硅光技術(shù)有哪些優(yōu)勢(shì)？
硅光技術(shù)未來(lái)很快進(jìn)入規(guī)模商用，目前產(chǎn)業(yè)鏈情況如何？還有哪些挑戰(zhàn)？
鑒于此，隨著5G時(shí)代市場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)需求量的不斷提升，硅光技術(shù)正在成為業(yè)界追逐的目標(biāo)。
中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、博士生導(dǎo)師余金中表示，以光子為信息和能量之載體，集材料、結(jié)構(gòu)、器件、性能、功耗、小型化、可靠性之大成，實(shí)現(xiàn)高速率光信息的產(chǎn)生、傳輸和探測(cè)等功能。
據(jù)預(yù)測(cè)，硅光子芯片年增長(zhǎng)率將高達(dá)40%以上。到2025年，硅光子芯片規(guī)模將達(dá)5億美元，硅光收發(fā)器約40億美元。
硅光技術(shù)市場(chǎng)前景廣闊，近年來(lái)逐步成為資本整合的熱門對(duì)象。據(jù)了解，思科先后收購(gòu)了Lightwire、Luxtera、Acacia等硅光子公司，華為收購(gòu)Caliopa，Juniper收購(gòu)Aurrion，英特爾收購(gòu)Barefoot，諾基亞收購(gòu)Elenion，亨通則與英國(guó)洛克利合資成立新公司，也進(jìn)軍了硅光市場(chǎng)。
顯而易見，硅光技術(shù)正在得到越來(lái)越多光通信廠商的青睞，相信隨著硅光技術(shù)逐漸成熟，未來(lái)將很快進(jìn)入規(guī)模商用階段。
硅光技術(shù)有哪些優(yōu)勢(shì)？
運(yùn)營(yíng)商的5G網(wǎng)絡(luò)形成了“端—邊—網(wǎng)—云”的端到端協(xié)同新架構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與光模塊息息相關(guān)。
中國(guó)移動(dòng)研究院項(xiàng)目經(jīng)理王瑞雪認(rèn)為，當(dāng)前光模塊在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)部署中遇到了兩大挑戰(zhàn)。一是光模塊應(yīng)用領(lǐng)域多應(yīng)用范圍廣，一旦出現(xiàn)故障會(huì)影響現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)，且速率越高影響范圍越大；二是光模塊一般是廠家綁定供貨，且運(yùn)行能耗較高，使得運(yùn)營(yíng)商光模塊采購(gòu)、運(yùn)營(yíng)成本居高不下。
騰訊光系統(tǒng)架構(gòu)師胡勝磊則進(jìn)一步估算，在200GE和400GE硬件中，光模塊成本是交換機(jī)成本的兩倍左右。
在這一背景下，硅光技術(shù)進(jìn)入了光模塊領(lǐng)域。
北京大學(xué)教授周治平表示，硅光子繼承了微電子的尺寸小、耗電少、成本低、集成度高等特點(diǎn)，同時(shí)還具備多通道、大帶寬、高速率、高密度等優(yōu)勢(shì)。
目前100G PSM4光模塊和CWDM4光模塊已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用，部分領(lǐng)先的互聯(lián)網(wǎng)公司已經(jīng)進(jìn)入400G時(shí)代，400G DR4光模塊開始量產(chǎn)。
騰訊在400G DR4硅光模塊的研發(fā)上取得了一定的進(jìn)展。胡勝磊表示，在400G DR4硅光模塊中，騰訊開發(fā)了兩種方案，都已有光模塊樣品。不過(guò)兩種方案都有一定的不足，因此出于規(guī)模和成本的考慮，騰訊還沒有確定采取哪種方案規(guī)模商用，并在探索第三種方案，深入研究光芯片領(lǐng)域。
事實(shí)上，針對(duì)硅光技術(shù)，國(guó)內(nèi)外光通信廠商已展開相關(guān)研究，取得了一定成績(jī)。據(jù)了解，英特爾、Luxtera早在2017年就規(guī)模商用了100G PSM4/CWDM4硅光產(chǎn)品，目前已發(fā)貨約600萬(wàn)只。2019年，英特爾、阿里巴巴、海信多媒體、新易盛、博創(chuàng)、亨通洛克利先后于2019年和2020年推出了400G DR4/DR4+硅光模塊樣品。
而在不久之前，亨通洛克利面向下一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)布量產(chǎn)版400G DR4硅光模塊。據(jù)悉，該款光模塊采用了業(yè)界領(lǐng)先的7nm DSP芯片，產(chǎn)品的功耗低于9瓦。同時(shí)，它相較于傳統(tǒng)模塊有10-30%的成本優(yōu)勢(shì)。
隨著新產(chǎn)品的不斷推出和商用，硅光技術(shù)未來(lái)的發(fā)展前景更加明朗。
還有哪些挑戰(zhàn)？
盡管硅光技術(shù)越來(lái)越成熟，硅光芯片即將進(jìn)入規(guī)模商用階段，但是仍然存在需要突破的技術(shù)瓶頸。
新易盛業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)張金雙認(rèn)為，硅光集成方案存在四個(gè)方面挑戰(zhàn)。
第一個(gè)挑戰(zhàn)是技術(shù)路線多樣化。目前業(yè)界存在不同形式的硅光芯片方案，而且各個(gè)廠商光模塊設(shè)計(jì)方案亦有不同。
據(jù)了解，硅光集成方案主要有三種。第一種是單片集成方案，該方案的特點(diǎn)是光模塊核心器件為全集成的硅光引擎，單顆芯片集成MZM、PD、Driver及TIA功能芯片。第二種是2.5D/3D封裝方案，通過(guò)2.5D/3D封裝技術(shù)將硅光芯片、激光器、TIA、Driver等分立的光電芯片集成到PCB板上。第三種是2D封裝，光模塊由硅光芯片、激光器、TIA、Driver、DSP等器件分立實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Wire-bonding（引線結(jié)合法）將光電芯片封裝到PCB板上。
第二個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)工具非標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計(jì)與制造分離，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)與仿真工具，以及設(shè)計(jì)套件（PDK）。
由于硅光集成仍在發(fā)展探索階段，代工廠擁有各自的PDK，器件參數(shù)各不相同。張金雙表示，工程師設(shè)計(jì)原理圖的同時(shí)，也要考慮底層元器件的性能參數(shù)。除了使用代工廠提供的PDK外，客戶也根據(jù)代工廠的設(shè)計(jì)文件，進(jìn)行器件的獨(dú)立設(shè)計(jì)。
第三個(gè)挑戰(zhàn)是硅光耦合工藝要求較高。這是因?yàn)楣韫獗旧聿▽?dǎo)損耗大，需要更低的插入損耗設(shè)計(jì)。
據(jù)介紹，硅波導(dǎo)損耗體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是硅波導(dǎo)與光源光斑不匹配容易產(chǎn)生較大的傳輸損耗；另一個(gè)是硅波導(dǎo)與單模光纖尺寸差異導(dǎo)致模場(chǎng)嚴(yán)重失配，耦合損耗非常大。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，業(yè)界準(zhǔn)備了兩套耦合方案和耦合工藝。兩個(gè)耦合方案分別是端面耦合和光柵耦合，通過(guò)模斑變換器SSC和光柵設(shè)計(jì)，解決光模場(chǎng)匹配問(wèn)題。
兩套耦合工藝分別是無(wú)源耦合和有緣偶像。無(wú)源耦合工藝是通過(guò)精密結(jié)構(gòu)定位，實(shí)現(xiàn)高效耦合。但是該工藝技術(shù)壁壘高，設(shè)備精密度要求非常高。有源耦合工藝是點(diǎn)亮激光器，通過(guò)不斷調(diào)整位置，使耦合效率最大。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品一致性好，但缺點(diǎn)是耦合工藝所占成本較高。
第四個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自晶圓自動(dòng)測(cè)試及切割。硅光芯片為定制化產(chǎn)品，需要廠家具備晶圓測(cè)試及自動(dòng)分割能力。
張金雙認(rèn)為，雖然硅光芯片晶圓自動(dòng)封測(cè)兼容相對(duì)廉價(jià)的CMOS工藝，但是仍有定制化需求，同時(shí)硅光集成還處于探索階段，需求規(guī)模相對(duì)較小。
據(jù)悉，針對(duì)晶圓測(cè)試，業(yè)界有兩種選擇，一個(gè)選擇是，晶圓廠不負(fù)責(zé)測(cè)試，由芯片設(shè)計(jì)廠商自行開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)；另一個(gè)選擇是晶圓廠負(fù)責(zé)測(cè)試，但是仍需不斷完善其測(cè)試系統(tǒng)。顯然，無(wú)論哪種選擇，在產(chǎn)能需求不足的當(dāng)下，晶圓廠和芯片設(shè)計(jì)廠商都面臨較大成本壓力。
未來(lái)如何發(fā)展？
硅光技術(shù)因其諸多特性，已經(jīng)成為業(yè)界追逐的下一個(gè)目標(biāo)，并將在未來(lái)超800G系統(tǒng)中具有更大的優(yōu)勢(shì)。
胡勝磊表示，在當(dāng)前400G階段，VCSEL、EML都是硅光有力競(jìng)爭(zhēng)者，但是硅光技術(shù)發(fā)展路線貫穿了短中長(zhǎng)線，且從1.6T起成為主導(dǎo)。
根據(jù)騰訊的規(guī)劃，2023年以后將在其數(shù)據(jù)中心波分、接入交換層逐步引入800G速率的光模塊產(chǎn)品。
不過(guò)在王瑞雪看來(lái)，800G時(shí)代數(shù)據(jù)中心仍將選用可插拔的光模塊，彼時(shí)硅光模塊是否能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模部署，取決于未來(lái)幾年硅光產(chǎn)業(yè)在光模塊功耗、成本以及規(guī)模量產(chǎn)方面能否有所突破。
事實(shí)上，硅光技術(shù)不僅僅應(yīng)用于可插拔光模塊。隨著數(shù)據(jù)中心內(nèi)電口速率提升到112G，高速信號(hào)在PCB傳輸中的損耗也將隨之增加，為了滿足信號(hào)完整性，PCB設(shè)計(jì)難度、材料成本和功耗均大幅提升，同時(shí)可插拔光模塊的運(yùn)行功耗也會(huì)導(dǎo)致單臺(tái)設(shè)備整機(jī)的運(yùn)行功耗成為瓶頸。
為了解決上述功耗問(wèn)題，業(yè)界引入光電共封裝技術(shù)（CPO），將光引擎和電交換芯片封裝成一個(gè)芯片，來(lái)減少PCB的距離，進(jìn)而降低成本和功耗。
據(jù)了解，業(yè)界已有部分廠商推出的CPO樣機(jī)。今年1月，亨通光電就推出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于硅光技術(shù)的3.2T CPO樣機(jī)。英特爾、IBM等國(guó)外巨頭則在2020年推出了類似的樣機(jī)方案。
當(dāng)然，從樣機(jī)到量產(chǎn)設(shè)備的推出，中間還要面臨更多挑戰(zhàn)。硅光產(chǎn)業(yè)鏈上下也正在通力合作，突破硅光技術(shù)發(fā)展的瓶頸，完善相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品和解決方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)硅光技術(shù)的規(guī)模商用，滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求。
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