光集成是高速光通信器件發(fā)展的必由之路

　　1 前言

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)快速發(fā)展，各種新業(yè)務(wù)層出不窮，特別是IPTV、無線視頻等業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容量迅速增長。NEC預(yù)計到2015年，每個家庭用戶的需求將超過200Mb/s。為了應(yīng)對流量爆炸式增長帶來的巨大壓力，光纖接入由于高的傳輸速率已逐漸成為寬帶接入網(wǎng)市場的主流技術(shù)和發(fā)展趨勢。但在寬帶光纖接入方面，我們國家的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)水平、寬帶網(wǎng)絡(luò)普及率與發(fā)達國家相比存在較大差距。日本2010年光纖到戶數(shù)已達到2000萬，普及率約30%，韓國光纖接入的普及率為近60%，而我國同期的數(shù)據(jù)不到5%。這將嚴重影響我國“寬帶中國”戰(zhàn)略的有效實施。人們對更高速光網(wǎng)絡(luò)的渴望，推動著整個光通信行業(yè)的蓬勃發(fā)展，也強有力的推動著包括光電器件技術(shù)在內(nèi)的諸多核心技術(shù)的自主研發(fā)和創(chuàng)新突破。

　　與此同時，光通信市場競爭越來越激烈，在國內(nèi)外先進設(shè)備制造商的競爭中，通信設(shè)備要求的體積越來越小，接口板包含的接口密度越來越高。傳統(tǒng)的激光器和探測器分離的光模塊，已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代通信設(shè)備的要求。為了適應(yīng)通信設(shè)備對光器件的要求，40Gb/s、100 Gb/s光模塊正向高度集成的小封裝發(fā)展。高度集成的光電模塊使用戶無須處理高速模擬光電信號，縮短研發(fā)和生產(chǎn)周期，減少元器件采購種類，減少生產(chǎn)成本，因此也越來越受到設(shè)備制造商的青睞。從LFF封裝的300PIN到SFF 300PIN封裝，今后可能會到可熱插拔CFP、CFP2、QSFP+等封裝形式。

　　隨著模塊的封裝尺寸越來越小，性能要求越來越高，以往用分立器件能實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在必需要用集成的器件來完成。再者，集成光電器件如果能實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，能降低設(shè)備和整個光網(wǎng)絡(luò)在單通道的成本和功耗，推動“綠色”的實現(xiàn)。最后，光電集成技術(shù)的進步將深刻改變國內(nèi)光電行業(yè)的發(fā)展路徑，改變過去依靠人工成本和價格戰(zhàn)的老路，推動光電產(chǎn)業(yè)升級、提高企業(yè)的核心競爭力。

　　國內(nèi)器件商在積極同國外先進器件供應(yīng)商在集成化器件上競爭的同時，也在積極的謀求互相合作，包括有源和無源器件供應(yīng)商間的合作，激光器、探測器和集成電路芯片供應(yīng)商間的合作等等，這必將帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈的良性循環(huán)與發(fā)展。所以，光集成是光器件發(fā)展的必由之路。

　　近些年來，光電器件的專業(yè)化程度在不斷深化，正對不同的應(yīng)用場景，光電器件供應(yīng)商也需從成本敏感度、成品率等方面進行產(chǎn)品的領(lǐng)域劃分。目前，光器件的應(yīng)用可大致分為傳輸網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)和接入網(wǎng)三個主要的領(lǐng)域，傳輸網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)中的器件集成化尤其獲得人們的關(guān)注。雖然應(yīng)用場景和內(nèi)在的器件技術(shù)有所不同，但是光集成都顯現(xiàn)出蓬勃的生命力和廣闊的發(fā)展前景。

　　2 光傳輸網(wǎng)中的光集成

　　光傳輸網(wǎng)主要應(yīng)用于城市內(nèi)主要光節(jié)點、城市間甚至更長距離的光通信。光傳輸網(wǎng)中的核心光器件也可分為線路側(cè)和客戶側(cè)兩類。相對而言，這些器件的特點是對成本不太敏感、需要性能穩(wěn)定、單通道速率高、功耗小等。

　　以100G 光傳輸網(wǎng)為例，100G高速光通信技術(shù)將是未來數(shù)年光通信領(lǐng)域的熱點之一，其市場規(guī)模呈現(xiàn)出逐年遞增的態(tài)勢。國際標準化組織IEEE、ITU-T和OIF等關(guān)于100GbE、OTU4等相關(guān)規(guī)范計劃已于2010年6月制定完成，目前業(yè)界普遍認為，2012~2013年將是100G系統(tǒng)逐步規(guī)模部署的時期，與此相關(guān)的新產(chǎn)品需求也將迎來一個快速的增長期[1]。在中國，2012年是100G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的測試年，中國電信在年初啟動100G測試，中國移動又在年中展開100G現(xiàn)網(wǎng)測試，烽火、上海貝爾、華為、中興等廠家均參與了兩項測試，這意味著中國100G商用已經(jīng)提上運營商網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃日程。

　　2.1 100Gb/s線路側(cè)的集成DP-QPSK光發(fā)射機器件

　　100Gb/s DP-QPSK發(fā)射機原理圖如圖1所示，其中發(fā)射機由兩個平行的50G QPSK調(diào)制器組成，實現(xiàn)50G的IQ信號分別調(diào)制到兩個偏振正交的光載波上，再通過偏振復(fù)用器把X軸和Y軸光信號實現(xiàn)正交極化(偏振)復(fù)用。光信號每個正交偏振光載波上的信號實際為25Gbaud QPSK信號，其信號帶寬只有25G，因此可以利用25G光電子器件實現(xiàn)。

　　傳統(tǒng)的100G 線路側(cè)光模塊中的光調(diào)制器、偏振合束和分束器均是分立元件，在模塊中采用盤纖的方式將各個分立器件連接起來，因此整個模塊的體積較大且難以縮小。NTT公司的研究小組采用混合集成的方式將基于鈮酸鋰(LiBbO3)的調(diào)制器和基于硅上二氧化硅波導(dǎo)的偏振分束、合束器集成在一個芯片上[2]。LiBbO3材料具有較大的電光系數(shù)，是調(diào)制器的理想材料。硅上二氧化硅波導(dǎo)工藝較成熟，波導(dǎo)的偏振控制相對簡單。通過調(diào)整波導(dǎo)折射率差，二氧化硅波導(dǎo)即可實現(xiàn)同LiBbO3調(diào)制器一樣的模場尺寸，通過無源對準即可實現(xiàn)兩者的光耦合，制作工藝不僅簡單，而且充分利用了兩種材料的特性制作出性能優(yōu)異的集成芯片和器件。利用該技術(shù)可以將相干調(diào)制格式提高到更高階的16QAM、64QAM等，而不需要大的工藝改動。

圖1 100Gb/s DP-QPSK發(fā)射機原理圖

圖2 基于PLC和LiNbO3混合集成的光發(fā)射芯片

　　2.2 100Gb/s 客戶側(cè)的光發(fā)射和光接收集成器件

　　100G客戶側(cè)光模塊的標準主要由IEEE標準組織制定，其協(xié)議是IEEE802.3ba，在該協(xié)議中，基于100GBASE-LR4 標準的光模塊擁有最大的市場。

　　100G客戶側(cè)光模塊的原理框圖如圖3所示。在發(fā)射部分，輸入進模塊的10路10Gb/s差分電信號通過碼速轉(zhuǎn)換芯片的處理，輸出4路25Gb/s高速電信號，4路高速電信號輸入進混合集成TOSA，完成光電轉(zhuǎn)換和四路光信號波分復(fù)用功能;在接收部分，接收的光信號輸入進混合集成ROSA，混合集成ROSA完成波分解復(fù)用和光電信號轉(zhuǎn)換，輸出4路25Gb/s高速電信號。4路25Gb/s高速電信號經(jīng)過碼速轉(zhuǎn)換芯片，輸出10路10Gb/s差分電信號?？刂平涌谕瓿赡K的功能控制和模塊參數(shù)上報。

圖3 100G 客戶側(cè)光模塊原理框圖

　　下一代100G 客戶側(cè)光收發(fā)模塊—CFP2的體積將減小到目前的三分之一，功耗將減小為當(dāng)前的一半，傳統(tǒng)的分立光電器件已難以滿足這種需求，基于集成技術(shù)的4×25Gb/s光發(fā)射組件TOSA和光接收組件ROSA應(yīng)運而生。NTT的研究小組利用單片集成和混合集成技術(shù)分別實現(xiàn)了小型化的TOSA[3]和ROSA[4]器件，如圖4和圖5所示。

　　單片集成的4×25Gb/s光發(fā)射芯片實現(xiàn)了激光器(LD)、電吸收調(diào)制器(EA)和背光探測器(MPD)和多模干涉耦合器MMI合波器的單片集成。該芯片基于銦磷(InP)基的多量子阱材料，由于不同元件的波導(dǎo)和電學(xué)結(jié)構(gòu)不同，利用到了選擇區(qū)域外延(SAG)和端面耦合(Butt-couping)等多種材料生長技術(shù)。在器件結(jié)構(gòu)上，采用在芯片上部架設(shè)GSG傳輸線的方式，減少了金絲打線的長度，減少電學(xué)寄生效應(yīng)，實現(xiàn)了電學(xué)信號高速傳輸。雖然單片集成的芯片和器件具有無可比擬的小尺寸，但由于InP波導(dǎo)的損耗較大，加上1分4 MMI固有的6dB插損，整個器件的輸出光功率不高，與100GE-LR4的光功率要求還有一段距離。

圖4 基于單片集成技術(shù)的TOSA芯片和器件技術(shù)

　　4×25Gb/s ROSA器件采用了陣列式4路雪崩光電探測器APD和1×4 硅上二氧化硅AWG芯片混合集成的方式。InP基的APD芯片具有高帶寬、低暗電流、工作電壓較低的特點，可針對AWG輸出波導(dǎo)的間距，較容易制作成探測器陣列。雖然由于折射率差較小的原因，硅上二氧化硅基的AWG芯片通常尺寸較大，但由于其工藝成熟(已實現(xiàn)大批量生產(chǎn))，所以利用其作為波長分束器，具有成本低、成品率高、光損耗小的特點。作為波長分束器，AWG芯片的理想通帶輸出光譜應(yīng)為箱型，這可以通過在AWG輸出端采用寬波導(dǎo)也即多模波導(dǎo)來實現(xiàn)，較寬的輸出波導(dǎo)也利于同探測器的光耦合。由于探測器芯片的光敏面較大，在同AWG芯片耦合時1dB耦合容差可達到±5um，因此利用無源對準即可實現(xiàn)較高的耦合效率，見圖6所示。

圖5 基于混合集成技術(shù)的ROSA芯片和器件技術(shù)

　　如果利用混合集成技術(shù)制作光發(fā)射芯片，也即用硅上二氧化硅AWG芯片作為波長合波器同激光器芯片實現(xiàn)混合集成，則對光耦合的要求非常高。模擬結(jié)果表明，采用波導(dǎo)直接對準的方式，激光器和AWG芯片的1dB耦合容差小于±1um，為滿足批量生產(chǎn)要求，工藝容差應(yīng)控制在±0.5um，如圖7所示。如此高精度的光耦合，可以通過高精度的倒裝焊工藝實現(xiàn)，但通常滿足要求的貼裝設(shè)備非常昂貴。

圖6 探測器芯片同AWG芯片的光耦合容差

圖7 激光器芯片同AWG芯片的光耦合容差

　　3 數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)中的光集成

　　隨著數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)應(yīng)用等對帶寬的要求越來越大，人們越來越重視數(shù)據(jù)中心及高性能計算應(yīng)用的帶寬和密度。在獲取40Gb/s帶寬性能時銅互連面臨著巨大的挑戰(zhàn)，它們的功率和尺寸要求無法有效應(yīng)用于更高帶寬。因此，大家都在逐漸轉(zhuǎn)向使用可以處理更高帶寬的光互連，以便獲取更長的流程長度、消耗更少的功率、提高電磁噪聲抗擾度并提供比銅解決方案更靈活的布線管理。

　　相對于傳統(tǒng)的光傳輸網(wǎng)對各類協(xié)議和波長的嚴格規(guī)定，數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)中對器件波長的分配和傳輸距離并沒有嚴格的規(guī)定。下一代數(shù)據(jù)中心的特征主要有：非標準、單模光纖、1km傳輸、同帶寬、低成本和低功耗。

　　針對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的要求，機架內(nèi)部互聯(lián)將以10G SFP+ SR模塊為主，同一排機架間互聯(lián)則包括AOC系列(40G Quadwire，100G Cwire)和可插拔系列(40G QSFP+和100G CXP)，數(shù)據(jù)中心的樓樓之間和樓層之間將全采用插拔系列(10G SFP+ LR， 40G QSFP+ LR4, 100G CFP LR4， 100G CFP DWDM)。

　　當(dāng)前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)用光模塊的結(jié)構(gòu)類型多為40G QSFP+。從傳輸距離上看，數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)中的光器件可分為短距離傳輸和長距離傳輸兩種。

　　短距離的40G-SR4 QSFP+通常采用850nm 面發(fā)射激光器VCSEL陣列芯片和探測器陣列芯片作為發(fā)射和接收芯片，通過多模帶狀光纖實現(xiàn)光模塊間的對傳，如圖8所示。由于VCSEL激光器的寬光譜和多模光纖較大的彎曲損耗，該光模塊的傳輸距離通常只有100m-150m。由于VCSEL和PD芯片均為面型，為實現(xiàn)同多模光纖的耦合，可以有光路彎折和電路彎折兩種解決方案。為避免電路彎折引入的較大電學(xué)損耗，實現(xiàn)單通道10G傳輸，光路彎折的方案更為理想。器件結(jié)構(gòu)上，VCSEL陣列芯片通過高精度貼裝的方式，實現(xiàn)同聚合物反射鏡的混合集成。采用優(yōu)化反射鏡和耦合透鏡的位置和通光孔徑，可以實現(xiàn)VCSEL芯片和多模光纖間較高的耦合效率。

圖8 40G QSFP+光模塊和器件技術(shù)

　　長距離的40G-IR4/LR4 QSFP+器件也有較大的市場，隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴大，基于VCSEL的光模塊難以滿足300m以上的傳輸距離要求。從器件成本上看，多模光纖的成本一直居高不下，且其MPO接口相對于單模光纖的LC接口，在維護和安裝上的劣勢也較明顯。

　　在長距離QSFP+集成器件中，基于硅光子學(xué)的集成器件由于其基于CMOS工藝的低成本、大批量生產(chǎn)、低功耗、單片集成等優(yōu)勢，成為目前長距離數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)中最有前景的解決方案。

　　伴隨著高性能硅基光電器件在各個領(lǐng)域的突破，硅基光電集成芯片也已經(jīng)從呼之欲出發(fā)展到了可以實現(xiàn)商業(yè)化的水平。美國Cornell大學(xué)的Lipson小組制作了硅微環(huán)諧振腔調(diào)制器與鍺波導(dǎo)探測器集成的光的傳輸鏈路，該系統(tǒng)實現(xiàn)了3 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率。相較于已有的基于MZI調(diào)制器的收發(fā)模塊，最顯著的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)緊湊和功耗低：微環(huán)半徑僅為6μm，系統(tǒng)整體長度僅250μm;總的能量損耗只有~120fJ/bit。在2008年IV族光子學(xué)會議上，美國Luxtera公司[]報道了他們的單片集成4×10Gb/s WDM光收發(fā)器[5]，如圖9所示，整個芯片是在Freescale的130nm SOI CMOS工藝線上制作而成，除了光源是通過光纖外接之外，光波導(dǎo)、光調(diào)制器、波分復(fù)用器、Ge探測器等都被集成到了同一芯片上。另外Intel公司也報道了一種的硅光子集成光發(fā)送模塊，該芯片中包含有8路高速調(diào)制器和波分復(fù)用/解復(fù)用器，單個芯片的總數(shù)據(jù)傳輸速率達到200 Gbps[6]。2010年，IBM公司也開發(fā)出了基于130 nm CMOS技術(shù)制備的波分復(fù)用光收發(fā)回路芯片，實現(xiàn)了硅基光電器件的單片集成[7]，如圖10所示。該芯片包括電學(xué)的振蕩器、放大器、驅(qū)動電路，光學(xué)的波導(dǎo)、耦合器、濾波器、探測器、調(diào)制器、光開關(guān)。該芯片可以實現(xiàn)50 路光信道，每路信道20 Gbps的光收發(fā)，即1 Tbps的光收發(fā)功能，而面積僅有5×5 mm2，其集成度提高了近10倍。硅基光電集成芯片的迅猛發(fā)展必將把硅光子學(xué)的發(fā)展推向新的高度。

圖9 Luxtera的4×10G 硅基單片集成器件

圖10 IBM公司研發(fā)的硅基單片集成回路芯片

　　4 結(jié)束語

　　光通信器件是光纖通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心，同時也是發(fā)展的關(guān)鍵，是光纖通信領(lǐng)域中具有前瞻性、先導(dǎo)性和探索性的戰(zhàn)略必爭高技術(shù)，代表了光通信技術(shù)領(lǐng)域的水平和能力。光電子器件行業(yè)產(chǎn)品種類繁多、基本環(huán)節(jié)專業(yè)化分工的特點使行業(yè)市場的細分成為可能，由于各企業(yè)所掌握的技術(shù)特長不一樣，不同的企業(yè)在不同的細分領(lǐng)域其競爭地位也不相同。

　　全球化的競爭格局已經(jīng)形成，隨著國內(nèi)光電子器件廠商研發(fā)能力、生產(chǎn)工藝的提高，再加上產(chǎn)品的成本優(yōu)勢，國內(nèi)企業(yè)加大了出口的力度，國外通信系統(tǒng)設(shè)備廠商也增加了對國內(nèi)光電子器件產(chǎn)品的采購力度。與此同時，國外通信系統(tǒng)設(shè)備廠商為了降低成本，近年來也紛紛把生產(chǎn)和研發(fā)基地向中國大陸轉(zhuǎn)移，這也帶動了中國大陸光電子器件市場的需求。

　　我國的通信光電子產(chǎn)業(yè)經(jīng)過30多年的發(fā)展，在全球通信光電子器件行業(yè)中占據(jù)了重要地位，到目前為止，我國的通信光電子器件產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)占據(jù)全球份額的15%以上。但是，大多數(shù)器件都集中于中低端，面對系統(tǒng)向智能化和高速化方向的快速發(fā)展，處于中低端的中國的光電子企業(yè)發(fā)展必然受到影響，唯一的出路即是發(fā)展更具有核心競爭力的高端器件。目前，集成器件技術(shù)的發(fā)展也正在經(jīng)歷從科研到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化期，國內(nèi)的光器件企業(yè)一定要抓住這樣一個戰(zhàn)略機遇期，走上良性發(fā)展的康莊大道。

　　參考文獻

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　　[7] William Green, et al, CMOS integrated silicon nanophotonics: enabling technology for exascale computational systems, Invited talk at SEMICON, Tokyo, 2010

　　作者簡介

　　周亮，中科院半導(dǎo)體研究所博士畢業(yè)，現(xiàn)任武漢光迅科技股份有限公司工程師、項目負責(zé)人，主要負責(zé)集成光電芯片研發(fā)和高速器件封裝方面的研究。參與完成了多項國家“973”項目，參與多項國家“863”項目和湖北省科技創(chuàng)新重點項目。發(fā)表國內(nèi)外論文10多篇，申請國家專利4項。

　　徐紅春，華中科技大學(xué)光學(xué)系碩士畢業(yè)，現(xiàn)任武漢光迅科技股份有限公司教授級高級工程師、技術(shù)部經(jīng)理，武漢郵電科學(xué)研究院碩士生導(dǎo)師，武漢市科技局科技決策咨詢專家，主要從事光電子器件方面的研究，參與多項國家“863”項目。2004年，獲得湖北省人民政府科技進步獎三等獎;2006年，獲得第十一屆武漢市自然科學(xué)優(yōu)秀論文二等獎;2012年榮獲湖北省人民政府科技進步獎一等獎，中國通信學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎三等獎，并獲得湖北省自然科學(xué)優(yōu)秀論文一等獎。發(fā)表國內(nèi)論文40余篇，國外論文1篇，申請中國專利9項，參與起草光通信行業(yè)和國家標準10多項。

　　余向紅，華中科技大學(xué)電信系碩士畢業(yè)，武漢光迅科技股份有限公司分管研發(fā)和技術(shù)副總，從事技術(shù)開發(fā)及技術(shù)管理工作約22年。2007年，“10千兆以太網(wǎng)用小型化熱插拔光收發(fā)器件及模塊”項目獲得中國電子學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎，2008年，獲得湖北省人民政府科學(xué)技術(shù)獎二等獎，2012年，獲得湖北省人民政府科學(xué)技術(shù)獎一等獎，中國通信學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎三等獎。起草行業(yè)標準3項，參與多項國家“863”項目、電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項目、國家電子信息產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造項目等;主持完成了“DWDM系列光發(fā)射模塊開發(fā)”項目、“GBIC系列光收發(fā)模塊開發(fā)”項目;主持完成了“PDS產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)”管理項目。