片評價(jià)如何?

  答：做的挺好的，光模塊廠(chǎng)商認為400G是個(gè)拐點(diǎn)，未來(lái)速度越來(lái)越高，硅光的優(yōu)勢才能得以體現，但是也不能說(shuō)硅光可以完全替代三五族材料，現在國內的問(wèn)題是，基本上還是依靠國外工藝平臺，目前國內也有幾個(gè)工藝平臺在建，希望能解決這個(gè)問(wèn)題。