訊石直播|SiFotonics于讓塵博士: 硅光在5G及數據中心應用前景

  ICC訊(編輯：Jane)3月5日，訊石首次線(xiàn)上直播活動(dòng)—“5G浪潮下的硅光技術(shù)”成功舉辦?；顒?dòng)榮幸邀請到了國際領(lǐng)先硅光企業(yè)SiFotonics Technologies首席運營(yíng)官于讓塵(Ryan Yu)博士介紹了硅光在5G及數據中心應用前景。本次直播首秀受到了行業(yè)廣泛關(guān)注，當日直播觀(guān)看次數超過(guò)4500人次，觀(guān)看人數超過(guò)2000人。于博士在直播中向觀(guān)眾呈現了十分精彩的演講。

  諾基亞于2月19日宣布收購了硅光子技術(shù)公司Elenion，硅光技術(shù)再一次得到了設備商的青睞。近年來(lái)，關(guān)于設備商對硅光技術(shù)的收購與整合的從未停歇。網(wǎng)絡(luò )設備巨擎思科先后收購了硅光公司Lightwire、luxtera、Acacia;華為收購了比利時(shí)硅光子公司Caliopa;Ciena收購TeraXion磷化銦和硅光子資產(chǎn)，Juniper收購了Aurrion。 加上最近諾基亞收購了Elenio，這些并購案總價(jià)值達40億美金。一方面顯示硅光技術(shù)在光通信領(lǐng)域占據的地位越來(lái)越重要，另一方面也說(shuō)明硅光技術(shù)越來(lái)越成熟，開(kāi)始大規模進(jìn)入市場(chǎng)。

  據行業(yè)預測，至2024年，光模塊的市場(chǎng)總額達到160億美元，其中數據通信光模塊的營(yíng)收將達到120億美元，5G無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品市場(chǎng)大約是13億美元，DWDM的市場(chǎng)約在18億美元。業(yè)界之所以對硅光倍加關(guān)注，是對硅光在未來(lái)幾年發(fā)展有很大的期許。

  根據行業(yè)調查機構Yole的預測，2020年，基于硅光技術(shù)的光模塊市場(chǎng)達到7.4億美元，至2024年硅光模塊市場(chǎng)容量將達到40億美元，年復合增長(cháng)率44%， 在整個(gè)光通訊模塊市場(chǎng)占比達到1/4 以上，特別是在高速成長(cháng)的大數據中心光網(wǎng)絡(luò )占比更高。

  從技術(shù)來(lái)說(shuō)，在不同速率和距離的與傳輸距離下，硅光技術(shù)相比III-V器件競爭優(yōu)勢有演進(jìn)的過(guò)程。在單通道波特率低于25G，短距離傳輸(<10km)，III-V DML(直調激光器)的性?xún)r(jià)比較優(yōu);隨著(zhù)傳輸速率及距離增加，激光集成電吸收調制器芯片(EML)因其優(yōu)異高速調制頻響，低驅動(dòng)電壓，低啁啾，成為主要光電器件，特別是單通道速率到50G波特率以上。隨著(zhù)大數據中心對聯(lián)結帶寬的不斷升級，多通道技術(shù)成為必須，高集成高速硅光芯片成為性?xún)r(jià)比更優(yōu)越的選項。從用4x25G 為代表100Gbps大數據中心光互聯(lián)時(shí)代開(kāi)始，以Intel、 Luxtera的硅光產(chǎn)品開(kāi)始嶄露頭角，開(kāi)始規?；M(jìn)入市場(chǎng)。當前，100G已進(jìn)入成熟應用，400G (4x100G)正在進(jìn)入規模商用，同時(shí)800G(8x100G) 也已開(kāi)始在大規模人工智能及高密度交換機互聯(lián)開(kāi)始試商用。硅光解決方案因其高集成度、低功耗、小型封裝，大規?？缮a(chǎn)性的強勁競爭優(yōu)勢，承載著(zhù)業(yè)界的期望。在高速(100Gbps)長(cháng)距(>80km) 傳輸應用方面，相干檢測因其不可替代的抗色散特性成為主流技術(shù)解決方案。相干檢測需要更復雜的多通道調制解調平衡探測組合，硅光集成技術(shù)成為相干檢測大規模商用的重要技術(shù)基礎。目前，100G相干硅光方案已經(jīng)規模商用多年，多廠(chǎng)家正在角逐400G ZR 相干技術(shù)在數據中心互聯(lián)(DCI)規模商用。同時(shí)，800G 相干方案也已開(kāi)始進(jìn)入預研階段。

  掌握鍺硅工藝制程對企業(yè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。業(yè)內知名的硅光公司中，Intel是垂直整合徹底，100%擁有自己的制程工藝晶圓產(chǎn)線(xiàn)，其他幾家硅光公司都是代工模式，不掌控外延生長(cháng)及工藝配方。SiFotonics擁有鍺硅外延生長(cháng)設備及工藝配方，在晶圓代工廠(chǎng)生產(chǎn)。這個(gè)優(yōu)勢使SiFotonics 芯片研發(fā)可以低成本，更快速迭代，將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)，給客戶(hù)更優(yōu)質(zhì)的支持。SiFotonics擁有成熟的鍺硅雪崩二極管( APD)器件設計工藝，是所有硅光公司中最獨特的技術(shù)能力， 同時(shí)也是硅光芯片產(chǎn)品線(xiàn)覆蓋面最廣的廠(chǎng)家。SiFotonics芯片設計研發(fā)在北京，晶圓生產(chǎn)在臺灣，在日益復雜的全球供應鏈格局之下有獨特的貢獻。

  SiFotonics 于2007年成立，成立之前，創(chuàng )始人潘棟博士從MIT做硅光的前沿研究。2007年北京研發(fā)中心啟動(dòng)，走在業(yè)內硅光產(chǎn)品研發(fā)設計商業(yè)化的前沿。公司擁有重要的鍺硅器件芯片技術(shù)知識產(chǎn)權與專(zhuān)利，包括關(guān)鍵的芯片及器件：鍺硅探測器及雪崩二極管，高速MZ 調制器，相干探測集成芯片等等。公司早期就與CMOS代工廠(chǎng)建立策略聯(lián)盟投資關(guān)系，開(kāi)發(fā)獨有的器件工藝。目前，SiFotonics是業(yè)內鍺硅探測器及雪崩二極管的市場(chǎng)領(lǐng)導者，最近公司宣布在2019年全年出貨量超五百萬(wàn)只。新產(chǎn)品導入包括400G DR4 硅光芯片及相干收發(fā)集成芯片。2019年是SiFotonics高速成長(cháng)的一年，公司的營(yíng)收增速為400%，成功融資三千萬(wàn)美金，并成為全球唯一一家獨立的，大批量出貨，且盈利的硅光公司。

  目前，SiFotonics鍺硅探測器及雪崩二極管器件在5G移動(dòng)光網(wǎng)絡(luò )中大規模應用。在前傳應用中，25G鍺硅探測器大量用于25G LR (<=10公里)，25G雪崩二極管用于更長(cháng)距>10公里，及對鏈路預算要求更高的波分應用，如中移動(dòng)提出的MWDM. 另一個(gè)例子是南韓5G前傳布局需要25G超10公里粗波分，APD探測器成為主流應用。50G PAM4鍺硅探測器用于中傳50G LR (<=10公里), 50G雪崩二極管用于50G ER (40公里). 在5G回傳匯聚網(wǎng)中，4x25G雪崩二極管被用于100G 40公里，及200G 40公里傳輸。最近，SiFotonics聯(lián)合業(yè)內產(chǎn)業(yè)鏈上下游在100G Lambda MSA 多源協(xié)議中推動(dòng)100G ER1，用高速APD賦能單波100G傳輸40公里，將成為100G技術(shù)解決方案演進(jìn)要一環(huán)。

  鍺硅雪崩二極管探測器是硅光技術(shù)規模商用的里程碑之一。與III-V族材料相比，硅作為雪崩放大有天然優(yōu)勢。但硅材料本身作為光探測器局限于波長(cháng)<950nm。SiFotonics創(chuàng )新在于把寬光譜吸收的鍺與雪崩放大的硅結合，使高速雪崩二極管探測器性能比III-V族器件更優(yōu)越。同時(shí)，與CMOS制程的兼容，起步于8英寸晶圓，使單位器件產(chǎn)出成本極具競爭力。另外一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢是鍺硅雪崩二極管探測器與其它硅光器件結合，可大規模集成，提高整體硅光集成芯片功能與性能。

  光通訊行業(yè)的發(fā)展一直伴隨傳輸速率的跳躍。從10G、25G、50G PAM4，100G PAM4，每一步的演進(jìn)，常規PIN探測器的靈敏度隨帶寬增加不斷降低。APD雪崩效應，信號增益放大，高效解決靈敏度降低的痛點(diǎn)。比如當前熱門(mén)的5G前傳25G，傳輸超過(guò)20公里，就要用APD 來(lái)提供足夠的鏈路預算。中移動(dòng)提出的25G MWDM要用到12波，在最長(cháng)的4波色散代價(jià)高，也要用到APD。在回傳匯聚應用，現在市面上用的100G40公里主流方案是100G 4WDM-40 或ER4-lite，接收解決方案也用的是4個(gè)APD探測器。從近期技術(shù)演進(jìn)的方向來(lái)看，調制從NRZ 演進(jìn)到4電平(PAM4)成為主流。PAM4 對信噪比要求提高，APD 在50G 40公里、200G 40公里(4x50G PAM4)也成為必選。隨著(zhù)單通道100G PAM4 成為新構建單元，100G 單通道40km對APD也提出了新要求。同時(shí)400G的4通道方案傳輸10km以上也需使用APD。

  最近SiFotonics正聯(lián)合業(yè)內產(chǎn)業(yè)上下游在100G Lambda MSA 多元協(xié)議組織推動(dòng)單波100G傳輸40公里的100G ER1 成為行業(yè)新標準，且得到眾多同行的支持。這項新標準將過(guò)去4x25G通道組合傳輸距離30-40km 的方案推進(jìn)到用單通道100G。單通道100G具有低成本，小功耗，小尺寸等優(yōu)勢，為業(yè)內100G光收發(fā)模塊從QSFP28向SFP56-DD，甚至SFP112演進(jìn)打下基礎。SiFotonics 最近開(kāi)發(fā)出的100G 鍺硅APD結果為這項新標準提供了堅實(shí)技術(shù)可行性，并在最近2020 OFC做出技術(shù)報告展示結果。 在最近的100G Lambda MSA成員會(huì )議上，SiFotonics與Cisco，Source Photonics 聯(lián)合提案已被接受立項，而且確定了指標基線(xiàn)。

  在長(cháng)距核心城域，高速相干檢測波分技術(shù)已成為主流。100G/200G相干技術(shù)已經(jīng)成熟并大規模商用。400G 相干技術(shù)業(yè)已接近商用，預計2021年會(huì )開(kāi)始上量。由領(lǐng)先互聯(lián)網(wǎng)公司推動(dòng)的OIF 400G ZR數據中心互聯(lián)標準光模塊也成為400G相干技術(shù)商用的重要推手。據產(chǎn)業(yè)預測，2020年相干收發(fā)模塊產(chǎn)值有8億美金(不包括系統產(chǎn)商自研自產(chǎn)部分)，在2024年會(huì )達到15億美金，大部分成長(cháng)會(huì )來(lái)自400G相干產(chǎn)品在數據中心互聯(lián)應用。5G移動(dòng)光網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)，回傳匯聚需求升級也會(huì )推動(dòng)低成本低功耗小尺寸100G 相干解決方案。在IEEE標準組織已有一個(gè)802.3ct正在推動(dòng)100G ZR標準化。隨著(zhù)相干技術(shù)的普及發(fā)展, 硅光集成芯片技術(shù)也開(kāi)始占據越來(lái)越大的份額。產(chǎn)品型態(tài)上，也主要分為兩種：集成相干接收器，與集成相干收發(fā)器。前者用于與III-V發(fā)射器配套，后者則承擔相干調制接收完整功能。

  以SiFotonics的集成相干收發(fā)器硅光芯片為例，它可以在一個(gè)幾毫米見(jiàn)方的小尺寸單芯片上集成耦光器，波導，MZ調制器陣列，偏振光旋轉器，分光器，合光器，90度混合器，可調衰減器，平衡探測器陣列，等上百個(gè)分立器件，大幅減小尺寸，降低成本，極大增強可生產(chǎn)性，為相干技術(shù)規?；瘧玫於▓詫?shí)的基礎。另外，硅光集成芯片也有良好的平臺特性，做一些細微調整，就可涵蓋100G QPSK，200G 16QAM，與400G 16QAM 的應用。

  上圖展示相干光芯片在相干模塊中的應用：最核心的就是“集成相干發(fā)射接收組件” (ICTROSA，包括了相干芯片，及配套的驅動(dòng)器，跨阻放大器電芯片)。其他重要器件包括窄線(xiàn)寬可調激光器光源，數字信號處理器。

  當前的幾乎所有的互聯(lián)網(wǎng)應用都是由遍布全球的大數據中心支持的，而數據中心中海量的服務(wù)器是由大帶寬交換機通過(guò)光纖互聯(lián)。實(shí)際上近年來(lái)數據中心大帶寬光互聯(lián)已成為光通訊產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的主要驅動(dòng)力，在光通訊產(chǎn)業(yè)營(yíng)收中占據越來(lái)越大的比重，超越電信應用。在高速光通領(lǐng)域，數據中心引領(lǐng)100G光收發(fā)模塊大規模應用，100G PSM4 與CWDM4等已經(jīng)進(jìn)入成熟期。從2020年開(kāi)始，領(lǐng)先互聯(lián)網(wǎng)公司已開(kāi)始切換到400G，其中一個(gè)最重要的產(chǎn)品是400G DR4: 通過(guò)4通道并行單波100G 四電平調制(PAM4)達到成本最優(yōu)400G光互聯(lián)解決方案。

  SiFotonics在100G 時(shí)代，已經(jīng)把4x25G的鍺硅PD陣列用在100G PSM4和CWDM4數據中心規模商用。在400G時(shí)代，SiFotonics一方面可以提供4X100G鍺硅PD陣列給用III-VI EML做發(fā)射器的模塊產(chǎn)家，另一方面， 我們推出了單片集成收發(fā)400G DR4 硅光芯片解決方案，用到了硅光芯片集成度高，性能好，與高速電芯片配合度高，可大批量生產(chǎn)等多個(gè)優(yōu)勢。

  SiFotonics的400G DR4硅光芯片集成了4x100G MZM調制器陣列，光功率監測，4x100G 鍺硅探測器陣列，分光器，光斑尺寸轉換器，等等。這款硅光芯片與分立EML相比，有更優(yōu)越的封裝成品效率成本，混合集成TIA\DRIVER電芯片獲得更優(yōu)越的性能，減少激光器數量，不需制冷，更低成本，也更低功耗。

  以400G DR4 QSFP-DD 模塊應用為例，硅光芯片集成度高，可以將激光光源數量降低到一只或兩只支持4通道調制，光源耦合可以通過(guò)帶尾纖光源，或直接透鏡耦合。前者的優(yōu)點(diǎn)是激光器可以單獨低成本氣密封裝，光耦合簡(jiǎn)單。電口與TIA、Driver IC 合封可以用打線(xiàn)或倒扣鍵合?？梢钥吹?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">硅光芯片方案使整個(gè)收發(fā)模塊集成非常簡(jiǎn)潔，有助于規?；a(chǎn)，優(yōu)勢明顯。早期的400G DR4解決方案多用分立EML，近期硅光芯片已開(kāi)始成熟發(fā)力，越來(lái)越成為大物聯(lián)網(wǎng)公司青睞的解決方案。

  隨著(zhù)云計算的大規模普及，特別是人工智能 (AI)的發(fā)展，大數據中心互聯(lián)帶寬升級增速。2020年是400G 開(kāi)始規模商用元年，同時(shí)大互聯(lián)網(wǎng)公司已開(kāi)始800G布局，排上應用日程，領(lǐng)先的將于2021年開(kāi)始部署。大規模800G商用有賴(lài)于單位比特率成本的降低，硅光因其集成優(yōu)勢助推800G 早日切入。業(yè)內預計2 x 400G 會(huì )是第一步，以此實(shí)現800G速率。

  對于800G的長(cháng)遠方案，業(yè)內已開(kāi)始討論預研4X200G的方案，波特率可能要增長(cháng)到106 GBaud。 在這個(gè)高波特率加倍之下，對探測器要求也更高，簡(jiǎn)單的PIN探測器能覆蓋的距離更短。很有可能2公里以上的應用場(chǎng)景就要求用靈敏度更高的波導型APD。另外，業(yè)內也在討論隨著(zhù)速率繼續倍增，相干技術(shù)近一步成熟，是否會(huì )在1.6T 世代開(kāi)始用于短距數據中心內部互聯(lián)。另外，最近一個(gè)熱門(mén)課題是“合封光電” (Co-packaged Optics， ”CPO“)。這項新技術(shù)的部署可能需要3-5年時(shí)間，主要目的是通過(guò)光電收發(fā)組件與交換機芯片直接封裝整合，消除傳統電路板走線(xiàn)高速電損耗，達到交換機整機功耗大幅降低。

  業(yè)內對“合封光電”解決方案個(gè)有千秋，最大的兩大陣營(yíng)是激光器內置，還是外置。內置的優(yōu)勢是自成一體。劣勢是可靠性隱患。激光器在核心器件中歷來(lái)是失效率最高的，而且“合封光電”模組靠近大功耗的交換芯片，工作溫度高，對激光器效率，可靠性和失效率都是嚴峻考驗。而且失效后維修替換幾不可能。外置激光器有諸多優(yōu)勢：激光器光源可以單獨做可插拔模塊，便于維修替換，可以靈活分光提高應用效率。在交換機整機布局上可以更靈活設計，遠離“熱點(diǎn)”，提高效率，可靠性，降低失效率。上圖的例子是一個(gè)51.2 Tbps交換機，配置16個(gè)3.2Tbps的“合封光電”模塊, 與交換芯片之間用XSR接口來(lái)降低整體功耗，預估30-40%節省。這個(gè)3.2Tbps的“合封光電”模塊需要集成32個(gè)100G通道。這種高集成度需求之下，硅光基本是唯一的選擇。領(lǐng)先互聯(lián)網(wǎng)公司數據中心客戶(hù)對硅光集成充滿(mǎn)期待。臉書(shū)與微軟聯(lián)合推出“合封光電合作” 項目(http://www.copackagedoptics.com)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。近期思科大手筆收購Luxtera、Acacia也可以視為作為頭部龍頭企業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰略未雨綢繆，提前布局。

  硅光技術(shù)除了在光通訊領(lǐng)域的應用之外，還有很多其他應用。比如近期熱門(mén)的激光雷達(Lidar)。激光雷達在自動(dòng)駕駛，機器人等新興產(chǎn)業(yè)有廣闊的應用前景?，F有的方案大多是分立器件的排列組合，尺寸大，可靠性低，成本高。激光雷達本質(zhì)是光電發(fā)收結合系統，與通訊用器件系統有諸多相通之處。工業(yè)界和學(xué)術(shù)界已在討論如何用硅光集成技術(shù)助力激光雷達縮小尺寸，提高性能，降低成本。舉個(gè)例子，激光雷達要得到對視景的高清三維點(diǎn)陣需要，需要對視景用激光束掃描?，F有的方案多用機械裝置，具大尺寸，低可靠性， 高成本弱點(diǎn)。這里舉例一項UBSB Codren 與Bowers 教授小組的研究結果：他們用硅光芯片與III-V 材料混合集成， 實(shí)現了全固體光束掃描。這還只是諸多例子的一個(gè)。這些早期研究并不一定都能規模商用，但卻是硅光技術(shù)在激光雷達應用的有益創(chuàng )新和嘗試。

  另外一個(gè)激動(dòng)人心的應用是人工智能(AI)計算。人工智能計算需要快速，大規模矩陣運算。傳統數字電子計算機需要龐大的運算資源，特別耗電。麻省理工最近運用大陣列MZ相位調制,位移器硅光芯片作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )運算單元來(lái)實(shí)現深度學(xué)習運算。這項研究顯示光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )比傳統電子計算機有兩個(gè)數量級速度提升，且功耗降低達三個(gè)數量級。

  總結一下，鍺硅探測器已在5G和數據中心有多方面規模商用，特別是雪崩二級管探測器為25G、50G、100G、200G、 400G都提供了增長(cháng)傳輸距離的核心功能。 硅光集成芯片也已為數據中心/城域光通訊提供100G/400G直接檢測及相干檢測解決方案。下一代光通信路標已延伸到800G，及3.2Tbps “合封光電”中，而硅光芯片將成為主角。硅光芯片集成技術(shù)并具有廣闊的應用前景，包括激光雷達、人工智能計算等諸多領(lǐng)域。

  講師簡(jiǎn)介：于讓塵博士現任SiFotonics 首席運營(yíng)官。在加入SiFotonics之前十年，于博士任 NASDAQ上市公司Oplink (被Molex 并購) 業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁兼光電解決方案事業(yè)部總經(jīng)理，領(lǐng)導推動(dòng)內部硅光集成芯片研發(fā)及對Elenion的戰略投資。他是推動(dòng)100G PAM4技術(shù)被廣泛采用的領(lǐng)導者之一，也是100G Lambda MSA的市場(chǎng)推廣聯(lián)席主席，后者已在加速成為100G及400G+光網(wǎng)絡(luò )新一代行業(yè)標準。加入Oplink之前，于博士曾任索爾思光電 (Source Photonics) 全球副總裁，及飛博創(chuàng )(索爾思光電前身)副總裁。他還在復合半導體光電芯片先驅公司Agility Communications及SDL (都被JDSU并購)任高級管理職位。于博士擁有賓西法尼亞大學(xué)固體物理學(xué)博士，和北京大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。

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