實現(xiàn)更高光電整合度　硅光子奠定400G光網(wǎng)路基礎

　　ICCSZ訊   因應巨量資料(BigData)來襲，資料中心業(yè)者正加緊建置100G，甚至400G互連網(wǎng)路;而硅光子(SiliconPhotonics)技術由于可達到更高光電整合度，實現(xiàn)比銅纜更高頻寬、低延遲且具成本效益的光通訊傳輸，因而日益受到市場青睞。

　　10多年來，包括英特爾(Intel)、IBM、惠普(HP)、甲骨文(Oracle)及思科(Cisco)等前五百大企業(yè)皆致力于硅光子學(SiliconPhotonics)技術的研發(fā)，目前全穩(wěn)定朝向商業(yè)化發(fā)展。由于現(xiàn)有技術已無法提供合乎成本效益的解決方案，100G資訊中心(DataCenter)可說是硅光子學在近期內(nèi)最佳的商業(yè)化機會。

　　Ovum認為，100G網(wǎng)路的硅光子技術商業(yè)化是邁向400G以上互連的最佳跳板。雖然走向商業(yè)化仍是漫漫長路，但做為銅導線的抗衡者，硅光子技術在供應鏈中破壞市場的力量已漸漸浮現(xiàn)。

　　頻寬需求驅(qū)動光學元件演進

　　資訊中心日益擴大，其結(jié)構須調(diào)整以增進應用裝置效能，同時因扁平化網(wǎng)路結(jié)構及對于高處理能力與低延遲等需求，使資訊中心內(nèi)連接量與頻寬急遽增加。

　　為滿足這些需求，資訊中心營運商將從2016年開始朝100G邁進，此舉將帶來高度光電整合需求，為入門廠商及材料系統(tǒng)(MaterialSystem)敞開機會大門。以現(xiàn)有光學元件技術為基礎的第一代100G光網(wǎng)路模組尺寸過大，價格也不菲，因此100G網(wǎng)路的出現(xiàn)將會刺激接下來幾代技術持續(xù)追求小尺寸、低成本。

　　過去10年在硅基光學功能工具組(ToolboxofSilicon-basedOpticalFunctions)的研發(fā)工作及資訊中心的100G連接，都帶來商業(yè)化的絕佳機會。光電需要高度整合以提供小封裝、低耗能的解決方案，而硅光子學技術即為滿足這些需求的理想選擇，商業(yè)化將能進一步幫助供應商加速制作過程、測試及包裝步驟。

　　硅光子整合有助發(fā)展400G網(wǎng)路

　　幾乎所有關于硅光子學的討論都認為低成本是主要驅(qū)動力，但設備的效能才是重點。每個進入光學通訊市場的新技術都須祭出超越現(xiàn)有技術的高效能，才能取得廣泛應用。100G資訊中心互聯(lián)量預計將遠遠不及現(xiàn)有硅基產(chǎn)品，顯然無法滿足節(jié)省成本需求，因此效能應是首要重點，特別是在需要高度整合之時。

　　整合對硅光子學而言是強而有力的資產(chǎn)，更對400G網(wǎng)路充滿吸引力。針對能提供類似解決方案的現(xiàn)有技術，業(yè)界目前正著手解決此問題，其中光電整合將會是硅光子學最重要的資產(chǎn)，此外，雖然100G網(wǎng)路是理想的進入點，但更高層級的整合則需要400G以上網(wǎng)路，這為硅光電技術帶來絕佳機會，趁勢拉開與現(xiàn)有技術之間的差距。

　　硅光子學帶來破壞性力量仍需數(shù)年才得以浮現(xiàn)。由于設備廠商正逐漸和光學元件供應行垂直整合(思科與Mellanox即為二例)，加上英特爾與意法半導體(ST)等新進積體電路廠商加入，硅光子學對供應鏈影響已顯而易見，但仍須累積才能真正帶來破壞性力量。

　　隨著資料速率的提升，光學取代銅線傳導的能力也跟著提升，但對于如此高頻寬的互聯(lián)需求還須經(jīng)數(shù)年積累。所有條件皆已就位，準備滿足市場對更高頻寬的需求，而硅光子商業(yè)化生態(tài)系統(tǒng)也開始建立，但這項技術離正式上市部署，還需要一段時間。

　　硅光子市場需求熱度攀升

　　消費者現(xiàn)正追求“隨時隨地化(Anywhereization)”。Anywhereization是由電信業(yè)者TeliaSonera新創(chuàng)之詞，代表在任何裝置上都能隨時隨地以低廉價格使用數(shù)位媒體。

　　除消費者、公司行號、服務供應商，以及眾多企業(yè)家以外，設備與元件廠商也正全力爭取物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的機會，以及供公司行號使用的云端服務。資訊中心和其網(wǎng)路如今處于需求中心，服務供應商因此須提供快速有效的低成本資訊中心連結(jié)，這代表資訊中心中將會需要更高頻寬、低延遲的矽光子連接。

　　Anywhereization概念需要龐大的資訊中心以及網(wǎng)路互連。像是Google、Facebook、IBM和微軟(Microsoft)等網(wǎng)路內(nèi)容供應商(ICP)正帶頭提供云端服務，以及消費者連結(jié)與企業(yè)連結(jié);同時AT&T、Verizon及CenturyLink等傳統(tǒng)固網(wǎng)通訊服務供應商(CSP)也正進攻相同機會，兩者都將在資訊中心上投入資金。

　　Anywhereization帶動網(wǎng)路設備市場的兩項改變：財力雄厚的全新終端客戶崛起(如ICP)(圖1)，以及提高對資訊中心內(nèi)外網(wǎng)路連結(jié)的重視。

　　圖1網(wǎng)路供應鏈架構的改變資料來源：Ovum

　　CSP是光學零件的傳統(tǒng)終端客戶，其支出狀況預計會一路持平到2016年。相反地，ICP的資本支出會快速成長，且在2017到2018間超越CSP，雙方主要投資對象將會是資訊中心及相關設備。

　　枝葉主干式架構改善網(wǎng)路連結(jié)效能

　　此外，Anywhererization增加終端客戶、連線及應用系統(tǒng)數(shù)量，同樣也增加網(wǎng)路連結(jié)支出，并使全球開始重視資訊中心。因此ICP正全力優(yōu)化資訊中心以支援今日的應用裝置;同時資訊中心結(jié)構正朝扁平化發(fā)展，減少延遲并增加總處理能力，并使用視覺化改善伺服器使用率。

　　為達到伺服器框架之間無阻隔、低超額連線的狀況，采用枝葉主干式(Leaf-and-spine)架構。在這種架構下，群集透過主干的分支連結(jié)，傳統(tǒng)三層式(Three-tierHierarchal)架構中的超額狀況可大大改善，每次連線都可達到更多連接以及更高頻寬(圖2)。

　　圖2傳統(tǒng)三層式架構與枝葉主干式架構資料來源：Ovum

　　重新設計伺服器

　　資訊中心伺服器結(jié)構正進行調(diào)整。伺服器是資訊中心最昂貴的設備之一，且有大量冷卻需求。為降低成本并改善效能，儲存、記憶、轉(zhuǎn)換和計算等伺服器功能現(xiàn)在經(jīng)分流個別運作。分解式伺服器(DisaggregatedServer)有幾個降低成本特點。

　　一是針對中央處理器(CPU)等設備的區(qū)域性冷卻功能，協(xié)助減少冷卻成本。另一個則是不須替換整套伺服器的升級方式。舉例來說，在不須調(diào)整記憶體或計算能力的前提下改善儲存能力。

　　思科、英特爾、微軟以及戴爾(Dell)等市場領導廠商皆推出模組化伺服器。此外，由Facebook主導的開放運算計畫(OpenComputeProject)也以模組化伺服器為主軸。英特爾更將此架構延伸，發(fā)展出供此應用裝置使用的高頻寬矽光學互聯(lián)技術，而如此高速、低延遲、低成本的互聯(lián)技術將有助于分解式伺服器達到理想成果。

　　資訊中心內(nèi)部連結(jié)面臨壓力

　　除資訊中心之間需要更多且更高頻寬的連結(jié)，終端客戶連線以及資訊中心后端營運也有此需求。不過，連接資訊中心的光纖通常量少價昂，因而需要高頻寬連線能力，以及足夠的傳輸頻譜。

　　資訊中心后端營運需要高頻寬連結(jié)，以支援備分和負載平衡等處理大量資料的程序。資訊中心與其中伺服器被視為一整套資源，高頻寬、低延遲的連結(jié)可以幫助資訊中心的網(wǎng)路使用者透過以地域區(qū)分的不同單位使用資源。

　　資訊中心加速邁向100G網(wǎng)路

　　資訊中心下一階段的資料速率朝100G前進，且所有距離都會受到影響。在此資料速率之下，光學技術最為適合10公尺以上距離。100G-meters以下的頻寬/距離產(chǎn)品(Bandwidth/DistanceProduct)通常采用銅導線。有鑒于今日100G是透過十組通道，每組以10G傳輸，預計銅導線將會在小于10公尺的連線長度被大量使用。

　　短距互連

　　少于1公里的短距互連通常由多模光纖支援，并采用垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)技術。其光纖輸出相當特別，與半導體晶片垂直，此特性在晶片階段就能完成測試，因而能協(xié)助降低成本。其他雷射器采邊緣發(fā)射，使半導體晶片在進行光學測試前，就先行分配到各個雷射器上。

　　VCSEL耗能低，可在雷射光與晶片垂直情況下大量輸出，也能在平面陣列上產(chǎn)出。

　　在支援短距傳輸?shù)募夹g中，距離是唯一限制。頻寬/距離產(chǎn)品(Bandwidth/DistanceProduct)是固定不變的，因此隨著資料速率提升，距離也會跟著縮短。IEEE標準(10GBase-SR)在10G的傳輸距離是220公尺，但收發(fā)器供應商已將其增至300公尺及400公尺。IEEE100G標準(100GBase-SR4)距離則是100公尺。供應商可能還會研發(fā)出支援數(shù)百公尺的產(chǎn)品。

　　當資料速率增加時，雷射設計、測試以及可靠性是短距傳輸面臨的其他挑戰(zhàn)。這些雷射直接接受調(diào)變，并在每次資料速率提升時經(jīng)過重新設計。

　　中、長距離互連

　　中、長距離的傳輸使用單模光纖。資訊中心日益擴大，目前趨勢是使用更多單模光纖，不過因收發(fā)器要價較多模光纖高，使用單模光纖的互連成本也因此居高不下。

　　雷射是收發(fā)器和封裝中較為高價的設備，將雷射機連接到光纖更是最為昂貴的程序之一，資料透過直接調(diào)變、內(nèi)部調(diào)變機或獨立于光源的調(diào)變機進行編碼。

　　中傳輸距離通常由單一波長支援，透過增加資料速率達到更高頻寬。

　　在40G及100G中，市場轉(zhuǎn)而使用復合單模光纖的多波長雷射，以達到理想傳輸資料速率。波長分波多工(WDM)是傳統(tǒng)長距傳輸?shù)募夹g，現(xiàn)在也加入中傳輸距離的陣營。有了WDM的加持，收發(fā)器的尺寸和成本上升速度比預期還快，須要進行光電整合以調(diào)降成本、尺寸以及耗能。

　　長距傳輸使用WDM，利用單模可調(diào)連續(xù)波雷射，資料則利用調(diào)變器編碼。此時，因有大量資料傳輸，成本不再是主要考量，而是效能，成本就分散在諸多應用裝置與使用者之中。

　　對10G的資料速率來說，傳輸是連續(xù)不斷的，此外還包括在單一波長使用的振幅調(diào)變。然而對短、中、長程傳輸而言，100G是不小挑戰(zhàn)，亟需新技術和方法。以下是其中問題和解決方案。

　　克服多通道100G設計硅光子學應用潛力看俏

　　短距需要多模光纖色帶，頻寬藉此透過各傳輸25G的四組雷射達成;同樣地，當使用多模光纖時，距離會限制在100公尺內(nèi)。供應商將過去為10G訂定的標準向前推進，預計他們也將如法炮制，將光學技術推進到100公尺以上。

　　但即使廠商能提供支援此距離的收發(fā)器，在10G能達成的300公尺到400公尺距離，在100G或許仍顯不足。有鑒于此，Google和亞馬遜(Amazon)等ICP正在研發(fā)更大的資訊中心，更尋求能夠支援500公尺到2公里的解決方案。

　　新的互連方式包括平行單模，或是初級波長多工器(CWDM)以及單模光纖的使用。每種方案都需要多通道的數(shù)據(jù)傳輸以及單模光纖的使用，也需要光電整合以達到功率消耗和前板密度需求。磷化銦和硅光子學皆為理想解決方案。

　　硅光子學研發(fā)者偏好使用平行單模方式，使用一條雷射，并將其能量分成四份。調(diào)變器能獨立編碼資料，并在數(shù)千公尺的距離傳輸。單雷射的作法應較使用四組雷射的方式便宜，但平行單模的成本包含了光纖色帶以及單模陣列組合，這些都比使用單光纖的成本來得高。

　　平行單模被做為主動光纖纜線使用，制造商得以藉此控制光纖連結(jié)終端，帶來更低成本的產(chǎn)品。要特別注意的是，采用磷化銦也可達成類似結(jié)構，但目前尚未出現(xiàn)這樣的設計。

　　使用初級波長多工器需要四組雷射多路傳輸進入單模光纖。此解決方案的成本對需要幾十公尺的應用設備來說，也許過高，但對于數(shù)百公尺的中距傳輸卻相當管用。

　　中距傳輸(1公里至40公里)同樣也在100G碰到挑戰(zhàn)，此規(guī)格需要四組波長以提供頻寬。市場期望使用40GQSFP28等相同封裝形式的產(chǎn)品，但廠商發(fā)現(xiàn)，在此封裝形式下，要整合元件并傳輸長距(10公里)并非易事。目前，索爾思光電(SourcePhotonics)已成功在此封裝形式下示范10公里的效能，其余供應商則提供達2公里的解決方案。

　　長距傳輸(大于40公里)使用相位調(diào)變(PhaseModulation)以及同調(diào)接收器。發(fā)射器中使用四種調(diào)變器，而接收器則需要波導管、高速類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)，以及數(shù)位訊號處理器(DSP)。發(fā)射器和接收器都需要高度整合才能在小封裝下，以低成本提供需要的效能。

　　100G資料速率刺激對獨立于傳輸距離的光電整合需求。整合能減少介面、封包，以及互連數(shù)，對于縮減產(chǎn)品尺寸、增加可靠度、降低成本、減少耗能方面也有極大影響力。

　　光電整合可說是專為支援100G需求所設計。以光電整合見長的市場領導者英飛朗(Infinera)為例，其已成功研發(fā)出在每個磷化銦晶片上支援多重10G和100G的產(chǎn)品，且目前推出的產(chǎn)品皆是使用數(shù)百光纖功能整合的晶片，以能在每個晶片達成傳輸以及接收500G的效果。

　　雖然磷化銦在雷射、接收光纖路徑，以及電路功能方面是很理想的材料系統(tǒng)，但還是有其挑戰(zhàn)與限制。舉例來說，其晶片的小尺寸(50毫米到75毫米)限制了每個晶片可以制造的裝置數(shù)量。此外，相較于其他材料系統(tǒng)，磷化銦十分脆弱，在處理過程中很容易破壞，因此需要特別小心，也須配合相關封裝技術。

　　硅低成本及整合能力受到矚目

　　電子業(yè)在過去50年已開始將矽作為光電整合的材料系統(tǒng)。摩爾定律成功預測到每18個月每一晶片容納的電晶體數(shù)量就會增加一倍，這數(shù)字代表計算能力的提升。光子學希望能利用矽基設備及程序來提高整合程度并降低成本。

　　硅光子學研究和研發(fā)在過去10年已有可觀進展，并展示出許多光學設備。目前面臨的最大挑戰(zhàn)是矽基光源。已有許多將磷化銦為主的雷射與矽整合的方法，使得這項技術擴大商轉(zhuǎn)。

　　下一階段資訊中心互聯(lián)資料速率是400G。硅光子學預計會在400G網(wǎng)路扮演要角，因為其整合和可延展性是此解決方案的關鍵元素。硅光子學允許三項要素：資料速率、波長分波多工技術、立體陣列。

　　有鑒于多雷射、多調(diào)節(jié)器、高速電子工業(yè)的需求日益增加，針對以上條件進行高階整合已是必然趨勢。使電子設備盡可能接近雷射有助降低耗能，將能避免假無線電頻率影響效能。多雷射線和調(diào)變器的整合能與硅光子學技術完美配合，但400G則需要更高度整合，相較于100G帶來更多挑戰(zhàn)。硅光子學已準備好支援400G市場，以上技術皆能合作完成這項創(chuàng)舉。