光通信領(lǐng)域的硅光技術(shù)

  ICC訊 硅光技術(shù)近年來(lái)的高速發(fā)展已給諸多行業(yè)帶來(lái)了重大的技術(shù)性革新，尤其是在光通信領(lǐng)域。在數字化時(shí)代匯聚海量數據的今天，硅光技術(shù)所集成光模塊相較于分立式的傳統光模塊更能迎合當下網(wǎng)絡(luò )傳輸高速率、低成本的性能要求。因此本次主要對光通信領(lǐng)域中硅光技術(shù)進(jìn)行介紹，并闡述了該技術(shù)的優(yōu)勢、發(fā)展階段、應用市場(chǎng)以及產(chǎn)業(yè)鏈中主要廠(chǎng)商布局情況。希望閱讀的朋友能通過(guò)本次的分享對光傳輸中前沿的硅光方案擁有初步的認識，也盼望硅光技術(shù)的應用助力網(wǎng)絡(luò )信息傳輸進(jìn)一步提速。

  01 硅光技術(shù)介紹及優(yōu)勢

  眾所周知，為了讓網(wǎng)絡(luò )傳輸更快捷、承載信息量更多，光纖寬帶替代了傳統寬帶，以光脈沖的形式來(lái)傳輸信號極大地提升了傳輸速度。但目前的光網(wǎng)絡(luò )僅實(shí)現了節點(diǎn)間的全光化，在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)處仍采用電器件，因此需要頻繁地進(jìn)行光電轉換，如下圖所示。而光電轉化則少不了光模塊的輔助。

  圖：光電轉化示意圖

  (資料來(lái)源：電子說(shuō))

  光模塊中主要涉及到的芯片為光芯片和電芯片。光芯片是光模塊中主要負責光電信號互相轉換的芯片，又分為探測器芯片和激光器芯片。而電芯片則主要實(shí)現對光芯片工作的配套支撐、電信號的功率調節以及復雜的DSP(數字信號處理)。在速率越高的光模塊中，光芯片的成本相比電芯片占比更高，甚至可達光模塊成本60%-70%?？紤]到除了高速率模塊中光芯片成本越高的問(wèn)題外，原有以三五族半導體激光芯片即磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs)等稀有金屬材質(zhì)制成的光芯片也制約了光通信線(xiàn)路的容量，因此以硅為材料制作器件的硅光技術(shù)應運而生。

  與傳統光模塊相比，硅光技術(shù)是基于硅和硅基底襯材料，將信息吞吐所需的各種光子、電子、光電子器件，包含光源、探測器、光波導、調制器等全部都集成在硅光芯片上，從而滿(mǎn)足光模塊低能耗低成本、高性能小體積的市場(chǎng)需求，其具體優(yōu)勢如下：

  (1)能耗少，成本低。不僅硅作為世界上儲量第二的材料成本相對低廉，同時(shí)具備硅基材料高折射率、高光學(xué)限制能力的天然優(yōu)勢，可將光波導彎曲半徑縮減至5微米以下，即陣列波導光柵(AWG)彎曲半徑在硅光平臺下為二氧化硅平臺下的千分之一，其更高的集成密度帶來(lái)了芯片尺寸的大幅縮減，因此硅光芯片在傳統高速率模塊中電芯片面積已達物理極限下更具有低成本、低功耗、小型化等獨特優(yōu)勢。

  (2)集成強，整合易。硅光技術(shù)利用大規模半導體制造工藝可在極小絕緣體薄膜硅片上實(shí)現光電子技術(shù)和微電子技術(shù)的高效整合，尤其是在數據中心等對尺寸敏感的領(lǐng)域將擁有更為廣闊的應用空間。

  (3)帶寬大，速度快。硅光技術(shù)利用光通路取代芯片間的數據電路，在實(shí)現大容量光互連的同時(shí)也保持著(zhù)低能耗和低散熱，高效地解決網(wǎng)絡(luò )擁堵和延遲等問(wèn)題。同時(shí)用激光束代替電子信號傳輸數據更是實(shí)現了數據高速率的傳輸。

  2015年Intel首次驗證硅光器件性能已超越同類(lèi)傳統光電子器件;到2019年硅光器件較傳統光電子器件每秒峰值速度已提速8倍，能耗及成本方面則分別降低85%及84%;根據Intel的硅光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃，到2022年硅光器件每秒峰值速度或將較傳統光電子器件提速64倍，能耗及成本方面降低98%。

  圖：基于硅光芯片制作的光模塊內部構造

  (資料來(lái)源：硅光子技術(shù)報告)

  02 硅光技術(shù)發(fā)展及瓶頸

  硅光技術(shù)最初在1969年由著(zhù)名的貝爾實(shí)驗室提出。根據相關(guān)器件五十多年發(fā)展，華為將硅光技術(shù)演進(jìn)趨勢分為四個(gè)階段：

  第一階段，分組硅光：硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅做出光通信底層器件實(shí)現工藝標準化;

  第二階段，硅光子集成：集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進(jìn)實(shí)現了部分集成，即通過(guò)不同器件的組合集成不同的芯片;

  第三階段，全光電融合：光電全集成化，實(shí)現合封的復雜功能;

  第四階段，可編程芯片：器件分解為多個(gè)硅單元排列組合，局針化表征類(lèi);該種通過(guò)編程來(lái)改變內部結構的芯片，可自定義全功能。

  雖然硅光技術(shù)被譽(yù)為“突破摩爾定律曙光出現”，但當前世界范圍內硅光技術(shù)在光開(kāi)關(guān)、光波導、硅基探測器(Ge探測器)及光調制器(SiGe調制器)等已實(shí)現了突破情況下，卻仍處于簡(jiǎn)化工藝流程提升效率的第二階段向第三階段的進(jìn)化期。

  圖：硅光技術(shù)工藝可加工的結構

  (資料來(lái)源：深圳光博會(huì )演示材料)

  掣肘硅光技術(shù)應用非常重要原因之一在于硅基材料本身發(fā)光效率很低，不能探測到1310nm和1550nm的光，導致曾經(jīng)光芯片成本中占比最大的光激光器成為了硅光技術(shù)發(fā)展的難題，市面上也僅有硅基量子級鏈激光器、硅納米晶體激光器等初步方案尚未大規模應用。由此，目前的硅光技術(shù)仍主要體現成兩種基本形態(tài)，除采用大規模集成電路技術(shù)(CMOS)工藝集成單片硅光引擎方案外，市面上更常見(jiàn)的方案為混合集成方案，主要是光芯片仍使用傳統的三五族材料，采用分立貼裝或晶圓鍵合等不同方式將三五族的激光器與硅上集成的調制器、耦合光路等加工在一起。

  圖：硅光集成主流方案

  混合集成方案的工藝則主要分為兩種：第一種為內置集成工藝，利用三五族材料與硅光芯片的異質(zhì)集成技術(shù)實(shí)現單片集成的硅光收發(fā)器內置，雖然實(shí)現了一體化后功耗降低、硬件成本下降，但由于激光器在各核心器件中歷來(lái)失效率最高，且在靠近大功耗的交換芯片后工作升溫較快，對激光器的可靠性和失效率更是提出了嚴峻考驗，而一旦失效后維修替換成本也較高，同時(shí)該種“光電合封”模組封裝難、良率低;第二種為外置集成工藝，雖非真正意義上的“硅光”，但激光器光源單獨做成插拔模塊后可靈活分光，不僅在交換機整機布局上設計遠離“熱點(diǎn)”，而且還可在單芯片設計上做出大膽嘗試提高應用效率，例如目前市場(chǎng)上該種400G DR4硅光模塊單芯片帶寬性能可達到同樣封裝密度下800G單模塊輸出。

  03 硅光技術(shù)應用市場(chǎng)

  社會(huì )經(jīng)濟建設的科技需求越來(lái)越離不開(kāi)云計算的支持，而支撐云計算的數據中心在國內外近幾年也保持高速地擴展。同時(shí)隨著(zhù)數據的增長(cháng)，低速率傳輸向高速率傳輸轉化，硅光技術(shù)的應用場(chǎng)景變得也越來(lái)越豐富。100G時(shí)代，硅光技術(shù)可以應用于并行單模4通道(PSM4)和單模粗波分復用4通道(CWDM4)兩種產(chǎn)品形態(tài);400G時(shí)代，可以應用于DR4、FR4/DR4+以及LR4/LR8等更多、更長(cháng)距離的方案;800G時(shí)代，硅光技術(shù)則基本可以應用于全系列光模塊類(lèi)型。因此根據LightCounting及Yole關(guān)于光模塊行業(yè)的預測顯示，硅光市場(chǎng)將從2018-2019年占總體光模塊市場(chǎng)的14%增長(cháng)至2025年的45%，期間每年還將實(shí)現兩位數的增長(cháng)。而2025年擁有39億美元的硅光市場(chǎng)空間中將超90%需求來(lái)自于數據中心。

  當前100G時(shí)代的部分數通硅光模塊已經(jīng)成熟進(jìn)入穩步出貨階段，但在長(cháng)距離(2千米及以上)良率較低的情況下，參考Intel在亞馬遜、Facebook中100G硅光模塊的報價(jià)其成本優(yōu)勢并不明顯，主要是傳統三五族方案100G模塊成本已經(jīng)大幅下降。因此，硅光技術(shù)對100G產(chǎn)品市場(chǎng)沖擊實(shí)則有限。

  400G時(shí)代，由于單通道光芯片速率制約，PAM4電調制方案不可或缺。傳統方案電調制帶來(lái)的大量損耗，以及要求內部器件緊湊性能升級，激光器受環(huán)境損耗的可能性大幅度提升，成為了制約光模塊良率提升的主要因素。而如果采用雙密度四通道小型可插拔封裝(QSFP-DD)方案，通道數的翻倍又致使器件數量增加，多器件工作溫度的提升所帶來(lái)的溫漂也不可忽視。硅光方案則由于可節省部分器件及CMOS工藝帶來(lái)的高集成度較傳統方案存在明顯的優(yōu)勢。目前400G硅光產(chǎn)品長(cháng)距離方案成本優(yōu)勢更加突出，但集成難度較大;而中距離方案已有部分廠(chǎng)家實(shí)現了單片集成且從2020年的小批量進(jìn)入到2021年的大批量生產(chǎn)，所幸400G的商用時(shí)間略有遲滯也為硅光技術(shù)的發(fā)展爭取了有利的時(shí)間?？傮w而言，400G市場(chǎng)還將首先成為硅光技術(shù)的主戰場(chǎng)，目前國外三大巨頭亞馬遜、微軟、谷歌及國內頭條也已率先建設相關(guān)高速率數據中心網(wǎng)絡(luò )。

  800G時(shí)代，硅光模塊能否大規模導入還取決于近幾年硅光產(chǎn)業(yè)在光模塊成本、功耗、封裝良率以及規模量產(chǎn)方面是否有所突破,目前在400G產(chǎn)品還未全面上量的市場(chǎng)中也主要是北美及歐洲業(yè)界對800G產(chǎn)品興趣正在不斷激增。

  不同于非相干領(lǐng)域數據中心的不斷升級發(fā)展多通道技術(shù)，硅光技術(shù)彈性可期。而在相干光應用場(chǎng)景下，硅光技術(shù)其實(shí)已實(shí)現從100G、200G向400G升級的規?；瘧?，這僅得益于產(chǎn)品需要根據客戶(hù)的要求進(jìn)行定制化，其適配性較強但在功耗和性能上整體優(yōu)勢并不明顯，且出貨相干領(lǐng)域的價(jià)格并不低，市場(chǎng)也主要由主設備商如華為、中興等自行瓜分。因此更多廠(chǎng)商還是憑借硅光技術(shù)的降本優(yōu)勢在角逐400G技術(shù)于數據中心互聯(lián)方面的規?；逃?，同時(shí)開(kāi)始進(jìn)入預研800G方案階段。

  04 硅光技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈情況

  當前對應的硅光產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)逐漸成熟，主要包括三大類(lèi)器件產(chǎn)品，分別是硅光器件、硅光芯片和硅光模塊。其中，硅光器件、硅光模塊與傳統光模塊產(chǎn)業(yè)鏈基本無(wú)異。而硅光芯片則是作為高度集成的單芯片而并非傳統的分離多器件組合，因此在芯片產(chǎn)業(yè)鏈上有所差異。

  硅光技術(shù)作為全球光通信近十年變革的源動(dòng)力，傳統通信設備巨擘及各類(lèi)細分行業(yè)有競爭力的企業(yè)紛紛入場(chǎng)布局，國外企業(yè)如Intel、Acacia等均已推出多款基于硅光技術(shù)的器件產(chǎn)品并率先實(shí)現量產(chǎn)，成為業(yè)內領(lǐng)頭羊。國內企業(yè)則普遍較晚進(jìn)入該領(lǐng)域，主要通過(guò)并購或與外企協(xié)作的模式來(lái)切入硅光市場(chǎng)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度及技術(shù)研究方面存在明顯的差距。從整體市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，光通信市場(chǎng)對硅光技術(shù)的收購與整合也從未止步。例如Cisco先后收購了Lightwire、luxtera、Acacia等三家業(yè)內知名硅光公司;華為收購了比利時(shí)硅光廠(chǎng)商Caliopa;諾基亞則收購了Elenion，該三家并購案總價(jià)值已遠超50億美元，可見(jiàn)行業(yè)廠(chǎng)商對硅光技術(shù)發(fā)展的期待。

  由于光通信硅光技術(shù)應用對比100G產(chǎn)品，在400G及更高速率下相較于分立式光模塊具有顯著(zhù)成本優(yōu)勢。目前市場(chǎng)多家公司已陸續發(fā)布高速率硅光解決方案，具體情況如下：

  能夠看到，硅光技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化的道路上將愈來(lái)愈成熟，雖當前硅光方案的模塊尚無(wú)法完全取代傳統方案下的光模塊，但高速率硅光產(chǎn)品的供應份額勢必在近幾年大幅提升，相應市場(chǎng)規模十分可期。而硅光技術(shù)超越傳統光模塊全面商用后最終還將引領(lǐng)光通信網(wǎng)絡(luò )走向真正的全光化。