硅光技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术,其原理是利用激光束代替电子信号传输数据。最大的特色是将光学与电子元件组合至一个独立的微芯片中,以提升路由器和交换机线卡之间芯片与芯片之间的连接速度,在光通信、数据中心、超级计算等许多领域扮演极其关键的角色。鉴于此,随着5G时代市场对数据需求量的不断提升,硅光技术正在成为业界追逐的目标。


2025年硅光子芯片规模将达5亿美元,硅光集成方案存在四个方面挑战


中国科学院半导体研究所研究员、博士生导师余金中表示,以光子为信息和能量之载体,集材料、结构、器件、性能、功耗、小型化、可靠性之大成,实现高速率光信息的产生、传输和探测等功能。


据预测,硅光子芯片年增长率将高达40%以上。到2025年,硅光子芯片规模将达5亿美元,硅光收发器约40亿美元。


硅光技术市场前景广阔,近年来逐步成为资本整合的热门对象。据了解,思科先后收购了Lightwire、Luxtera、Acacia等硅光子公司,华为收购Caliopa,Juniper收购Aurrion,英特尔收购Barefoot,诺基亚收购Elenion,亨通则与英国洛克利合资成立新公司,也进军了硅光市场。


显而易见,硅光技术正在得到越来越多光通信厂商的青睐,相信随着硅光技术逐渐成熟,未来将很快进入规模商用阶段。


硅光技术有哪些优势?


运营商的5G网络形成了“端—边—网—云”的端到端协同新架构,其网络质量与光模块息息相关。


中国移动研究院项目经理王瑞雪认为,当前光模块在运营商网络部署中遇到了两大挑战。一是光模块应用领域多应用范围广,一旦出现故障会影响现网业务,且速率越高影响范围越大;二是光模块一般是厂家绑定供货,且运行能耗较高,使得运营商光模块采购、运营成本居高不下。


腾讯光系统架构师胡胜磊则进一步估算,在200GE和400GE硬件中,光模块成本是交换机成本的两倍左右。


在这一背景下,硅光技术进入了光模块领域。


北京大学教授周治平表示,硅光子继承了微电子的尺寸小、耗电少、成本低、集成度高等特点,同时还具备多通道、大带宽、高速率、高密度等优势。


目前100G PSM4光模块和CWDM4光模块已经在数据中心实现规模商用,部分领先的互联网公司已经进入400G时代,400G DR4光模块开始量产。


2025年硅光子芯片规模将达5亿美元,硅光集成方案存在四个方面挑战


腾讯在400G DR4硅光模块的研发上取得了一定的进展。胡胜磊表示,在400G DR4硅光模块中,腾讯开发了两种方案,都已有光模块样品。不过两种方案都有一定的不足,因此出于规模和成本的考虑,腾讯还没有确定采取哪种方案规模商用,并在探索第三种方案,深入研究光芯片领域。


事实上,针对硅光技术,国内外光通信厂商已展开相关研究,取得了一定成绩。据了解,英特尔、Luxtera早在2017年就规模商用了100G PSM4/CWDM4硅光产品,目前已发货约600万只。2019年,英特尔、阿里巴巴、海信多媒体、新易盛、博创、亨通洛克利先后于2019年和2020年推出了400G DR4/DR4+硅光模块样品。


而在不久之前,亨通洛克利面向下一代数据中心网络发布量产版400G DR4硅光模块。据悉,该款光模块采用了业界领先的7nm DSP芯片,产品的功耗低于9瓦。同时,它相较于传统模块有10-30%的成本优势。


随着新产品的不断推出和商用,硅光技术未来的发展前景更加明朗。


还有哪些挑战?


尽管硅光技术越来越成熟,硅光芯片即将进入规模商用阶段,但是仍然存在需要突破的技术瓶颈。


新易盛业务拓展总监张金双认为,硅光集成方案存在四个方面挑战。


第一个挑战是技术路线多样化。目前业界存在不同形式的硅光芯片方案,而且各个厂商光模块设计方案亦有不同。


据了解,硅光集成方案主要有三种。第一种是单片集成方案,该方案的特点是光模块核心器件为全集成的硅光引擎,单颗芯片集成MZM、PD、Driver及TIA功能芯片。第二种是2.5D/3D封装方案,通过2.5D/3D封装技术将硅光芯片、激光器、TIA、Driver等分立的光电芯片集成到PCB板上。第三种是2D封装,光模块由硅光芯片、激光器、TIA、Driver、DSP等器件分立实现,通过Wire-bonding(引线结合法)将光电芯片封装到PCB板上。


第二个挑战是设计工具非标准化。设计与制造分离,缺乏标准的设计与仿真工具,以及设计套件(PDK)。


由于硅光集成仍在发展探索阶段,代工厂拥有各自的PDK,器件参数各不相同。张金双表示,工程师设计原理图的同时,也要考虑底层元器件的性能参数。除了使用代工厂提供的PDK外,客户也根据代工厂的设计文件,进行器件的独立设计。


第三个挑战是硅光耦合工艺要求较高。这是因为硅光本身波导损耗大,需要更低的插入损耗设计。


据介绍,硅波导损耗体现在两个方面,一个是硅波导与光源光斑不匹配容易产生较大的传输损耗;另一个是硅波导与单模光纤尺寸差异导致模场严重失配,耦合损耗非常大。


针对上述挑战,业界准备了两套耦合方案和耦合工艺。两个耦合方案分别是端面耦合和光栅耦合,通过模斑变换器SSC和光栅设计,解决光模场匹配问题。


两套耦合工艺分别是无源耦合和有缘偶像。无源耦合工艺是通过精密结构定位,实现高效耦合。但是该工艺技术壁垒高,设备精密度要求非常高。有源耦合工艺是点亮激光器,通过不断调整位置,使耦合效率最大。该工艺的优点是产品一致性好,但缺点是耦合工艺所占成本较高。


第四个挑战来自晶圆自动测试及切割。硅光芯片为定制化产品,需要厂家具备晶圆测试及自动分割能力。


张金双认为,虽然硅光芯片晶圆自动封测兼容相对廉价的CMOS工艺,但是仍有定制化需求,同时硅光集成还处于探索阶段,需求规模相对较小。


据悉,针对晶圆测试,业界有两种选择,一个选择是,晶圆厂不负责测试,由芯片设计厂商自行开发测试系统;另一个选择是晶圆厂负责测试,但是仍需不断完善其测试系统。显然,无论哪种选择,在产能需求不足的当下,晶圆厂和芯片设计厂商都面临较大成本压力。


未来如何发展?


硅光技术因其诸多特性,已经成为业界追逐的下一个目标,并将在未来超800G系统中具有更大的优势。


胡胜磊表示,在当前400G阶段,VCSEL、EML都是硅光有力竞争者,但是硅光技术发展路线贯穿了短中长线,且从1.6T起成为主导。


根据腾讯的规划,2023年以后将在其数据中心波分、接入交换层逐步引入800G速率的光模块产品。


不过在王瑞雪看来,800G时代数据中心仍将选用可插拔的光模块,彼时硅光模块是否能够实现大规模部署,取决于未来几年硅光产业在光模块功耗、成本以及规模量产方面能否有所突破。


事实上,硅光技术不仅仅应用于可插拔光模块。随着数据中心内电口速率提升到112G,高速信号在PCB传输中的损耗也将随之增加,为了满足信号完整性,PCB设计难度、材料成本和功耗均大幅提升,同时可插拔光模块的运行功耗也会导致单台设备整机的运行功耗成为瓶颈。


为了解决上述功耗问题,业界引入光电共封装技术(CPO),将光引擎和电交换芯片封装成一个芯片,来减少PCB的距离,进而降低成本和功耗。


据了解,业界已有部分厂商推出的CPO样机。今年1月,亨通光电就推出了国内首台基于硅光技术的3.2T CPO样机。英特尔、IBM等国外巨头则在2020年推出了类似的样机方案。


当然,从样机到量产设备的推出,中间还要面临更多挑战。硅光产业链上下也正在通力合作,突破硅光技术发展的瓶颈,完善相关技术、产品和解决方案,进而实现硅光技术的规模商用,满足不断增长的数据需求。


2025年硅光子芯片规模将达5亿美元,硅光集成方案存在四个方面挑战

文章来源: 通信产业网

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