光子集成（PIC）應用前景廣闊<

        光子集成應用四大驅動(dòng)

 

        當前光子集成應用的主要驅動(dòng)力來(lái)自于以下四個(gè)方面。

       1） 數據中心互聯(lián)需求

        云計算的深入推進(jìn)給數據中心帶來(lái)新機會(huì )的同時(shí)，也給光通信產(chǎn)品提出了新的需求。這種新需求表現為數據中心內互聯(lián)應用對低成本和低功耗的需求。在采取超高速方式互聯(lián)時(shí)，通常距離要求并不高，對于光系統的線(xiàn)路性能要求遠遠弱于干線(xiàn)和城域應用，但是對于光口密度、成本和功耗則比較敏感。

        2）干線(xiàn)超大容量傳輸需求

100G波分系統開(kāi)發(fā)初期，某些廠(chǎng)家提出10X10G的集成方案，沒(méi)有獲得廣泛支持，但是隨著(zhù)400G和1T需求的顯現，對于板卡的小尺寸和高密度也提出了迫切的需求。

        3）運營(yíng)商在城域應用的現實(shí)需求

        某些運營(yíng)商由于歷史原因，在城域范圍以及鄉鎮到縣一級的運營(yíng)部門(mén)缺乏維護力量，同時(shí)也缺乏機房資源，希望能夠將傳統波分的一些光層功能進(jìn)行集成，提高設備集成度，降低占地面積和功耗，便于維護。在這種場(chǎng)景下，傳輸距離要求不高，可以在光的線(xiàn)路系統性能和易用性方面做折衷考慮以滿(mǎn)足現實(shí)需求。

        4）光系統自身發(fā)展的需求

        目前波分系統大量采用的分立器件堆疊方式，不僅板卡體積大，而且板卡之間需要大量的光纖連接，可靠性低。當需要增加波道的時(shí)候，通常需要重新調整多個(gè)光層的模擬參數使得系統達到性能最優(yōu)，對于系統開(kāi)通和運維都比較麻煩。

總的來(lái)說(shuō)，光子集成是由成本驅動(dòng)，為了滿(mǎn)足市場(chǎng)對更低功耗、更高密度和更高數據傳輸的需求而出現的。

 

        光子集成技術(shù)逐步落地

 

        光子集成的分類(lèi)方式有多種。比較常見(jiàn)的方式是根據集成的元器件功能是否相同分為水平集成和垂直集成。水平集成指的是將多個(gè)同樣功能的光元器件集成在一個(gè)襯底上，從而縮小體積。垂直集成是將不同的光元器件集成在一起，從而實(shí)現多個(gè)功能的集成。從材料選擇上講，水平集成更容易實(shí)現。隨著(zhù)光元器件功能和元素的增多，對材料的限制也越多，不同的元器件越多，對于單一材料的限制就越嚴重，實(shí)現的難度也越大。

        按照實(shí)現集成的技術(shù)方式分類(lèi)，可以分為單片集成（Monolithic Integration）和混合集成（Hybrid Integration）。其中單片集成指的是在單一襯底上實(shí)現預期的各種功能?；旌霞芍覆捎貌煌牟牧蠈?shí)現，而后將這些不同的功能部件固定在一個(gè)統一的基片上。一般來(lái)講，水平集成比較適合采用單片集成方式，垂直集成比較適合采用混合集成方式。但是業(yè)界的長(cháng)期目標還是單片集成。

        目前在光子集成領(lǐng)域，各種技術(shù)和實(shí)現方式的爭論已經(jīng)過(guò)去，從事光子集成的廠(chǎng)家都開(kāi)始采用越來(lái)越務(wù)實(shí)的做法來(lái)集成產(chǎn)品，比如在InP上應用激光器集成比較好，考慮以盡可能高的密度來(lái)減少這種昂貴材料的成本。而調制器在GaA材料上或者LiNbO3鈮酸鋰上效果很好。又比如無(wú)源波導的復雜路由，直接耦合到光纖，在硅波導上做比較容易。但是高密度要求不同的材料，例如SiN和半導體材料，而這些材料容易導致高損耗和串擾。XFP適合單片集成，激光器、波長(cháng)可調、半導體放大器、功率監視、調制等功能需要不同的材料合成到InP材料上。但是最終實(shí)現的方式還是取決于廠(chǎng)家的能力和應用考慮。例如JDSU和Santur都是采用單片和混合集成方式。SEI、JDSU和Oclaro都是采用XFP作為單片集成產(chǎn)品。而Neophotonics、NTT和U2T用混合集成來(lái)做相干接收。Infinera則是采用基于InP材料的集成。

 

        光子集成的潛在應用領(lǐng)域

 

        由于光子集成的功能多，密度高，產(chǎn)品一致性要求非常高，特別是采用單片集成方式時(shí)要求更為苛刻，導致光子集成產(chǎn)品的成品率低，成本居高不下，限制了大規模應用。

        從市場(chǎng)應用看，城域和長(cháng)途傳送設備市場(chǎng)在向光子集成的方向發(fā)展,XFP、40G和100G的OTU以及ROADM，包括MUX和DEMUX會(huì )成為應用的主要領(lǐng)域。在波分設備接口上，除了Infinera以外均沒(méi)有采用集成方式的。直到40G和100G的復雜調制格式的出現，伴隨著(zhù)可調XFP的10G模塊的出現才開(kāi)始在波分接口上出現集成技術(shù)的應用。目前的客戶(hù)側光模塊大部分沒(méi)有采用集成技術(shù)。但是對于40G和100G特別是后續的400G/1T的收發(fā)模塊正在采用集成技術(shù)以達到理想的端口密度要求。對于波分系統線(xiàn)路部分的EDFA和色散補償等器件，還沒(méi)有集成的需求，都是采用多信道并行的方式。從網(wǎng)絡(luò )的應用范圍看，城域的應用會(huì )先于干線(xiàn)和長(cháng)途系統。

        從客戶(hù)的角度看，確實(shí)光子集成可以帶來(lái)很多好處。但是總體看來(lái)，在100G領(lǐng)域，采用光子集成的發(fā)展勢頭并不明顯，系統設備制造商會(huì )等到400G或者1T時(shí)才會(huì )考慮大量采用光子集成技術(shù)。

        實(shí)際上光子集成是個(gè)比較寬泛的詞，處于產(chǎn)業(yè)鏈上的公司都有各自的理解和實(shí)現方式，但是因為帶寬增長(cháng)和數據中心以及運營(yíng)商對于高密度、低功耗和體積的驅動(dòng)下，大家達成一致的是需要采用多種光子集成的方法以滿(mǎn)足不同的應用需求。烽火通信一直對PIC技術(shù)進(jìn)行跟蹤和研究，也已經(jīng)應用PIC技術(shù)到光網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品中，以降低功耗，降低運維成本，提高系統可靠性，提升端口密度。但從目前的研究分析看，光子集成技術(shù)成品率低，價(jià)格昂貴，產(chǎn)業(yè)鏈微弱和單一的現狀并沒(méi)有根本改變，規模商用仍有待時(shí)日。

 

        作者：曹玲   來(lái)源：通信世界周刊