華拓光通信呂文博：硅光集成光模塊迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇

4月12日消息（顏翊）近年來(lái)，隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，對(duì)光纖系統(tǒng)的容量和帶寬要求逐步提升。越來(lái)越大的數(shù)據(jù)流量不僅對(duì)特定應(yīng)用中的傳輸帶寬有著越來(lái)越高的要求，也同時(shí)在催動(dòng)著數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革。

今日，CIOE中國(guó)光博會(huì)聯(lián)合C114通信網(wǎng)推出大型策劃會(huì)展活動(dòng)——“2022中國(guó)光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇 - 400G技術(shù)專場(chǎng)”。本次論壇上，四川華拓光通信股份有限公司華拓研發(fā)經(jīng)理呂文博分享了題為《數(shù)據(jù)中心硅光集成光模塊的變革與機(jī)會(huì)》的探討。

呂文博認(rèn)為，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的升級(jí)意味著對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的要求更加復(fù)雜。尤其在這個(gè)兼容并包，大小數(shù)據(jù)中心國(guó)內(nèi)外齊頭并進(jìn)的局面下。作為模塊廠商需要考慮更多更復(fù)雜的問(wèn)題。

一方面，已經(jīng)布設(shè)的數(shù)據(jù)中心面臨兼容原有系統(tǒng)進(jìn)行帶寬升級(jí)的壓力。另一方面，頭部數(shù)據(jù)中心和中小型數(shù)據(jù)中心之間在同一時(shí)間存在一定需求差距。在保證技術(shù)系統(tǒng)兼容性的前提下，為所有客戶帶來(lái)一致的技術(shù)棧，平滑的應(yīng)用升級(jí)方案成為光模塊廠商面臨的新挑戰(zhàn)。

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，硅光與硅光共封（CPO）迎來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。

硅光共封將與模塊長(zhǎng)期共存

硅光共封（CPO）將光組件和交換機(jī)芯片封裝到同一封裝乃至同一硅片中。硅光共封從交換芯片直接扇出光纖，避免板級(jí)的電信號(hào)損耗。從而節(jié)約了用于均衡加重等信號(hào)處理的DSP，在整體成本整機(jī)功耗上比傳統(tǒng)方案節(jié)約30%左右。

但硅光集成的劣勢(shì)在于集成光源困難，集成度高，配置靈活性相對(duì)較差，封裝難度高，對(duì)想要升級(jí)微光系統(tǒng)的企業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)不小的難題。

對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)中心來(lái)而言，硅光系統(tǒng)的低能耗，高密度，以及在各個(gè)方面帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)，無(wú)疑是下一代技術(shù)的首選。而對(duì)中小型或已經(jīng)布設(shè)的數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，更多的是需要一個(gè)從現(xiàn)有系統(tǒng)過(guò)渡到硅光系統(tǒng)的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)硅光模塊的應(yīng)用，以及在何時(shí)，何種狀態(tài)下，在哪一層級(jí)布設(shè)共封交換機(jī)，以及如何與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行兼容，都是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者需要考慮的問(wèn)題。

呂文博指出，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，硅光會(huì)成為光系統(tǒng)主流，但CPO將會(huì)長(zhǎng)期與模塊共存。

光電直接集成在業(yè)界已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)多次嘗試，但因?yàn)榉N種原因，這些方案都沒(méi)有推起足夠的波瀾。這是由于當(dāng)時(shí)帶寬需求還不夠迫切，封裝良率、集成工藝難度在當(dāng)時(shí)還不成熟。

當(dāng)前工藝難度的問(wèn)題正在逐漸被解決，并且有更多更先進(jìn)的工藝被提出和落地。但光學(xué)共封相比傳統(tǒng)模塊也存在一些問(wèn)題。相對(duì)于可插拔模塊，硅光系統(tǒng)一旦成型，就再也無(wú)法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行諸如WDM，Gearbox等方式進(jìn)行帶寬的擴(kuò)展。可插拔帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)在于靈活的搭配帶來(lái)的靈活的整體成本。

在當(dāng)前這個(gè)過(guò)渡時(shí)間段，硅光集成的總體成本還沒(méi)有前進(jìn)到低于傳統(tǒng)模塊的程度，而傳統(tǒng)模塊價(jià)格進(jìn)一步下探。對(duì)于新數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，更多的考慮來(lái)自于于傳統(tǒng)方案的過(guò)渡，逐步兼容發(fā)展。

硅光集成路線

呂文博表示，下一世代是封裝的世代，不只是光通信，我們可以在越來(lái)越多的場(chǎng)合看到封裝正在替代晶圓延續(xù)摩爾定律。首當(dāng)其沖的是基板集成，這一代技術(shù)已經(jīng)基本可以滿足當(dāng)前芯片外設(shè)互聯(lián)的帶寬要求。當(dāng)前眾多的集成方案也停留在基板集成。

回過(guò)頭來(lái)看硅光集成，硅光共封本質(zhì)上也屬于下一代封裝技術(shù)。只是將電到電變化成電到調(diào)制chip。在許多已經(jīng)進(jìn)行試水甚至初步部署的硅光交換系統(tǒng)中。廣泛使用的還是基板共封。同時(shí)，更深層次的基板層面的工藝或晶圓級(jí)別的硅光異質(zhì)集成也正逐步走向成熟。在后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，模塊是必須的，模塊廠商需要考慮在傳統(tǒng)模塊形式的系統(tǒng)中，如何進(jìn)行硅光集成。

硅光集成按照集成方式分為基板集成和單片集成，在模塊寸土寸金的空間中，外置光源或基板集成都難以實(shí)現(xiàn)。而在單片集成方案中，不同fab提出了各自不同的集成路線。

目前主流的硅基異質(zhì)集成都基于SOI晶圓第一代的III-V組合。硅基異質(zhì)集成采用先在SOI晶圓上加工好所需的硅光器件，同時(shí)在外延生長(zhǎng)好III-V材料外延片，再將未加工微結(jié)構(gòu)的III-V外延片鍵合到硅光芯片上。去除III-V材料襯底，并刻蝕出所需的激光器結(jié)構(gòu)以及其他有源器件，最終形成III-V與硅異質(zhì)集成晶圓，再做切片，拋光，鍍膜等處理。但這種硅基異質(zhì)集成的方式工藝復(fù)雜且良率較低，在氣密性和散熱性方面都不是很理想。

在華拓光通信研發(fā)進(jìn)程中，注意到一種直接異質(zhì)集成工藝。這種集成方式是先在SOI晶圓上“挖”坑，將III-V族材料和Si襯底通過(guò)金屬鍵合在一起；然后去掉III-V外延片襯底，通過(guò)生長(zhǎng)SiO2和a-Si（非晶硅）將兩種材料重新連接起來(lái)；最后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CMOS方式制作III-V波導(dǎo)和Si波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)兩種波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)。

這種集成方式的優(yōu)點(diǎn)在于III-V材料和硅材料的波導(dǎo)天然對(duì)準(zhǔn)，不存在由于波導(dǎo)耦合帶來(lái)的發(fā)光效率損耗和良率損失，并且III-V材料緊貼在散熱良好的硅基襯底上，其在發(fā)光效率、熱設(shè)計(jì)方面相對(duì)于傳統(tǒng)模塊都有一定的優(yōu)勢(shì)。從技術(shù)上通用性來(lái)說(shuō)，這種硅光PIC能夠適應(yīng)從100G，400G、800G直到3.2G的硅光共同交換芯片。

隨著技術(shù)的發(fā)展，光通信廠商不但可以以模塊的形式提供基于硅光技術(shù)的產(chǎn)品，其同樣的產(chǎn)品形式也可以平滑應(yīng)用到下一代芯片中，并通過(guò)模塊廠商提供引擎及相關(guān)技術(shù)棧，為終端客戶實(shí)現(xiàn)靈活的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐。

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