SiFotonics先進(jìn)硅光集成芯片技術(shù)在5G和DC中的應(yīng)用前景

ICCSZ訊 3月22日，在成都市雙流5G產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟大會暨5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇上，作為國際硅光子器件與集成芯片開創(chuàng)者與領(lǐng)導(dǎo)者之一的SiFotonics Technologies首席運(yùn)營官于讓塵(Ryan Yu)博士介紹了國際硅光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并分享SiFotonics在硅光器件和集成技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新，以及先進(jìn)檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的硅光集成芯片在5G無線傳輸及大型數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用前景。

在三月舉行的光通訊業(yè)年度盛會OFC2019, “硅光子”再次成為熱門詞匯，并引領(lǐng)其它業(yè)內(nèi)熱門話題，如”5G””數(shù)據(jù)中心””400G”, “PAM”,”QAM” “相干”等等。

通過過去十多年的努力，硅光集成技術(shù)規(guī)模商用已開始開花結(jié)果。例如半導(dǎo)體業(yè)龍頭Intel推出的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用100G CWDM4，將混合激光器(LD)集成在硅平臺上，產(chǎn)品已經(jīng)規(guī)模部署，在過去12個(gè)月中實(shí)現(xiàn)出貨100萬只。相干硅光技術(shù)代表Acacia將相干技術(shù)和硅光技術(shù)有效結(jié)合，其100G相干產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)布。另一家硅光公司Luxtera被思科收購，他們硅光產(chǎn)品以數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的100G PSM4收發(fā)器最為知名，該產(chǎn)品將一個(gè)激光器用四種方式連至四個(gè)調(diào)制器，并混合集成了LDD/TIA/CDR IC，該產(chǎn)品出貨也已經(jīng)到百萬級別。

SiFotonics 公司成立于2007年，其創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)由MIT硅光研究機(jī)構(gòu)成員組成，經(jīng)過有十幾年的耕耘積累了豐富的知識產(chǎn)權(quán)，SiFotonics擁有多項(xiàng)鍺硅器件及集成芯片專利。在硅光芯片技術(shù)成為熱門的今天，擁有豐富的知識產(chǎn)權(quán)將成為核心競爭力。公司從創(chuàng)辦開始，就確定與頭部硅半導(dǎo)體代工廠建立結(jié)盟投資關(guān)系，這對公司開發(fā)專有的鍺硅光集成制程奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

SiFotonics經(jīng)過多年努力，已經(jīng)開發(fā)出業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的硅光集成基礎(chǔ)原件”圖書館”，包括低損波導(dǎo)，光耦合器，偏振旋轉(zhuǎn)、分離器等被動(dòng)組件，先進(jìn)的光探測雪崩二極管，高速調(diào)制器，及可調(diào)衰減器等主動(dòng)組件。這些組件可以根據(jù)應(yīng)用需求排列組合成特定的”光電專有芯片”。

舉例說明，SiFotonics開發(fā)的32/64GBaud相干收發(fā)一體單芯片整合集成了多于一百個(gè)分立器件，成為100G 到400G相干收發(fā)的核心引擎，這種高集成度是三五族望塵莫及的。

在可見的未來，5G網(wǎng)絡(luò)的布建涵蓋從前傳、中傳、后傳、城域及數(shù)據(jù)中心等端到端的整體建設(shè)，面臨挑戰(zhàn)。傳輸速率的大幅提升包括5G前傳從10G提升到25G，甚至100G；數(shù)據(jù)中心從100G升級到400G. 伴隨傳輸速率提升帶來的傳輸距離的挑戰(zhàn)，也面臨成本和功耗的壓力。運(yùn)營商面臨流量大增但每用戶營收增長緩慢的矛盾，特別是中國所提倡的提速降費(fèi)對運(yùn)營商而言是一件非常有挑戰(zhàn)的政策，如何降低$/Gbit是運(yùn)營商的重要考慮因素。 功耗是運(yùn)營成本的重要因素，數(shù)據(jù)中心更是功耗龍頭。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球數(shù)據(jù)中心已占世界總功耗的3-4%，加上超大型數(shù)據(jù)中心數(shù)量不斷增加，功耗已超400TW。

隨著光網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)傳輸速率大幅提升，光纖損耗鏈路預(yù)算面臨物理限制。傳統(tǒng)的光探測二極管技術(shù)已捉襟見肘，更先進(jìn)的探測技術(shù)如雪崩二極管及相干探測成為必須。

SiFotonics”十年磨一劍”開發(fā)出的鍺硅雪崩二極管具有優(yōu)異的性能。這種”自帶放大功能”的先進(jìn)光探測器有寬闊的適用光譜，涵蓋850nm, 1310nm 及1550nm波段；其增益頻寬積性能已超越三五族材料；器件已在8寸硅量產(chǎn)線運(yùn)行生產(chǎn)，成本也更具競爭力。與三五族相比，鍺硅雪崩二極管做硅光芯片集成也俱先天的優(yōu)勢。

先進(jìn)的雪崩二極管有諸多應(yīng)用。首先可以在高速率下提升傳輸距離。比如25G前傳可以增加到廿公里以上。這項(xiàng)應(yīng)用已在韓國5G前傳率先規(guī)模商用。中傳的50G可增加傳輸?shù)?0公里。4x25G的100G ER Lite 可傳30km以上。最新應(yīng)用在400G LR4多源協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)將傳輸距離從2公里提升到10公里。另外一個(gè)應(yīng)用是用探測端多余的鏈路預(yù)算來減少發(fā)射端功率：每3dB可減半發(fā)射激光功率。這個(gè)好處可延伸到用接收增益來減少需要的激光器數(shù)量，特別是多通道應(yīng)用，如400G DR4。

針對功耗節(jié)省，SiFotonics做了一個(gè)粗略估算。全球光網(wǎng)應(yīng)有十億只光收發(fā)模塊。每只激光器按平均半瓦計(jì)，若轉(zhuǎn)移3dB光功到接收端，節(jié)省一半的激光器功耗，全球可節(jié)省250MW, 按每度電10美分，每年可節(jié)省2億美金！未來400G以上光模塊功耗更大，達(dá)10瓦，總功耗及電費(fèi)的節(jié)省更為可觀。

”三流公司做產(chǎn)品，二流公司做市場，一流公司做標(biāo)準(zhǔn)”。SiFotonics 積極參與業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的標(biāo)準(zhǔn)化工作，比如100G Lambda MSA 正在熱烈討論的沿用4x100G支持400G 10公里應(yīng)用。諸多提議中有分別建議增加發(fā)射功率，或分一半一半分別增加發(fā)射功率及接收靈敏度以解決鏈路預(yù)算，最后以維持發(fā)射功率，增加接收靈敏度方案勝出做為指標(biāo)書基線下一步討論定案，并準(zhǔn)備向IEEE標(biāo)準(zhǔn)提案定標(biāo)。這項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)為先進(jìn)雪崩二極管開辟了新用途。“

最近SiFotonics已推出業(yè)內(nèi)領(lǐng)跑的單波100G雪崩二極管接收器。經(jīng)測試，在標(biāo)準(zhǔn)糾錯(cuò)誤碼線上可以達(dá)到額外的3dB的増益。這項(xiàng)結(jié)果給單波100G增遠(yuǎn)應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，可以擴(kuò)展到400G 10km, 甚至未來800G的應(yīng)用。

現(xiàn)代大型數(shù)據(jù)中心由數(shù)萬到數(shù)十萬臺服務(wù)器通過多層高速交換機(jī)聯(lián)網(wǎng)。從端口速率而言，業(yè)內(nèi)云計(jì)算大客戶如亞馬遜已經(jīng)開始從100G向400G 切換。2019年是400G ”元年”。SiFotonics 已推出4x100G 收發(fā)一體單芯片，可用于400G DR4, FR4. 加上最新的單波100G 雪崩二極管陣列，可以支持400G LR4 10km 應(yīng)用。至此，SiFotonics 全系列硅光芯片可以支持400G 從500米到10Km的全系列應(yīng)用，為400G大規(guī)模商用做好準(zhǔn)備。

大型數(shù)據(jù)中心互聯(lián)也正在經(jīng)歷從100G到400G切換。因?yàn)榇髱掗L距離需求（多以4T 起跳）， 密波分相干檢測成為主流技術(shù)選項(xiàng)。

SiFotonics 開發(fā)的硅光芯片集成了所有相干收發(fā)光電功能，可以支持32GBaud 與64GBaud及QPSK與16QAM調(diào)制，涵蓋100G, 200G 與400G 相干傳輸應(yīng)用，通過與新一代7nm CMOS DSP組合，可以為大型數(shù)據(jù)中心互聯(lián)及5G城域應(yīng)用提供”引擎”芯片。

傳統(tǒng)相干技術(shù)因其復(fù)雜調(diào)制及高成本三五族器件而局限于長途干線傳輸應(yīng)用。硅光集成芯片規(guī)模商用有望突破傳統(tǒng)瓶頸，使大批量廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心互聯(lián)及5G回傳匯聚城域光網(wǎng)絡(luò)成為可能。

小結(jié)一下：SiFotonics開發(fā)的鍺硅光芯片已開始在端到端的5G光網(wǎng)絡(luò)得到應(yīng)用，可覆蓋從5G前傳25G，中傳50G，回傳100G/200G中用到的雪崩二極管芯片，城域數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的100G-400G相干芯片，及大數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)的400G硅光芯片。

隨著大型互聯(lián)網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心的高速發(fā)展，己經(jīng)成為超高速光通訊業(yè)的主要驅(qū)動(dòng)力。2018年數(shù)據(jù)中心用100G光收發(fā)模塊已超一千萬，Arista預(yù)測400G光模塊將在2022年超上一千萬只，這種每三年就完成新一代速率切換已成”新常態(tài)”。有個(gè)別大型數(shù)據(jù)中心甚至已開始醞釀800G前期產(chǎn)品預(yù)研，有可能在2020-2021投入商用。這種高頻速率切換主要是由高集成度帶來的單位比特成本降低。硅光集成芯片及先進(jìn)探測將是降低成本，功耗的主要推手。

隨著端口速率逼超800G, 進(jìn)一步消減功耗成本有可能要打破可插拔模塊的傳統(tǒng)定式。業(yè)內(nèi)已開始探討交換路由芯片直接與端口光電收發(fā)芯片混合集成的可能性與前景。到1.6T世代，面板可插拔模塊可能消失，代之以硅光收發(fā)集成芯片，及可靈活放置的激光光源陣列。先進(jìn)探測器如雪崩二極管也會更加有用：可以用3dB的接收增益來減少一半的激光數(shù)量，同時(shí)降低成本功耗。

總結(jié)：硅光集成芯片在5G及數(shù)據(jù)中心大有用武之地，并在1.6T世代可能成為”必需品”。先進(jìn)檢測技術(shù)如雪崩二極管和相干技術(shù)助力傳輸更遠(yuǎn)，功耗更低，單位比特成本更低。這些先進(jìn)技術(shù)硅光集成將成為業(yè)內(nèi)主流。傳統(tǒng)倚重發(fā)射技術(shù)而輕檢測的定式將被打破，進(jìn)而取得收發(fā)并舉的平衡。

講師簡介

于讓塵博士現(xiàn)任SiFotonics 首席運(yùn)營官。在加入SiFotonics之前十年，于博士任 Oplink (被Molex 并購) 業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁兼光電解決方案事業(yè)部總經(jīng)理，他是推動(dòng)100G PAM4技術(shù)被廣泛采用的領(lǐng)導(dǎo)者之一，也是100G Lambda MSA的市場推廣聯(lián)席主席，后者已在加速成為100G及400G+光網(wǎng)絡(luò)新一代行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。加入Oplink之前，于博士曾任索爾思光電 (Source Photonics) 全球副總裁，及飛博創(chuàng)(其被MRV并購后改名為索爾思光電)副總裁。他還在Agility Communications及SDL (都被JDSU并購)任高級管理職位。于博士擁有賓西法尼亞大學(xué)固體物理學(xué)博士，和北京大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。