技術論文：數(shù)據(jù)中心光模塊技術及演進

  1 數(shù)據(jù)中心光模塊技術創(chuàng)新點

  作為數(shù)據(jù)存儲和計算的中心，數(shù)據(jù)中心在各個時期承載的主要功能有所差異。自2000年以來，全球數(shù)據(jù)中心從計算中心發(fā)展到信息中心，再發(fā)展至云計算中心，目前正向算力中心演變。

  1.1 算力時代下低功耗成為技術創(chuàng)新點

  算力需求提升帶動網(wǎng)絡帶寬成倍增加，數(shù)據(jù)中心能耗呈指數(shù)型增長。設備廠商 Cisco 的數(shù)據(jù)顯示[1] ，2010—2022 年全球數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡交換帶寬提升了80倍，背后的代價是交換芯片功耗增加約8倍，光模塊功耗增加26倍，交換芯片串行器/解串器（SerDes）功耗增加25倍。

  如何解決功耗問題成為下一代高速光互聯(lián)應用的最大挑戰(zhàn)。液冷技術成為數(shù)據(jù)中心突破節(jié)能瓶頸最有效的方式。液冷光模塊是未來技術的一個亮點。

  在光模塊降耗的發(fā)展趨勢下，行業(yè)圍繞驅動器、調制器、激光器及電接口4個方面降低功耗。在驅動器方面，如果采用線性驅動可插撥光模塊（LPO）技術路線，則可在數(shù)據(jù)鏈路中只使用線性模擬元件，無需數(shù)字信號處理 （DSP）或者時鐘數(shù)據(jù)恢復 （CDR） 芯片，從而降低 DSP/CDR 產(chǎn)生的功耗。在調制器方面，薄膜鈮酸鋰基于自身較低的半波電壓，所需要的驅動電壓更小，從而具備優(yōu)越的低功耗特性，成為產(chǎn)業(yè)界嘗試解決調制器功耗問題的重要途徑。在激光器方面，提高激光器的電光效率和耦合效率是兩種降低功耗的途徑。在電接口方面，縮短交換芯片和光引擎之間的連接長度，采用諸如近封裝光學 （NPO） 和共封裝光學 （CPO） 之類的超密集封裝，可實現(xiàn)更高密度的高速端口，提升整機的帶寬密度。而NPO/CPO背后的技術，即硅光技術，是以光子和電子為信息載體的硅基光電子大規(guī)模集成技術。

  1.2 算力時代下高帶寬需求是技術原動力

  數(shù)據(jù)中心設備之間的連接由高速光接口提供，并且根據(jù)連接距離不同分為短距離 （SR）、DR （指500 m距離）、遠距離（FR）、長距離（LR）等規(guī)格，不同傳輸距離采用的技術方案也會有所不同。高速光接口的速率發(fā)展與數(shù)據(jù)中心的交換機容量以及SerDes技術的發(fā)展息息相關。交換機容量每 2 年翻一番，預計 2030 年會出現(xiàn) 400 Tbit/s 交換容量，單端口速率需要增長到3.2 Tbit/s。根據(jù)接收技術的不同，光連接技術可以分為直檢檢測技術和相干檢測技術。直檢檢測技術由于成本低、功耗低，在 800GE之前，為數(shù)據(jù)中心高速光接口的主要技術。隨著速率的提升，直檢檢測技術受到色散、四波混頻等問題的影響，傳輸距離下降，使得相干技術下沉到數(shù)據(jù)中心成為可能。在 800GE 時代，IEEE 802.3dj 針對 10 km 場景將定義相干和直檢兩條技術路徑。但相干技術面臨功耗高、成本高的挑戰(zhàn)。未來 3.2T 時代，直檢技術和相干技術將同時存在。直檢檢測技術在 3.2T 時代仍是主力技術路徑之一。在單通道速率持續(xù)提升的同時，通過增加光纖或者波分復用技術來增加并行路數(shù)的方法也將持續(xù)發(fā)展。800GE 時代不僅使用單通道 100G技術，還使用了單通道200G的技術。3.2T時代將會依托單通道200G技術進行多路復用，當然也可能會發(fā)展單通道400G的技術。

  2 光模塊新技術演進路徑

  算力時代對光模塊有著低功耗、高帶寬的需求。目前業(yè)界技術演進方向如下：

  1） 液冷光模塊。冷板式液冷系統(tǒng)中的冷卻液不與發(fā)熱電子部件直接接觸，所以目前常規(guī)光模塊在冷板式液冷系統(tǒng)中應用時，一般無須考慮兼容性問題。浸沒式和噴淋式液冷系統(tǒng)的冷卻液都與散熱器件直接接觸。尤其是浸沒式液冷系統(tǒng)，其直接將散熱器件浸泡在冷卻液里。而常規(guī)光模塊的設計都基于風冷的應用場景，在浸沒或噴淋的液冷環(huán)境下可能出現(xiàn)失效的情況，因此需要針對液冷環(huán)境的應用進行設計并規(guī)范相關技術要求，以保障液冷場景下的數(shù)據(jù)傳輸。

  2） LPO方案。LPO通過線性直驅技術替換傳統(tǒng)的DSP，將功能集成到交換芯片中，只留下驅動芯片 （Driver） 和跨阻放大器（TIA）芯片。LPO光模塊中用到的Driver和TIA芯片性能也有所提升，從而實現(xiàn)更好的線性度。

  3） CPO方案。CPO是指把光引擎和交換芯片共同封裝在一起的光電共封裝，沒有采用可插拔光模塊的形式。這種方式能夠使得電信號在引擎和芯片之間更快地傳輸，縮短了光引擎和交換芯片間的距離，有效減少尺寸、降低功耗、提高效率。

  4）硅光技術。硅光技術是一種基于硅光子學的低成本、高速光通信技術，利用基于硅材料的互補金屬氧化物半導體（CMOS） 微電子工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備。該技術結合了CMOS技術的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗（CPO/LPO架構下）的優(yōu)勢。

  5） 薄膜鈮酸鋰技術。相比于傳統(tǒng)體材料鈮酸鋰，薄膜鈮酸鋰波導可以制作亞微米尺度的光波導，不但提高了器件的集成度，而且大大提高了對光場的限制能力，增強了光場和鈮酸鋰材料的相互作用，因而可以實現(xiàn)超高電光帶寬、超低驅動電壓以及超低光學損耗。該技術有望在電光調制器領域掀起一場革命。

  6） 相干下沉。在數(shù)據(jù)中心本身的范圍內，強度調制直接檢測 （IM-DD） 技術仍然占主導地位。認識到 IM-DD 在滿足不斷發(fā)展的需求方面的局限性，業(yè)界正在探索“相干精簡版”解決方案（一種專門為較短距離的數(shù)據(jù)中心連接而設計的相干技術方案）。

  7）光進光出（OIO）技術。OIO是一種基于芯片的光互連解決方案，與計算芯片（中央處理器、圖形處理器、張量處理器）集成在同一封裝中，旨在實現(xiàn)分布式計算系統(tǒng)中它們之間的無縫通信 （跨板、機架和計算行），其帶寬密度、能源成本和延遲與封裝內的電氣互連相當。具體產(chǎn)品形態(tài)包括板載光學 （OBO）、NPO、CPO及未來可能部署的光電子集成電路 （OEIC）。OIO有望提供百倍以上的通道密度，每個通道可以提供百倍以上的帶寬，很可能成為交換芯片向 100T、200T乃至更高容量演進的必要技術。

  2.1 液冷光模塊

  當數(shù)據(jù)中心中采用浸沒或者噴淋式液冷系統(tǒng)時，板上芯片封裝 （COB） 工藝的光模塊在液體環(huán)境中無法直接使用。在液冷數(shù)據(jù)中心中宜使用蝶形封裝BOX和同軸封裝TO-CAN 兩種氣密性封裝光組件，并進行模塊的整體液密封裝，或者對光電部分 COB 封裝的光模塊進行全塑封設計 （液密封裝），以有效防止液冷環(huán)境中的冷卻液對光模塊光路部分造成干擾。圖1展示了易飛揚液冷光模塊的密封工藝，該工藝主要通過納米涂覆和低壓注塑密封實現(xiàn)^[2] 。

  為滿足高性能計算和通信應用需求，提高系統(tǒng)性能、能效、可靠性，液冷光模塊技術還需要在以下方面實現(xiàn)突破：

  1）液冷光模塊的技術要求；

  2）液冷光模塊的封裝方式和密封性技術；

  3） 液冷光模塊的液冷測試環(huán)境和可靠性測試環(huán)境的配置、搭建以及對應測試方法；

  4）液冷光模塊的運維管理相關技術；

  5）液冷光模塊的布線連接技術。

  目前，市場上已經(jīng)有多個廠家發(fā)布液冷光模塊產(chǎn)品。易飛揚發(fā)布了支持浸沒式或者噴淋式液冷散熱方案的液冷光模塊，涵蓋 25 Gbit/s、100 Gbit/s 和 200 Gbit/s 速率；海光芯創(chuàng)也演示了自 研的200G QSFP56 SR4液冷光模塊；光迅科技已經(jīng)可以提供全套的液冷光模塊產(chǎn)品，目前已經(jīng)批量交付100 Gbit/s 液冷光模塊；海信寬帶的 25G Pigtail-SFP28 封裝液冷光模塊于 2023 年已批量生產(chǎn)。另外，華工正源、中天科技也在進行液冷光模塊的研究。

  2.2 LPO方案

  雖然 DSP 具有數(shù)字時鐘恢復功能和色散補償功能，能夠以較低的誤碼率實現(xiàn)信號恢復，但它也帶來了較高的功耗和成本開銷。例如，在400G光模塊中用到的 7 nm DSP，其功耗約為 4 W，占到了整個模塊功耗的 50% 左右。從成本的角度來看，400G光模塊中，DSP 的物料清單 （BOM） 成 本 約 占 20%～40%。 為 了 降 低功耗和成本，并滿足高速、高密度光通信連接，以及光網(wǎng)絡靈活性和可升級性的需求，LPO應運而生。LPO方案不采用DSP/CDR芯片，而是將相關功能集成到設備側的交換芯片中。如圖2所示，該光模塊只留下了線性度較高的Driver和TIA，并分別集成連續(xù)時間線性均衡 （CTLE） 和均衡 （EQ） 功能，用于對高速信號進行一定程度的補償^[3] 。

  LPO具有突出的優(yōu)勢：低功耗、低成本、低延時、易維護。具體表現(xiàn)在：

  1） 低功耗。去掉DSP后，光模塊功耗大幅度下降。相比于可插拔光模塊，LPO的功耗下降約50%，這與CPO的功耗接近。Arista采用Linear-Drive，使硅光、垂直腔面發(fā)射激光器 （VCSEL）、薄膜鈮酸鋰不同光學方案的功耗均下降 40%左右。

  2） 低成本。DSP 的 BOM 成本約占 20%～40%。去除 DSP后，雖然Driver和TIA集成了EQ，局部成本略有增加，但整體成本還是下降的。以800G光模塊為例，使用LPO系統(tǒng)可以使總成本下降大約8%。

  3）低延時。去除DSP會使得光模塊減少一個處理過程，數(shù)據(jù)的傳輸時延也隨之下降。這對人工智能（AI）計算和超級計算場景來說尤為重要。

  4） 易維護。在LPO方案中，光模塊的封裝形式?jīng)]有顯著改變，采用可插拔設計，這樣方便插入和拔出光學模塊，使得光學連接更加靈活便捷。這種設計簡化了光纖布線和設備維護，提高了系統(tǒng)的可管理性和可維護性。

  然而，當前LPO仍存在兩大缺點：

  1） 通信距離短，應用場景受限制。去除DSP后會導致

  系統(tǒng)的誤碼率提升，進而導致傳輸距離變短。 2） 標準化剛起步，互聯(lián)互通存在挑戰(zhàn)。目前由于交換機廠商不傾向于改動交換機，因此光模塊需要適應各個通路之間不同的情況。這里我們給出全球主要企業(yè)的LPO部署進度：英偉達披露了在其內部人工智能集群中部署LPO 的計劃，將在2024 年量產(chǎn) LPO 光模塊；Meta 公司預計在 2024 年上半年導入 LPO 技 術；Arista 公 司 在 2023 年 光 纖 通 信 會 議 和 展 覽 會（OFC 2023） 上首次展示了有關降低LPO功耗的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡研討會上分享了他們在 LPO 方面的最新研究結果；新易盛、劍橋科技等已發(fā)布相關產(chǎn)品；海信寬帶已推出800G線性互聯(lián)光纜。

  2.3 CPO方案

  CPO是在成本、功耗、集成度各個維度上優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的光電封裝方案。如圖3所示，CPO將光模塊不斷向交換芯片 （ASIC 芯片） 靠近，縮短芯片和模塊之間的走線距離，最終將光引擎和電交換芯片封裝成一個芯片[4] 。在理想情況下，CPO可以逐步取代傳統(tǒng)的可插拔光模塊，將硅光子模塊和超大規(guī)模CMOS芯片以更緊密的形式封裝在一起，從而使系統(tǒng)成本、功耗和尺寸都得到進一步優(yōu)化。如圖 4 所示[5] ，按照物理結構分類，CPO 可分為 3 種技術形態(tài)：2D 平面 CPO、2.5D CPO和3D CPO。

  1）2D 封裝的CPO技術

  基于2D封裝的CPO技術是將光子集成電路PIC和集成電路并排放置在基板或PCB上，通過引線或基板布線實現(xiàn)互連。2D封裝的優(yōu)點是易于封裝、靈活性高。電子集成電路 EIC和光子集成電路PIC都可以使用不同的材料、不同的工藝單獨制作。根據(jù)芯片和基板互連方式不同，基于2D封裝的技術發(fā)展出了基于引線鍵合的CPO、基于倒裝的CPO、基于扇出型晶圓級封裝技術的CPO 3種技術路徑。

  2）基于2.5D封裝的CPO技術 2.5D 封 裝 將 EIC 和 PIC 均 倒 裝 在 中 介 層 （Interposer）上。通過中介層上的金屬互連PIC和EIC，中介層與下方的封裝基板或PCB板相連。根據(jù)所用轉接板的材料不同，基于 2.5D封裝的技術發(fā)展出了基于玻璃轉接板的CPO、基于硅轉接板的CPO和基于嵌入式多芯片互連橋接3種技術路線。 3）基于3D封裝的CPO技術

  3D封裝技術將光電芯片進行垂直互連，可以不僅能實現(xiàn)更短的互連距離、更高的互連密度和更好的高頻性能，還能實現(xiàn)更低的功耗、更高的集成度和更緊湊的封裝?；? 3D封裝的CPO技術是目前CPO技術研究的熱點。

  CPO技術將增加先進封裝工藝需求。如圖5所示，目前封裝工藝是限制CPO技術發(fā)展的主要因素。CPO技術在封裝過程中會用到硅穿孔 （TSV）、凸點 （Bumping） 和重布線（RDL）等先進封裝技術[6] ，對傳統(tǒng)光模塊封裝廠商提出新的挑戰(zhàn)。

  CPO目前處于產(chǎn)業(yè)化初期，在工藝、仿真以及測試等方面仍面臨很多挑戰(zhàn)。封裝工藝能力是制約CPO 發(fā)展的重要因素，涉及TSV、RDL等多種先進復雜的封裝技術。每一種封裝技術都有利弊，因此我們需要不斷探尋最可靠的方案。散熱問題對于CPO來說是一個重大挑戰(zhàn)。CPO中放置光器件和電器件的空間十分有限，并且光器件對熱特別敏感。CPO 標準工作組做的模擬仿真表明，在風速5 m/s的條件下，當采用 16 個的 CPO 模塊和 1 個開關芯片模型設計時，開關芯片的溫度達到 151.76 ℃，幾乎無法正常工作。主流的熱可插拔模塊維修簡單，但作為不可插拔的CPO 封裝技術維修難度較高，因此測試、良率以及可靠性問題成為CPO 產(chǎn)業(yè)化的關鍵。由于光芯片是直接與電芯片通過先進封裝工藝封裝在一起的，如果某顆芯片發(fā)生了損壞，整個模塊就無法正常工作。這不僅使良率下降，也給測試帶來了諸多困難。 CPO光學器件的通道密度與以往任何子組件不同，這意味著現(xiàn)有的測試解決方案需要改進。

  CPO的發(fā)展需要產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同推進，這將考驗光模塊/光引擎廠商的長期綜合實力。如圖6所示，CPO的技術路線優(yōu)化本質上是對整個網(wǎng)絡架構的優(yōu)化[5] ，需要數(shù)據(jù)中心整體產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同推進。其中，在現(xiàn)有光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的基礎上，有些環(huán)節(jié)還需要交換芯片及設備廠商、各元器件廠商共同參與。因此CPO的發(fā)展本質上是對光模塊/光引擎廠商綜合實力的長期考驗。

  2020年以來，CPO逐漸從學術研究成果轉變?yōu)槭袌鲂枨螽a(chǎn)品。如表 1 所示，博通、Cisco、Marvell等行業(yè)內龍頭企業(yè)均已推出多款基于CPO樣品，其他企業(yè)也在積極地布局相關產(chǎn)品，并推進CPO技術標準化。云服務廠商 Facebook 和 Microsoft 創(chuàng)建了CPO聯(lián)盟，旨在打造一個平臺，以吸引各細分行業(yè)龍頭企業(yè)加入聯(lián)盟，推動CPO 標準的建立和產(chǎn)品的發(fā)展。中國企業(yè)則普遍較晚進入CPO領域，在產(chǎn)品開發(fā)進度及技術研究方面存在明顯的差距。中國計算機互連技術聯(lián)盟 （CCITA） 牽頭的 CPO 標準是當前中國唯一原生的 CPO 技術標準。該標準旨在結合目前全球光互連技術發(fā)展，聯(lián)合中國光模塊、光收發(fā)芯片、電驅動放大芯片、光源、連接器等廠商，共同打造更加適合中國的 CPO 標準。光迅科技、中際旭創(chuàng)、華工科技等都已開始涉足光電共封領域，但由于起步較晚，目前還沒有CPO相關的產(chǎn)品推向市場。

  2.4 硅光技術

  相對于傳統(tǒng)光模塊，硅光模塊在高速率領域具有高集成度、低成本、低功耗的顯著優(yōu)勢。硅是用量最大的半導體晶圓材料，具有低成本和加工工藝成熟的優(yōu)勢。硅光基于硅和硅基襯底材料，通過 CMOS 工藝進行光器件開發(fā)和集成。硅光模塊產(chǎn)生的核心理念是以光代電，即利用激光束代替電子信號進行數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)光模塊采用分立式結構，制造過程中需要依次封裝電芯片、光芯片、透鏡、對準組件、光纖端面等器件，部件物料多。如圖7所示，硅光模塊將激光器、調制器、探測器等光/ 電芯片都集成在硅光芯片上。傳統(tǒng)器件中的透鏡和大型組件都被取代，陶瓷、銅等材料用量大幅降低，晶圓、硅光芯片等電子材料占比上升。光模塊價值向硅光芯片、硅光引擎轉移。傳統(tǒng)光模塊制造過程中封裝工序較為復雜，需要投入較多人工成本，而硅光芯片高度集成，組件與人工成本也相對減低，對下游封裝廠或制造商的要求也會降低。

  硅光技術的發(fā)展可以分為4個階段。第1階段，硅基器件逐步取代分立元器件，即將硅作為光通信底層器件，并達到工藝的標準化水平。第2階段，集成技術從耦合集成向單片集成演進，實現(xiàn)部分集成，再通過不同器件的組合，把這些器件集成不同的芯片。第3階段，光電一體技術融合，實現(xiàn)光電全集成化。把光和電都集成起來，可實現(xiàn)更加復雜的功能。第4階段，硅光技術實現(xiàn)可編程芯片。這一階段器件能夠分解為多個硅單元排列組合，局針化表征類。該種通過編程來改變內部結構的芯片，可自定義全功能。目前硅光技術已經(jīng)發(fā)展到了第2個階段。硅光子核心器件主要是以硅半導體材料的光有源及無源器件：硅基激光器（負責將電信號轉化成光信號）、硅基光調制器 （負責將光信號帶寬提升）、硅基光探測器 （負責將光信號轉化成電信號）、光波導 （負責光信號在硅基材料上傳輸）、光柵耦合器 （負責與對外連接的光纖對準降低插損）等。

  1） 硅基激光器。硅基激光器指集成在以硅為襯底的光芯 片 上 的 激 光 器。常 用 的 硅 基 激 光 器 按 照 結 構 可 分 為 VCSEL芯片、分布式布拉格反射激光器（DBR）芯片、分布式反饋激光器（DFB） 芯片和電吸收調制激光器（EML） 芯片。制作材料主要以III-V族半導體材料為主。對于III-V族激光器與硅光芯片的耦合，主流設計方案主要有片上倒裝焊集成、異質鍵合集成和直接外延生長集成。異質鍵合集成和直接外延生長集成是未來實現(xiàn)硅光大規(guī)模生產(chǎn)的可行方案。

  2） 硅光調制器。硅光調制器指集成在硅光芯片上的調制器。硅光調制器集成度高、消光比較高、損耗低、驅動電壓小，但線性度差，因此目前業(yè)界多使用混合集成調制器。通過異質鍵合、外延等技術，將成熟的鈮酸鋰調制器、lnP 調制器等集成到硅基上，可實現(xiàn)微米級大小，調制效率為全硅調制器的5倍以上。

  3） 硅基光探測器。光電探測器將接收的光信號轉變?yōu)殡娦盘?。由于硅?.1 μm以上的光波透明，單體硅無法制作探測器。目前集成在硅基片上的高頻探測器主要有混合集成III-V族和硅鍺混合探測器。前者耦合效率高、靈敏度高、響應快；后者性能優(yōu)越，器件制備技術與CMOS工藝兼容，更適合大規(guī)模集成，是目前的主流方案。

  就硅光技術在通信設備中的具體應用而言，目前除了激光器外，光模塊中大部分器件的制造都已實現(xiàn)，典型的如光波導、外調制器件、雪崩光電二極管（APD）接收器等。不過由于硅光技術產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，業(yè)內并未形成權威的行業(yè)規(guī)范與技術標準，各主流廠商采用硅光技術設計生產(chǎn)元器件時采用的技術路線不盡相同，因此最終的技術方案還有待優(yōu)化完善。如圖8所示，從工藝角度來看，硅光可以分成單片集成和混合集成。目前混合集成使用較廣，但是單片集成性能更優(yōu)，是未來發(fā)展趨勢。單片集成是指將光子學組件直接集成到同一塊硅芯片上，包括光源、光調制器、波導、耦合器等光學元件，從而形成一個緊湊的光學電路。單片集成方式的優(yōu)勢在于可以減小尺寸，提高集成度，降低制造成本。混合集成是指將硅芯片與其他材料的光學組件結合在一起，即將電子器件 （硅鍺、CMOS、射頻等）、光子器件 （激光/探測器、光開關、調制解調器等）、光波導回路集成在一個硅芯片上。其中，硅芯片主要負責電子部分的處理，而其他材料的光學元件則負責光的生成和調制?；旌霞傻膬?yōu)勢在于可以利用硅芯片的電子器件和其他材料的優(yōu)異光學特性，實現(xiàn)更高效的光通信和傳感應用。

目前來看，光器件如波分復用器、變換調諧器等已經(jīng)可以實現(xiàn)單芯片集成，而光模塊尚需要混合集成。雖然硅光集成技術具有巨大的市場前景，但目前仍然面臨諸多挑戰(zhàn)：

  1） 硅光器件性能問題。目前的硅光技術已可以替代很多傳統(tǒng)的光器件，但是還有一些需要克服的技術難題，比如：如何減少硅波導的損耗，如何實現(xiàn)波導與光纖的有效耦合，如何克服溫度對于功率和波長穩(wěn)定性的影響等。這些技術難題會影響到硅光技術的普及以及在數(shù)據(jù)中心場景中的應用。

  2）測試流程復雜。與常規(guī)的大規(guī)模集成電路芯片不同，光電芯片本身成本高、制造流程多、工藝復雜、廢品率高，因此需要先在晶圓上進行測試和篩選，然后再和其他電芯片進行集成，以避免后期由殘次芯片造成的不必要的封裝成本。

 3） 標準化方案缺乏。硅光芯片在各個環(huán)節(jié)都缺少標準化方案，例如：設計環(huán)節(jié)需要使用專用的EDA工具，制造與封裝環(huán)節(jié)缺乏提供硅光工藝晶圓代工服務的廠家。這使得硅光技術大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化變得更加困難。

  硅光技術主要布局公司如表2所示。當前，臺積電計劃攜手博通、英偉達等共同開發(fā)硅光子技術、共同封裝光學元件等新產(chǎn)品。制程技術從45 nm延伸到7 nm。臺積電已組建一支由約200名專家組成的研發(fā)團隊，專注于利用硅光子技術開發(fā)未來芯片。

 2.5 薄膜鈮酸鋰技術

  電光調制器是超高速數(shù)據(jù)中心和相干光傳輸?shù)暮诵墓馄骷?。通過調制將通信設備中的高速電子信號轉化為光信號，電光調制器成為光通信系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)。如表 3 所示，目前光調制的技術主要基于硅光、磷化銦和鈮酸鋰3種材料的電光調制器。其中，鈮酸鋰電光系數(shù)顯著高于磷化銦，而硅沒有直接電光系數(shù)，因而鈮酸鋰調制器是高帶寬光電信息處理系統(tǒng)中的關鍵器件。傳統(tǒng)鈮酸鋰電光調制器為體材料鈮酸鋰調制器。體材料鈮酸鋰調制器具有帶寬高、穩(wěn)定性好、信噪比高、傳輸損耗小、工藝成熟等優(yōu)點，但在傳輸速率需求不斷提升的形勢下，體材料鈮酸鋰調制器也在一些性能上遭存在瓶頸，而且體積較大，不利于集成。新一代薄膜鈮酸鋰調制器芯片技術將解決這些問題。鈮酸鋰材料具有 “光學硅”之稱。通過最新微納工藝制備出的薄膜鈮酸鋰調制器，具有高性能、小尺寸、可批量化生產(chǎn)且與CMOS工藝兼容等優(yōu)點。

  與磷化銦相比，薄膜鈮酸鋰在長距離/超長距離的產(chǎn)品封裝上具有優(yōu)勢。它可以采用非氣密封裝，從而降低成本，而磷化銦則需要氣密封裝。在性能方面，薄膜鈮酸鋰對比硅光和磷化銦都有明顯優(yōu)勢。鈮酸鋰薄膜調制器利用容性電極和石英襯底，同時實現(xiàn)低微波損耗和光電同步傳輸。容性行波電極不僅可以降低金屬微波損耗，還可以降低微波速率，使光波和微波在調制區(qū)域以相同的速率傳輸，光和電達到完美匹配。如圖 9 所示，當前 800G 主流方案包括 DR8/SR8/ 2FR4 等方案。無論是單模還是多模方案，都使用單通道 100 Gbit/s速率。向單波200/400 Gbit/s速率演進時，薄膜鈮酸鋰的大帶寬優(yōu)勢將更加突出。未來對于成本、功耗、性能等要求會越來越高。薄膜鈮酸鋰調制器憑借功耗、成本、性能等方面的優(yōu)勢，有望迎來快速發(fā)展。

  薄膜鈮酸鋰目前主要面臨兩個方面的挑戰(zhàn)：1） 低成本制備工藝。薄膜鈮酸鋰目前成本較高，而商用后的市場需求與單位成本息息相關。因此，如何解決產(chǎn)業(yè)化后的成本問題是關鍵。2） 鈮酸鋰的晶圓尺寸。目前鈮酸鋰的晶圓尺寸以 4英寸 （1英寸=2.54 cm） 和6英寸為主。8英寸和12英寸能否實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化與后期的成本相關。

  考慮到薄膜鈮酸鋰材料優(yōu)異的性能，如表4所示，當前主要光模塊廠商均已布局鈮酸鋰技術。

  2.6 相干下沉

  相干技術是長距光傳輸采用的技術。由于直檢技術面臨色散、四波混頻等挑戰(zhàn)，傳輸距離不斷縮小。業(yè)界出現(xiàn)了相干技術下沉到數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的發(fā)展趨勢。相干技術傳輸性能好，可以靈活地采用光數(shù)字信號處理 （oDSP） 技術進行色散補償，但是成本和功耗較高。為了降低成本和功耗，許多高校及企業(yè)提出了 Coherent-Lite 的概念，并提出 O 波段相干、灰色（固定波長）激光器和自相干。

  1） O波段相干。目前數(shù)據(jù)中心內部光信號傳輸?shù)牟ㄩL都是O波段，而傳統(tǒng)的相干光通信是C波段。C波段最大的好處是光纖功率損耗最小，所以非常適合長距離的光纖傳輸；但同時C波段的光纖色散比較大，需要用DSP進行色散和各種損傷的補償。而在 O 波段，雖然光纖功率損耗變大了，但好在傳輸距離并不遠，功率衰減不多，所以也不需要光放大器。同時在O波段光纖的色散最小，這樣的話就不需要DSP來補償色散。因此，DSP的功能可以進一步簡化，這使得系統(tǒng)成本和功耗進一步降低。

  2） 灰色 （固定波長） 激光器。由于數(shù)據(jù)中心內部架構不需要在光纖中進行密集的波長傳輸，因此可以使用灰色（固定波長） 激光器。它的使用消除了對波長調諧以及相關控制電路和算法的需求，簡化了實施過程，降低了操作的復雜性。

  3） 自相干。傳統(tǒng)的相干方案是異源相干，本振 （LO）光要求與信號載波頻率相位對齊，而自相干是同源相干，即一根光纖雙向傳輸數(shù)據(jù)，一根光纖雙向傳輸LO，如圖10所示[7] 。這個架構的好處是：不需要使用昂貴的激光器，無溫控熱電制冷器 （TEC），無波鎖，可有效降低模塊成本和功耗。此外，接收機信號不存在頻偏和相噪問題，DSP可以得到進一步簡化。

    隨著傳輸速率提升至800G，相干技術方案在80 km傳輸距離的基礎上將進一步向10 km等更短距離拓展應用。當傳輸速率達到1.6T時，相干會進一步下沉到2 km。IEEE 802.3 正在標準化 800G/1.6T 以太網(wǎng)接口，包括單通道 100G 和 200G 兩路不同傳輸距離的接口。值得一提的是，2023 年， IEEE 802.3dj就800G 10 km應用是采用強度調制和直接檢測（IMDD） 還是采用相干技術進行了激烈討論。最終，IEEE 802.3dj決定為800G 10 km設定兩個項目目標，分別采用不同的技術解決方案?？梢钥吹?，隨著單通道速率的提升，相干技術正在不斷下沉，相關應用場景也在不斷拓展。

  3 結束語

  液冷技術具備超高能效、超高熱密度等優(yōu)點，是解決數(shù)據(jù)中心散熱壓力和節(jié)能挑戰(zhàn)的重要途徑。液冷光模塊是大勢所趨。LPO具有短距離、低功耗、低時延等特性，能夠適配 AI計算中心。由于可以直接應用于目前成熟的光模塊供應鏈，LPO在高線性度TIA/Driver 廠商的大力推動下或可快速落地。CPO方案通過交換機光電共封裝降低成本和功耗，是未來實現(xiàn)高集成度、低功耗、低成本、超高速率模塊應用方面是綜合最優(yōu)的封裝方案。雖然硅光產(chǎn)品的研發(fā)投資和銷售額仍小于III-V族材料，在產(chǎn)品性能、工藝、成本等方面仍面臨一定挑戰(zhàn)，但基于其在成本和功耗方面的優(yōu)勢，硅光技術有望成為未來光器件的主流技術。薄膜鈮酸鋰是超高速數(shù)據(jù)中心和相干光傳輸?shù)暮诵墓馄骷哂懈咝阅?、低成本、小尺寸、可批量生產(chǎn)且與CMOS工藝兼容等優(yōu)點，是未來高速光互連極具競爭力的解決方案。當數(shù)據(jù)中心內部連接的要求超過 1.6T 并走向 3.2T 時，色散損傷和鏈路預算將對直接檢測（IM-DD）解決方案提出更高要求。因此，相干精簡版解決方案有望成為大批量 3.2T 數(shù)據(jù)中心內互聯(lián)應用的有力競爭者。

  參考文獻

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  [6] 卞玲艷, 曾艷萍, 蔡瑩, 等 大數(shù)據(jù)時代光電共封技術的機遇與挑戰(zhàn) [J]. 激光與光電子學進展, 2024, 61(11). DOI：10.3788/LOP231348

  [7] GUI T, WANG X F, TANG M, et al. Real-time demonstration of 600 Gbit/s DP-64QAM selfomodyne coherent bi-direction transmission with uncooled DFB laser [C]//2020 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), 2020, IEEE. DOI: 10.1364/OFC.2020.Th4C.3

  本文作者：張平化 中興光電子 工程師；王會濤 中興光電子 規(guī)劃總工；付志明 中興光電子工程師