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硅光子步入黄金时代

时间:2019-06-28 作者:Sally Ward-Foxton 阅读:
硅光子一直是项极具吸引力的技术。既然对光通信中所用红外波段的光子来说,硅是透明的,那么为什么不将光学器件集成到硅片上呢?SOI(绝缘硅)工艺可用于在硅中形成波导、调制器和其他光学结构,并充分利用CMOS的低成本与可扩展性。

硅光子一直是项极具吸引力的技术。既然对光通信中所用红外波段的光子来说,硅是透明的,那么为什么不将光学器件集成到硅片上呢?SOI(绝缘硅)工艺可用于在硅中形成波导、调制器和其他光学结构,并充分利用CMOS的低成本与可扩展性。

经过数十年的研发,硅光子产品在过去几年中已经进入市场并进入实际应用(图1)。该技术在数据中心尤其具有吸引力,因为超大规模设施上线需要数百米的中心内链路。而它们最好的解决方案是光纤。目前,这当中使用的是可插拔收发器模块,但是如果将收发器集成到与电子器件相同的封装中,则将更具成本、空间和功耗方面的优势。

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图1:硅光子市场预测,2016-2025。(图片:Yole Développement)

传统的光学器件通常需要手工组装成气密、分立封装的器件。将一些光学器件集成到硅上可以充分利用电子封装的成本优势和组装的便利性。而且,硅光子还可以实现超大规模数据中心所需的容量增长。

实际上很多运营商在4G扩建时已经开始在移动前传(特别是在天线上的天线与基带单元之间的链路)中采用光纤来加速安装。而5G的出现,对速度和带宽有了更高要求,这也为硅光子创造了另一个机缘。

Yole Développement估计2018年硅光子的全球市场价值将达5亿美元,而到2025年将增长至35亿美元。这其中包括了一些潜在应用,如数据中心、5G、激光雷达和生物传感器。

“尽管出现了很多初创公司,但这仍然是一个非常集中的市场,由英特尔和思科最近收购的Luxtera所主导。”Yole的光子、传感和显示器分析师Eric Mounier表示,“硅光子的总资金额可能接近10亿美元。其原因是它极有希望解决数据中心的带宽瓶颈问题,同时它也是传感器应用的一个优秀技术平台。”

一些大公司已经在这方面投入了巨资。例如,英特尔在过去几十年里一直在研发硅光子技术。还有一些公司则通过收购进入该市场。思科于2019年2月以6.6亿美元的价格完成了对Luxtera的收购。出人意料的是,2019年3月英伟达也宣布计划以69亿美元的价格收购光纤互连领军者Mellanox。此次交易将为英伟达带来硅光子产品组合,这又基于Mellanox在2013年收购Kotura时所获得的技术。在此之前,Nvidia已经通过其图形处理器产品在数据中心领域占据了很大席位——数据中心市场约占其业务的25%。Nvidia-Mellanox阵容将使数据处理和互连构成同一解决方案的组成部分。

“Mellanox的主要竞争对手是英特尔,英特尔正在数据中心互连方面推动硅光子技术取代硅技术。”Yole的总裁兼首席执行官Jean-Christophe Eloy表示,“英特尔希望为其已经在卖给数据中心制造商的数据处理添加光互连。而随着对Mellanox的潜在收购,英伟达也正在采取同样的策略……对于英伟达而言,这是一个聪明的做法,但这对英特尔来说就是个坏消息了,因为他们将面对一个创新且发展迅猛的竞争对手。”

英特尔于2016年宣布其首款硅光子器件的量产,此后又增加了两款产品。这三款器件分别是用于数据中心应用的100G和400G收发器,以及针对5G前传的具有扩展工作温度范围的100G收发器。这款用于5G的产品是一款CWDM4 QSFP28稀疏波分复用(CWDM)、四通道小型可插拔收发器,支持在-40℃至85℃的工作温度范围内通过单模光纤实现10km链路(图2)。

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图2:英特尔的硅光子100G CWDM4 QSFP28光收发器,支持扩展温度范围工作。(图片:英特尔)

Yole的Mounier表示,由于硅光子技术具有优于传统光学技术的先天优势,GAFAM和BAT等公司——谷歌、苹果、Facebook、亚马逊和微软,以及中国的百度、阿里巴巴和腾讯——正在积极推动这项技术的发展。同时,晶圆代工厂也致力于为无晶圆厂硅光子客户提供通用工艺。

“确实有越来越多的代工厂对硅光子感兴趣,无论是意法半导体、GlobalFoundries和台积电这类大型晶圆代工厂,还是各种MEMS(微机电系统)代工厂,如Silex Microsystems、APM和VTT。”Mounier表示,“GlobalFoundries已经与许多硅光子无晶圆厂建立了广泛的合作关系……通过利用GlobalFoundries现有的半导体制造平台,硅光子将会带来更多业务。”

激光器对准

通信巨头MACOM是其中一家与GlobalFoundries合作扩展其硅光子技术的公司。这两个合作伙伴在2019年3月签署了一项协议,使MACOM可以在GlobalFoundries工厂中使用其自对准蚀刻面技术(SAEFT)。

由于激光器无法用硅制造(它需要用磷化铟等直接带隙材料),因此通常是采用倒装芯片组装工艺将单独的激光器裸片组装到硅光子芯片上并精确对准。MACOM专有的SAEFT自对准工艺可实现激光器裸片与硅光子芯片(PIC)对准,从而制作L-PIC。该技术基于EFT技术,是MACOM于2014年收购激光器供应商BinOptics所获得。

“这种自动化自对准工艺取消了激光器的主动对准,以及分立光学设计中传统的环氧树脂固定与固化步骤。”MACOM硅光子产品营销总监Arlen Martin表示,“与GlobalFoundries达成的协议是双方现有关系的延伸,并使新加坡和纽约的多源供应链能够利用GlobalFoundries的制造。MACOM将充分利用GlobalFoundries的300mm(12英寸)硅制造工艺来达到急需的规模与成本要求。”

根据Martin所述,MACOM正在为数据中心和电信客户开发基于其L-PIC平台的新产品,包括提供100G CWDM4、100G DR1/FR1、200G FR4、400GFR4和400G DR4解决方案,以便实现向100Gb/s、400Gb/s以及更高传输速率过渡。

硅光子非常适合5G电信网络等高容量应用。他表示,“5G前传部署的第一阶段将是10G SFP+和25G SFP28模块的混合部署。对于中传,光学部分将过渡到Nx56G PAM-4(脉冲幅度调制)QSFP模块。在我们从10和25Gb/s过渡到50和100Gb/s的过程中,预期硅光子将开始发挥重要作用。”

硅锗

Sicoya是从柏林工业大学分拆出来的一家公司,凭借其研发的、基于硅锗(SiGe)BiCMOS工艺的100G硅光子收发器于2017年进入市场。大多数硅光子公司都采用SOI工艺构建其器件,但Sicoya首席执行官Sven Otte却称“从BiCMOS电子器件着手并添加光子才是天作之合。”

“这是有道理的,因为大多数光学互连的电子部分不管怎样都要采用BiCMOS,”Otte表示,“跨阻抗放大器、时钟和数据恢复以及激光器驱动器都是采用SiGe BiCMOS……CMOS则仅用于需要信号处理的地方。”

如今,Otte表示,“Sicoya的电子和光子已集成在同一个芯片上,这使得我们的晶体管比CMOS晶体管速度更快。硅锗是一种超高效的技术,它不仅在性能上为我们带来优势,同时还取消了某些封装工序。”

即使可能的话,在硅片中有效构建激光二极管和光电探测器(PIN二极管)等光学器件也非常困难,因此大多数硅光子解决方案是将这些器件放在单独的裸片上。而Sicoya将SiGe光电探测器集成在了与接收侧电子器件相同的裸片上(图3)。该公司是否会尝试构建SiGe激光器,来实现更加集成的发送端呢?

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图3:Sicoya的单片集成式100G光电IC。(图片:Sicoya)

“我们可以做到,但对于所需的特定波长,它还不够好。”Otte表示,“更有可能的是,在我们的一款芯片上面生成一层磷化铟层来形成激光器。但这仍处于研究阶段,完成原型和资格认证也还需要一些时间。”

Sicoya拥有混合商业模式,它向战略性大容量客户同时销售芯片和引擎。“我们还将使用这些芯片的光收发器卖给那些Web-scale公司。它们只接受光收发器——通常,他们不接受任何光引擎——而且我们发现向收发器公司推销产品是一件很困难的事情,因为我们是在与其内部技术竞争。”Otte说。

Sicoya产品包括2017年推出的100G收发器系列和2019年3月在OFC2019展会上首次推出的三款400G收发器系列(图4)。400G型号目前正在进行资格认证,并将于今年下半年开始出货。此外,还有一款面向5G基础设施设计的产品——28G单通道单模收发器——并正在开发其CWDM版本。

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图4:Sicoya的单芯片100G QSFP28收发器。(图片:Sicoya)

“网络架构已经发生变化,从天线和远端站之间的铜缆连接,再到城域网的光纤连接,以及现在的射频前端,其将天线直接连接到光纤收发器……数据传输速率高了很多。“Otte谈道,“这些连接大多是点对点、单通道。在大都市区,有时一根天线杆上会有多根天线,在这种情况下,就需要用CWDM收发器,才能仅用一根光纤连到远端站。

Otte还强调了硅光子对于5G基础设施的几点优势。硅光子芯片本质上对温度不敏感,因此它们可以经受5G部署中经常遇到的从狂风暴雪到沙漠酷暑的极端环境条件。这项技术还易于扩展,设计不会过时,对于5G来说,这是一个明显优势。另外还有成本优势,传统的分立式解决方案,封装占了成本的很大一部分。而贴装了激光器裸片的硅光子芯片可以采用电子封装,相比之下,只需最少的工艺步骤。

Otte很清楚5G基础设施不是未来的应用,而是正在发生的应用。“我们正在5G市场加速推广我们的产品;今年年底之前,我们的一家中国电信客户就会把它安装到现场。”他说,“5G是我们在市场上看到的最大数量的驱动力之一……对我们来说,5G市场的规模比数据中心市场要大两到三倍。”

除了在柏林拥有工厂,Sicoya刚刚宣布计划在中国天津开设光模块和光引擎装配和测试工厂。新工厂将服务于中国市场的5G无线前传和100G/400G数据中心收发器应用。

“中国在部署5G方面特别领先,但在硅光子技术领域并不一定处于领先地位。”Otte谈道,“事实上,我认为欧洲和美国在硅光子技术方面比中国领先两到三年的时间。这对我们来说是一个巨大的机会。”

未来

尽管硅光子技术未来的发展前途非常诱人,但物理上却可能存在限制。Rockley Photonics公司的首席执行官Andrew Rickman认为,未来的光连接应该是封装内光学——将最优化的硅光子与微电子裸片集成在相同的封装内,而不是在相同的裸片上。

“光子和电子的特性差异巨大,”Rickman说,“因此,开发最优化电子IC所需的工艺与开发最优化光子IC所需的工艺将会不同。这就是为什么单片集成——虽然这个想法很诱人——永远无法实现硅光子的全部潜力。我们现在在封装技术方面已经有了重大创新,例如2.5D和3D晶圆级封装,可用于开发和制造最有效的整体解决方案,可以预见这种方案将持续一段时间。”

Rickman指出,激光器需要采用直接带隙(III-V)材料实现,因此所有硅光子解决方案都至少需要多个裸片。关键在于将解决方案正确划分到不同的裸片上,而不是进一步的集成,他表示。

“我们相信,最佳解决方案最终会是将数字内容和模拟前端进行单片集成,而硅光子和激光器仍然保持各自的工艺——这就是我们用Topanga(该公司在OFC2018上的演示设备)演示过的方法。”Rickman表示。

Topanga是一款12端口100G以太网交换机,预装了全部12个100G收发器(图5)。它采用的1.2Tb/s以太网交换机ASIC是该公司自主设计,具有第三层路由功能,以及多个模拟前端(AFE),用于所有48×25Gb/s电信道。ASIC与硅光子IC封装在一起,实现基于并行单模光纤的光接口。光功率采用外部激光模块来提供。将PIC直接安装在CMOS裸片附近,可最大限度地缩短高速电信道的长度,从而简化设计并降低功耗(图6)。

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图5:Rockley Photonics在OFC2018上展示了其Topanga 12端口100G以太网交换机。(图片:Rockley Photonics)

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图6:Rockley Photonics的封装内光学平台可以将收发器(紫色)安装在ASIC(灰色)附近。(图片:Rockley Photonics)

Rickman表示,在Rockley的封装内光学设想流行起来之前,有种可能的中间解决方案是对AFE和硅光子PIC采用单独的裸片,将它们组装到同一个封装中,同时提供标准的电气接口,来实现与第三方交换机芯片的互通。Rockley用其LightDriver产品推行这种方案,用于为包括数据中心连接、消费类传感器和激光雷达在内的多个领域提供交换机兼容(switch-agnostic)平台。该公司在OFC2019上展示了使用该平台的收发光学部件(subassembly)(图7)。未来构建在这个平台上的系统可能会在系统级上再做优化——可能其数字ASIC的集成度将会更高,或者会对电气互连进行优化,Rickman表示。

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图7:使用Rockley Photonics的硅光子平台进行数据通信的收发光学部件(TROSA)。(图片:Rockley Photonics)

Rickman还指出,由于光的特性,硅光子与高级CMOS节点并不兼容,因此与集成化的宣传相悖。“大多数制造硅光子芯片组的公司都来自传统的微电子行业,它们使用过去但尚未得到验证的策略来利用现有的硅CMOS晶圆代工厂和工艺。”他谈道,“问题在于光子和电子的性能有很大不同,因此,针对电子而优化的CMOS节点不一定能成为光子光路高度优化的最佳选择。”

因此有几个实际考虑因素。硅光子需要采用SOI CMOS工艺,其尚未达到与标准CMOS相同的先进节点,而且标准的工艺流程尚未实现某些所需的特定工序。此外,要想用硅片制作高速调制器,波导必须缩小到亚微米尺寸,这远小于其所通过的光的波长。在这样的微小尺寸下,传播损耗将会增加,效率会降低。

“重要的是要记住,光子器件比晶体管要大。”Rickman表示,“把7nm裸片上宝贵的空间都用来实现光子光路,那么芯片上所剩下可用来实现高速数字内容的空间就少之又少。我们认为这种方法在经济上行不通。虽然Rockley的平台完全能够生产标准CMOS衍生工艺流程中所有的可能功能元件,但它的一个优势是能够为光子优化解决方案提供所有元件、设计功能和材料系统。”

Rockley于2017年与中国的光纤电缆制造商江苏亨通光电股份有限公司成立合资企业,使其技术实现了商业化。亨通投资4200万美元建立这家合资公司,为的是为市场提供低功耗、高性价比的收发器。亨通今年初按照交易计划,又对Rockley的E轮融资投资3000万美元。

“这家合资公司目前在提供100G市场所用产品方面进展顺利,这将有助于推动中国电信和数据中心市场方面的业务。”Rickman表示,“最近我们宣布了扩大我们的合作关系,这样这家合资公司也能够采用Rockley的LightDriver技术构建400G DR4收发器。这类产品将于年底开始发货,借此我们将会扩大我们在中国乃至世界其他地区的影响力。”

经过数十年的研发,硅光子正在全球各地的晶圆厂中上量,数据中心的连接和前传也将借此实现重大改进。或者,正如Sicoya的Otte所说,“硅光子已步入黄金时代。”

本文为《电子技术设计》2019年7月刊杂志文章。原文链接:Silicon Photonics Reaches Prime Time

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