SiFotonics先進硅光集成芯片技術在5G和DC中的應用前景

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)者與領導者之一的SiFotonics Technologies首席運營官于讓塵(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領域的創(chuàng)新，以及先進檢測技術為基礎的硅光集成芯片在5G無線傳輸及大型數(shù)據(jù)中心的應用前景。

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，并引領其它業(yè)內熱門話題，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，硅光集成技術規(guī)模商用已開始開花結果。例如半導體業(yè)龍頭Intel推出的數(shù)據(jù)中心應用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個月中實現(xiàn)出貨100萬只。相干硅光技術代表Acacia將相干技術和硅光技術有效結合，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)中心應用的100G PSM4收發(fā)器最為知名，該產(chǎn)品將一個激光器用四種方式連至四個調制器，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)始團隊由MIT硅光研究機構成員組成，經(jīng)過有十幾年的耕耘積累了豐富的知識產(chǎn)權，SiFotonics擁有多項鍺硅器件及集成芯片專利。在硅光芯片技術成為熱門的今天，擁有豐富的知識產(chǎn)權將成為核心競爭力。公司從創(chuàng)辦開始，就確定與頭部硅半導體代工廠建立結盟投資關系，這對公司開發(fā)專有的鍺硅光集成制程奠定堅實的基礎。

SiFotonics經(jīng)過多年努力，已經(jīng)開發(fā)出業(yè)內領先的硅光集成基礎原件”圖書館”，包括低損波導，光耦合器，偏振旋轉、分離器等被動組件，先進的光探測雪崩二極管，高速調制器，及可調衰減器等主動組件。這些組件可以根據(jù)應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，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對運營商而言是一件非常有挑戰(zhàn)的政策，如何降低$/Gbit是運營商的重要考慮因素。 功耗是運營成本的重要因素，數(shù)據(jù)中心更是功耗龍頭。據(jù)統(tǒng)計，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)絡各節(jié)點傳輸速率大幅提升，光纖損耗鏈路預算面臨物理限制。傳統(tǒng)的光探測二極管技術已捉襟見肘，更先進的探測技術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。

先進的雪崩二極管有諸多應用。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。這項應用已在韓國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。最新應用在400G LR4多源協(xié)議標準將傳輸距離從2公里提升到10公里。另外一個應用是用探測端多余的鏈路預算來減少發(fā)射端功率：每3dB可減半發(fā)射激光功率。這個好處可延伸到用接收增益來減少需要的激光器數(shù)量，特別是多通道應用，如400G DR4。

針對功耗節(jié)省，SiFotonics做了一個粗略估算。全球光網(wǎng)應有十億只光收發(fā)模塊。每只激光器按平均半瓦計，若轉移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10瓦，總功耗及電費的節(jié)省更為可觀。

”三流公司做產(chǎn)品，二流公司做市場，一流公司做標準”。SiFotonics 積極參與業(yè)內領先的標準化工作，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書基線下一步討論定案，并準備向IEEE標準提案定標。這項新標準為先進雪崩二極管開辟了新用途?！?

最近SiFotonics已推出業(yè)內領跑的單波100G雪崩二極管接收器。經(jīng)測試，在標準糾錯誤碼線上可以達到額外的3dB的増益。這項結果給單波100G增遠應用提供堅實的技術基礎，可以擴展到400G 10km, 甚至未來800G的應用。

現(xiàn)代大型數(shù)據(jù)中心由數(shù)萬到數(shù)十萬臺服務器通過多層高速交換機聯(lián)網(wǎng)。從端口速率而言，業(yè)內云計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的全系列應用，為400G大規(guī)模商用做好準備。

大型數(shù)據(jù)中心互聯(lián)也正在經(jīng)歷從100G到400G切換。因為大帶寬長距離需求（多以4T 起跳）， 密波分相干檢測成為主流技術選項。

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調制，涵蓋100G, 200G 與400G 相干傳輸應用，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城域應用提供”引擎”芯片。

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

小結一下：SiFotonics開發(fā)的鍺硅光芯片已開始在端到端的5G光網(wǎng)絡得到應用，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)的主要驅動力。2018年數(shù)據(jù)中心用100G光收發(fā)模塊已超一千萬，Arista預測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)”。有個別大型數(shù)據(jù)中心甚至已開始醞釀800G前期產(chǎn)品預研，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，同時降低成本功耗。

總結：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”。先進檢測技術如雪崩二極管和相干技術助力傳輸更遠，功耗更低，單位比特成本更低。這些先進技術硅光集成將成為業(yè)內主流。傳統(tǒng)倚重發(fā)射技術而輕檢測的定式將被打破，進而取得收發(fā)并舉的平衡。

講師簡介

于讓塵博士現(xiàn)任SiFotonics 首席運營官。在加入SiFotonics之前十年，于博士任 Oplink (被Molex 并購) 業(yè)務發(fā)展副總裁兼光電解決方案事業(yè)部總經(jīng)理，他是推動100G PAM4技術被廣泛采用的領導者之一，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)絡新一代行業(yè)標準。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固體物理學博士，和北京大學物理學學士學位。