新易盛張金雙：硅光集成在光模塊解決方案中的機遇與挑戰(zhàn)

4月9日消息（林想）數(shù)據(jù)中心作為未來網(wǎng)絡(luò)的控制節(jié)點和內(nèi)容載體，正在經(jīng)歷著云化以及ICT融合帶來的巨大變革。而隨著數(shù)據(jù)中心的規(guī)?；l(fā)展，云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲的持續(xù)升級演進，對數(shù)據(jù)中心光互連技術(shù)提出了更高的要求。

硅光技術(shù)以其材料特性以及CMOS工藝的先天優(yōu)勢，能夠很好的滿足數(shù)據(jù)中心對更低成本、更高集成、更低功耗、更高互聯(lián)密度等要求，有望在數(shù)據(jù)中心互連市場大顯身手。

在日前舉行的“硅光集成與數(shù)據(jù)中心應(yīng)用線上研討會”上，成都新易盛通信技術(shù)股份有限公司業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)張金雙表示，數(shù)據(jù)中心光模塊發(fā)展呈現(xiàn)高速率、高密度、低成本和低功耗“四大”關(guān)鍵訴求。為了滿足這些訴求，硅光集成是一種解決方案。在他看來，硅光集成在數(shù)據(jù)中心光模塊發(fā)展中還存在四大難點與挑戰(zhàn)。

光模塊發(fā)展呈現(xiàn)“四大”關(guān)鍵訴求

新冠疫情大流行，迫使人們更大范圍采用視頻會議、遠程協(xié)作和遠程教育等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，要求數(shù)據(jù)中心提供更強勁支持，推動全球數(shù)據(jù)中心投資持續(xù)增長。

根據(jù)Omdia預(yù)測，從2020年到2024年，云和托管服務(wù)提供商數(shù)據(jù)中心資本開支將到達15.7%年復(fù)合增長率（CAGR），并將在預(yù)測期末達到1800億美元。

根據(jù)谷歌數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，2010-2020年數(shù)據(jù)中心流量持續(xù)快速增長。張金雙相信未來隨著AI、機器識別類應(yīng)用的不斷增加，數(shù)據(jù)中心流量還將持續(xù)增長。

“數(shù)據(jù)中心流量的增長也要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)交換能力的不斷提升。”張金雙以交換機芯片為例，2015年博通推出的交換機芯片能力為3.2T，2016年為6.4T，2018年12.8T，2020年25.6T，2023年的目標將達到51.2T，交換吞吐能力再不斷提升。與此同時，交換機內(nèi)部采用的光模塊隨著交換能力的提升，速率也在逐步提高，從2015年的100G到2020年的200G/400G，以及目前正在研究的800G/1.6T，以及未來新的CPO形式，光模塊的技術(shù)也在不斷革新。

光模塊隨著數(shù)據(jù)中心流量的增長，數(shù)據(jù)交換機交換吞吐能力的提高，對數(shù)據(jù)中心光模塊的關(guān)鍵訴求體現(xiàn)在四個方面：

一是高速率，單端口速率不斷提高，100G ->200G->400G->800G/1.6T；二是高密度，固定交換面板吞吐量增大，3.2T->6.4T ->12.8T->51.2T；三是低成本，隨著交換機容量不斷增大，高速光器件所占成本逐步提升；四是低功耗，預(yù)計2030年，數(shù)據(jù)中心電能消耗將占全球總用電量的3%~13%。

為了應(yīng)對以上訴求，業(yè)界也在不斷研究，硅光集成可能是一種解決方案。張金雙表示，“硅光集成技術(shù)帶來的解決方案恰恰可以借助大規(guī)模集成電路的規(guī)模優(yōu)勢，在集成度方面，硅光引擎可集成TX和RX，尺寸優(yōu)勢更利于未來CPO；在產(chǎn)能方面，該技術(shù)基于CMOS工藝，擴產(chǎn)3~5個月；在成本方面，1/2x高功率激光器+硅光調(diào)制芯片，高度集成了調(diào)制器和無源光路，具有成本優(yōu)勢；在良率方面，硅光集成技術(shù)的綜合良率可達90%以上。”

硅光集成在光模塊發(fā)展仍存四大挑戰(zhàn)與難點

談到硅光集成在數(shù)據(jù)中心光模塊市場的機遇時，張金雙指出，硅光集成技術(shù)在光模塊100G產(chǎn)品中引入，在第一代4x25G產(chǎn)品中，主要應(yīng)用在PSM4和CWDM4，500m-2km的場景中；在第二代1X100G產(chǎn)品中，主要應(yīng)用在DR1/FR1和LR1，500m-10Km的場景中；200G產(chǎn)品中，硅光集成的優(yōu)勢不太明顯；在400G產(chǎn)品中，硅光集成主要應(yīng)用在500m-2km場景中；未來800G/1.6T甚至CPO形式中，硅光集成技術(shù)都是可以選擇的方案，主要聚焦在2km以內(nèi)的中短距離傳輸應(yīng)用場景中。

作為可選擇的方案之一，硅光集成也經(jīng)歷了較長時間的發(fā)展，但仍面臨著不少挑戰(zhàn)。

“不發(fā)光，硅能隙問題，依賴III-V族光源；耦合難，硅波導(dǎo)與激光器/光纖的光耦合效率問題；規(guī)模小，目前硅光集成技術(shù)還處于探索發(fā)展階段，需求規(guī)模相對較??；新工藝，硅光集成技術(shù)要想兼容CMOS工藝，仍需工藝流程創(chuàng)新。”

張金雙總結(jié)發(fā)現(xiàn)，硅光集成技術(shù)的難點主要也存在四方面：技術(shù)路線多樣，硅光芯片方案不同，各廠家模塊設(shè)計方案不同；設(shè)計套件非標化，設(shè)計與Fab分離，缺乏標準的設(shè)計與仿真工具，以及PDK套件；晶圓自動測試及切割，定制化硅光芯片，需要廠家具備晶圓測試及自動分割的能力。

硅光集成技術(shù)發(fā)展路線多樣化，主要分為單片集成、2.5D/3D封裝和2D封裝。“單片集成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。2.5D/3D封裝通過2.5D或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。2D封裝通過光模塊由硅光芯片、激光器、TIA、Driver、DSP等器件分立實現(xiàn)，通過Wire-bonding將光電芯片封裝到PCB板。”

由于硅光集成仍在發(fā)展探索階段，F(xiàn)oundry擁有各自的設(shè)計套件(PDK)，器件參數(shù)各不相同；工程師設(shè)計原理圖的同時，也要考慮底層元器件的性能參數(shù)；除了使用foundry提供的PDK外，用戶也可根據(jù)foundry的技術(shù)文件，進行器件的獨立設(shè)計。

張金雙指出，除了繼續(xù)解決硅光集成技術(shù)的設(shè)計工具的非標準化問題外，硅波導(dǎo)與單模光纖尺寸差異，導(dǎo)致模場嚴重失配，耦合損耗非常大，硅波導(dǎo)與光源光斑不匹配，傳輸損耗大也給硅光耦合帶來很大挑戰(zhàn)。

張金雙表示，目前的耦合方案主要有端面耦合和光柵耦合兩種方案，通過模斑變換器SSC和光柵設(shè)計，解決光模場匹配問題。耦合工藝也分為無源和有源兩種方式。其中無源耦合，通過精密結(jié)構(gòu)定位，實現(xiàn)高效耦合。技術(shù)壁壘高，設(shè)備精密度要求非常高（<1um）。有源耦合，點亮激光器，通過不斷調(diào)整位置，使耦合效率最大。產(chǎn)品一致性比較好，但耦合工藝所占成本較高。

此外，硅光芯片雖然兼容CMOS工藝，也不能拿來直接用，仍有定制化需求。在其中的晶圓測試和切割篩選層面，目前硅光集成的產(chǎn)能需求不足，參與到其中的晶圓廠不測試，由芯片設(shè)計廠商自己開發(fā)測試系統(tǒng)，另外一部分晶圓廠測試，但仍需不斷完善其測試系統(tǒng)。

在談到硅光集成在光模塊產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀時，張金雙表示，該技術(shù)在100G PSM4/CWDM4產(chǎn)品已經(jīng)規(guī)模商用，發(fā)貨量約600萬只，主要的玩家有英特爾、Luxtera；400G DR4/DR4+產(chǎn)品處于樣品/商用階段。

做為業(yè)界領(lǐng)先的光模塊解決方案與服務(wù)提供商，新易盛在2020年底推出了400G硅光模塊，在性能、成本和供應(yīng)方面都具有一定的優(yōu)勢。值得一提的是，新易盛在高效率封裝耦合方面優(yōu)勢更為突出。

“我們的400G硅光模塊在優(yōu)化設(shè)計和工藝以及提升效率方面做了不斷創(chuàng)新。”張金雙指出，優(yōu)化設(shè)計，通過對硅光芯片優(yōu)化設(shè)計，提升其與激光器模斑的匹配度；優(yōu)化工藝，搭建全自動高精度的耦合系統(tǒng)，提升耦合效率；降低激光器/光纖與硅光芯片間的耦合損耗。”

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