北郵張磊：不同光模塊解決方案需要找到合適應用場景

5月11日消息（艾斯）在今日由CIOE中國光博會與C114通信網(wǎng)聯(lián)合推出的大型研討會系列活動——“2023中國光通信高質量發(fā)展論壇”第四期“光芯片與高端器件技術研討會”上，北京郵電大學研究員張磊就未來光模塊和光芯片的需求和發(fā)展情況進行了詳細介紹與趨勢分析。

他表示，根據(jù)不同的應用場景（溫度范圍、速率、傳輸距離），將需要不同的光模塊解決方案。無論是硅光、鈮酸鋰還是III-V化合物半導體，都需要找到合適的場景。

光模塊是實現(xiàn)5G低成本、廣覆蓋的關鍵要素

根據(jù)工信部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年我國累計建成開通5G基站超過230萬個。而光模塊是5G網(wǎng)絡物理層的基礎構成單元，廣泛應用于無線及傳輸設備，其成本在系統(tǒng)設備中的占比不斷增高，部分設備中甚至超過50-70%，是5G低成本、廣覆蓋的關鍵要素。除了5G對光模塊的需求外，數(shù)據(jù)中心、光接入網(wǎng)對光模塊的需求也非常大。

張磊談到，IMT-2020(5G)推進組在《下一代5G承載光模塊》和《 5G承載與數(shù)據(jù)中心光模塊》等白皮書中提到，要加速高速率芯片和低成本光模塊研發(fā)，并且提升承載設備的差異化方案兼容性。早在2018年的白皮書中，就提出了對5G承載的光模塊對光芯片的需求。

他指出，5G有一個比較特殊的應用場景，那就是在前傳當中，需要把光模塊放在室外，所以對工作溫度要求的范圍比較高，要求達到工業(yè)級（-40~85℃），這對光芯片的設計和長期工作是一個比較大的挑戰(zhàn)。采用“商業(yè)級激光器芯片+制冷封裝”對芯片要求低，但功耗和成本高。“直接采用工業(yè)級激光器芯片”，封裝簡單、功耗和成本低，但25GBaud工業(yè)級激光器芯片供應渠道有限。

上述白皮書在2018年曾呼吁，5G光模塊存在數(shù)千萬量級的巨大需求，而我們國家當時的研發(fā)與國外存在1-2代的差距，所以需要加快對更高速率、更長距離、更寬溫度范圍和更低成本的光模塊研制。

不過，據(jù)張磊介紹，來到2023年之后，我國在25G、50G光模塊的量產(chǎn)方面已經(jīng)達到與國外齊頭并進的水平。在100G單波和400G、800G方面我國也已有研發(fā)力量的投入，與國外差距不大。在核心光電子芯片方面，不管是傳統(tǒng)的化合物半導體還是新型的硅光，我國與國際上都沒有明顯的差別。

三種光芯片實現(xiàn)平臺的技術

張磊介紹說，集成光芯片概念的提出與激光器、光纖是同一個年代，都是在上世紀60年代。與集成電路相比，光子芯片的實現(xiàn)材料平臺相對較多，這些平臺具有不同的特點，有的適合做有源器件，有的適合做無源器件，而這當中有一個比較重要的參數(shù)是“折射率差”，折射率差會非常大地影響芯片設計。

他表示，在硅光（SiP）里面，這個折射率差非常大，所以硅光的器件可以做得很小，彎曲半徑可以做到10微米以下，所以硅光最大的特征就是它的集成度。硅材料的獲得較為容易，其工藝可以繼承微電子的工藝，這些都使得它具有低成本的優(yōu)勢。硅光材料折射率差大，除了可以使集成度更高之外，另一個好處是比較容易控制偏振態(tài)，很容易做到偏振旋轉、偏振復用。

“同時，折射率差大也存在兩個壞處，一是側壁粗糙帶來的損耗大；二是模場直徑小，與光纖耦合困難。另外兩個硅光比較大的限制是材料本身帶來的：間接帶隙難發(fā)光；以及中心反演對稱，難電光調制。”

張磊談到，硅光子芯片工藝與CMOS工藝對比相對簡單得多。目前亞洲與歐洲的硅光MPW工藝普遍為8英寸+180nm/130nm工藝節(jié)點（AMF、IMEC、CompoundTek、IMECAS、CUMEC、上海工研院），硅波導極限尺寸在100nm左右，損耗在1.5至3dB/cm；美國硅光工藝線普遍采用12英寸+90nm或更先進節(jié)點（AIM、GlobalFoundries），且可集成CMOS電路單元。

第二種光子芯片實現(xiàn)技術是近幾年剛出現(xiàn)的一種技術——薄膜鈮酸鋰（LNOI）。張磊稱，鈮酸鋰作為光子晶體有幾十年的歷史，但是薄膜鈮酸鋰這一工藝是在2010年以后由我國山東濟南晶正科技公司研制出來。薄膜鈮酸鋰調制器的優(yōu)勢包括：體積小、穩(wěn)定性好、帶寬大、傳輸速率高、功耗小、CMOS驅動電壓兼容、可實現(xiàn)光集成。根據(jù)相關試驗研究結果，酸鋰調制器與InP調制器的帶寬要遠大于硅光調制器。

第三種光子芯片實現(xiàn)平臺則是目前主流的III-V化合物半導體平臺，也即InP光子集成平臺。它的特點是所有單元都能做，但是由于其折射率差沒有硅大，所以器件比較大，損耗也相對比較大，但功能相對齊全。

國內(nèi)外產(chǎn)品與研發(fā)現(xiàn)狀

在硅光方面，張磊介紹了福建泉州宏芯公司，其樣品涵蓋從100G CWDM4、200G FR4到400G DR4和400G FR4、800G，其中部分產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)。另外是武漢國家信息光電子創(chuàng)新中心，利用NOEIC商用標準硅光工藝平臺，實現(xiàn)包覆式PIN結型的鍺硅電吸收調制器，能同時提高調制效率和帶寬，具有緊湊的尺寸 (1×20μm2)，并且實現(xiàn)了3 dB帶寬大于110 GHz及148 Gbit/s NRZ和280 Gbit/s PAM-4速率光信號產(chǎn)生，這兩項指標均是國際最高水平。此外他還介紹了香港中文大學以及思科（Acacia）與中國移動研究院在硅光方面的最新研究成果。

在鈮酸鋰技術方面則介紹了國內(nèi)的寧波元芯公司，其波導傳輸損耗可以做到0.23dB/cm，其薄膜鈮酸鋰調制器帶寬可以做到67GHz。在化合物半導體平臺方面，張磊重點介紹了infinera推出的1.6Tbps單片集成InP PIC，集成了4個可調激光器，器件封裝后的帶寬可達到50GHz。

他強調，不同的應用場景（溫度范圍、速率、傳輸距離），需要不同的光模塊解決方案。硅光、鈮酸鋰、化合物半導體需要找到合適的場景。“SiP光模塊帶寬與損耗受限，需要更多的電芯片輔助（預加重、預失真、數(shù)字信號處理）。LNOI光模塊有自主可控的基底材料，目前沒有規(guī)模化的代工廠，可靠性與良率待驗證。而III-V方案目前仍然是光模塊主力方案，在800G、Tbps及CPO后，可能需要與SiP配合。”

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