OptiNet2018 | 飛昂通訊毛蔚：混合集成是光電芯片未來方向 產(chǎn)業(yè)需攜手破題

  ICCSZ訊（編輯：Aiur） 6月14日，在光通訊領(lǐng)域享有重要影響力的OptiNet2018光器件專題會(huì)議在北京圓滿舉辦。會(huì)上，中國高速光互連收發(fā)芯片的領(lǐng)軍企業(yè)，飛昂通訊科技南通有限公司(WINGCOMM，簡(jiǎn)稱飛昂通訊)作為國內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)25G/100G高速光互連收發(fā)芯片的企業(yè)，備受與會(huì)專家和企業(yè)的關(guān)注。飛昂通訊CTO毛蔚博士為大會(huì)作了主題為《100G/400G 中國芯的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》的演講報(bào)告，向近200名業(yè)界人士介紹光通訊速率升級(jí)情況和光電芯片的工藝發(fā)展。

飛昂通訊CTO毛蔚博士

  眾所周知，光通訊分為兩個(gè)部分，一個(gè)是以中短距離傳輸和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)為特點(diǎn)的光互聯(lián)，另一個(gè)是以長距離和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)為特點(diǎn)的光傳輸。

  在光通訊人士孜孜追求的速率升級(jí)過程中，速率周期越來越短，從過去10G部署到25G部署用近15年時(shí)間實(shí)現(xiàn)，但25G部署到50G、甚至100G部署會(huì)加速升級(jí)。過去10G/40G光模塊芯片有PD、LD、TIA和LDD，采用NRZ調(diào)制，25G/100G光模塊芯片增加了CDR以滿足信號(hào)完整性，并沿用了NRZ調(diào)制。100G/400G高速時(shí)代，受制于光器件帶寬，除了PAM4調(diào)制已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí)，DSP的在電路部分的可行性以及III-V與SiPho兩種半導(dǎo)體材料的較量，成為困擾當(dāng)前行業(yè)的主要難題。

  CMOS VS SiGe 和III-V vs硅光的爭(zhēng)議

  毛博士認(rèn)為，10G向25G升級(jí)對(duì)信號(hào)完整性有更為嚴(yán)苛的要求，業(yè)界在光模塊中添加CDR來確保信號(hào)完整，也讓電路更加復(fù)雜。當(dāng)速率發(fā)展到50G，在400G產(chǎn)品中電路是否采用DSP還有很大的爭(zhēng)議，光路部分是沿用III-V族還是硅光也是一大爭(zhēng)論。400G使用DSP主要是因?yàn)槠涔δ軓?qiáng)大，把模擬轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后再處理數(shù)字信號(hào)，缺點(diǎn)是功耗很高。DSP使用16nm甚至7nmCMOS工藝制作，這種工藝適合對(duì)成本敏感的海量市場(chǎng)，如CPU、GPU、AP、FPGA等，可以通過攤薄降低成本。

  CMOS為表面器件，性能上會(huì)受制于Surface Roughness，產(chǎn)生噪音較大影響靈敏度。關(guān)鍵一點(diǎn)，CMOS線性度低，不利于PAM4電路，而功耗方面則因?yàn)榈虶m，為實(shí)現(xiàn)高線性增益需要消耗更大功耗。光模塊中傳統(tǒng)的TIA和LDD電路均采用SiGe工藝，這種工藝更適用于模擬信號(hào)。CMOS是12寸晶圓，適合海量的市場(chǎng)，可通過后期攤薄降低成本，但光模塊僅僅是個(gè)數(shù)百萬規(guī)模量的市場(chǎng)，攤薄能力較差，而SiGe是8寸晶圓，在成本上更適合于光模塊的開發(fā)。綜合考慮器件帶寬和成本因素，SiGe的性價(jià)比在130nm之后就超過了CMOS。

  硅光大熱下混合集成會(huì)是未來主流

  硅光是目前火熱的話題，硅光器件可分為有源器件和無源器件，有源器件包括探測(cè)器、激光器和調(diào)制器，而毛博士介紹了飛昂公司在調(diào)制器和探測(cè)器方面的設(shè)計(jì)和理解。調(diào)制器經(jīng)典做法是使用P/N MZI通過調(diào)制波導(dǎo)改變相位，兩束光經(jīng)過不同的相位后進(jìn)行相干就能得到不同幅度的調(diào)制。這種調(diào)制器的組成，先把光通過1：2的MMI分光成2路，通過兩路不同的相位差，再到2：1的MMI合到一起相干，這個(gè)調(diào)制器工藝在晶圓廠已經(jīng)比較成熟。探測(cè)器采用PIN，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且性能出色，但需要Ge，而非純Si工藝。

  無源器件包括MMI、AWG、delay、光柵、resonator，coupler和各種光波導(dǎo)等，這些器件形成一個(gè)完整的光路。由于物理限制，硅無法取代III-V族制作激光器，在光耦合方面總體有三種方法，一是bonded hybrid laser，直接將III-V族激光器嫁接到晶圓上，這對(duì)工藝有很高要求;二是Attached laser，把激光Attached到晶圓的同時(shí)對(duì)準(zhǔn)波導(dǎo)。三是Off-chip laser通過一根光纖，光纖放在晶圓上的一個(gè)V槽里，對(duì)準(zhǔn)波導(dǎo)。毛博士表示，硅光耦合還有很多問題需要探索，例如如何最小化其損耗，如何解決光在TE和TM之間的轉(zhuǎn)換，如何實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)測(cè)試。

  飛昂公司認(rèn)為Fusion(混合集成)會(huì)是未來主流，硅光和集成電路將混合集成在一塊芯片上。毛博士介紹了當(dāng)前混合集成的難題，首先電芯片使用的是BULK襯底，而硅光使用SOI襯底，由于SOI是是一種絕緣體，兩者要放在一起的話，等于是要在SOI上既做光路也要做電路，這方面的難點(diǎn)在于SOI襯底是否對(duì)電路足夠友好。其次，現(xiàn)在光路設(shè)計(jì)有一套方法，電路設(shè)計(jì)也有一套方法，光電混合的co-design需要EDA支持。再次，因?yàn)楣饴贩浅Ｕ加妹娣e，而光和電對(duì)工藝的先進(jìn)性要求不一致，怎么做性能跟成本之間的權(quán)衡，需要業(yè)界繼續(xù)探索。

  100G/400G中國芯機(jī)會(huì) 產(chǎn)業(yè)需上下齊心

  飛昂通訊目前實(shí)現(xiàn)了25G/100G光互聯(lián)芯片的國產(chǎn)化，公司25G/100G產(chǎn)品采用100% IN-HOUSE測(cè)試，每一個(gè)DIE都是全速度的光電結(jié)合測(cè)試。100G/400G中國芯機(jī)會(huì)方面，毛博士認(rèn)為行業(yè)首先應(yīng)該關(guān)注高端細(xì)分領(lǐng)域，根據(jù)木桶原理，一個(gè)木桶最大水量由最短板決定，中國有很好的ASIC開發(fā)能力，但在高速模擬這塊做得還不好，特種工藝則更為欠缺。其次，要聆聽客戶，了解市場(chǎng)需要的東西，而不是盲目追求一些熱點(diǎn)。第三，墨菲定律跟摩爾定律一樣重要，質(zhì)量是首位，成敗在于細(xì)節(jié)。第四，行業(yè)要增強(qiáng)上下游合作，有助對(duì)早期產(chǎn)品開發(fā)適應(yīng)于市場(chǎng)的需求，尤其是定制化產(chǎn)品的開發(fā)。

  以前的高端芯片是國外設(shè)計(jì)、國外制造，現(xiàn)在中國處在自主設(shè)計(jì)、國外制造階段，毛博士期待未來能實(shí)現(xiàn)中國設(shè)計(jì)中國制造，在“家門口”流片，這需要大家攜手共進(jìn)，迎難而上。