北大教授王興軍：硅光市場將迎迅猛發(fā)展，更高集成度是重點

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  10月23日，“燕緣科創(chuàng)”第26期邀請了北京大學教授、博士生導師、電子學系副主任王興軍，分享了《硅基光電子集成芯片 — 光電融合的核心技術(shù)》。

  王興軍，北京大學教授，博士生導師，電子學系副主任，區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室副主任，信息與通信研究所副所長。

  以下是直播分享內(nèi)容概要：

  硅基光電子技術(shù)是利用硅或與硅工藝兼容的其他材料，開發(fā)以光子、電子為載體的微納量級信息功能器件，并將它們在同一硅襯底上大規(guī)模集成，形成一個完整的具有綜合功能的新型芯片單元。

  硅基光電子技術(shù)是實現(xiàn)“光電融合”的最佳方法，早在上個世紀60年代就提出，但受限于硅自身發(fā)光效率低、無法做成光源的致命缺點，一直沒有進展。80年代，美國Soref 教授提出了硅基光電子集成概念，2004年 Intel報道了1Gb/s速率的硅基調(diào)制器，2003年后，逐步的研究中發(fā)現(xiàn)探測器可以用鍺來做，硅基激光源方面用三五族材料來做部分解決了硅本質(zhì)問題，逐步做到了部分集成。

  2016年，Intel最早做出100G硅光收發(fā)器投以商用，之后很多產(chǎn)品以及公司相繼出現(xiàn)?，F(xiàn)在可以做到400G，未來可能做到1T或者更高。目前主要在數(shù)據(jù)中心和通訊應用，未來在傳感、計算等領(lǐng)域還會有更多的應用。

  硅基光電子學市場應用前景廣闊，預估2019年市場有4億多美金，2025年有40~50億美金，年增長率約40%。主要應用領(lǐng)域為數(shù)據(jù)中心光模塊、長距光傳輸模塊、光互連、5G光模塊、無人駕駛LiDAR、免疫測試、光纖陀螺等。

  目前，硅基光電子集成技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)相對成熟完整，仿真軟件、設(shè)計公司、驅(qū)動電路、研發(fā)線、封測、光器件光模塊、設(shè)備商、運營商等領(lǐng)域都有相應的一系列公司出現(xiàn)。硅光遵循微電子的腳步發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈逐漸分化，無晶圓廠的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)已經(jīng)形成。相比較，硅光產(chǎn)業(yè)成長速度比微電子快2倍，當前專注于硅光IP開發(fā)和模塊生產(chǎn)、封測的公司已經(jīng)陸續(xù)成立，20年后，硅光產(chǎn)業(yè)的成熟度將接近微電子。

  目前，硅基光電子主要應用領(lǐng)域有：

  1. 數(shù)據(jù)中心方面應用

  我國在部署七大新基建，包括5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等直接投資將達10萬億元左右，帶動投資累積或超17萬億元。

  其中，5G基建和大數(shù)據(jù)中心投入很大，與硅光有密切聯(lián)系。大數(shù)據(jù)中心主要由交換機、服務器以及用于硬件互連的光電子芯片、光模塊組成。處理器之間，交換機之間，都要用到光連接，光連接的速度會越來越快。5G應用方面，光電子芯片、光模塊是實現(xiàn)5G高速、低延時通信的核心技術(shù)，也是5G低成本、廣覆蓋的關(guān)鍵。

  Alibaba Network & Optics Roadmap

  從阿里的roadmap可以看到帶寬從2013年的40G到2019年實現(xiàn)400G，平均每兩年翻一番，2023年預計達到1.6T，但新的標準還沒有制定下來，還有很多研究價值和空間。

  數(shù)據(jù)中心方面還有一些比較偏學術(shù)的研究方向需要解決，主要包括：電泵CMOS兼容硅基光源問題、Tb/s速率、功耗問題、高速多通道光子集成陣列問題、電光單片集成問題、波導損耗和放大問題、共封裝技術(shù)等。

  2. 5G通信方面應用

  繼數(shù)據(jù)中心之后的下一個有希望部署硅基收發(fā)機的場景為5G前傳模塊。Intel的100Gbps已經(jīng)初步應用到5G前傳中驗證。歐盟地平線2020項目“Teraboard”，針對5G基站之間處理單元，芯片間的高速互聯(lián)提出了Tbit高速互聯(lián)集成光電架構(gòu)。目標實現(xiàn)ASIC處理器芯片間Tbit級高速互聯(lián)。該架構(gòu)采用3D TSV封裝方式實現(xiàn)光電芯片融合，芯片間互聯(lián)通路采用PLC多層波導結(jié)構(gòu)。

  3. 光通信方面應用

  目前光通信方面的應用發(fā)展方向是超高傳輸速率的瓶頸突破、長距離傳輸方案的比較(直接檢測/相干檢測)與新型材料的硅基光通信系統(tǒng)探索。

  北大張帆老師團隊基于單個硅基調(diào)制器，可以實現(xiàn)200Gb/s甚至更高的但波長傳輸速率。

  高速率硅基IQ調(diào)制器(single lane 200Gb/s (80Gbaud) PAM-6 and 176Gb/s (88Gbaud) PAM-4)

  硅光子芯片在100G,400G及以上的高速短距光通信場景中優(yōu)勢明顯。2020年初，Acacia宣布出樣包括400ZR, OPENZR+和Open ROADM MSA的多種400G 可插拔硅光相干模塊，并稱將繼續(xù)擴大相干技術(shù)在更短距離中的應用。

  當前的相干產(chǎn)品主要是100G速率，在光源端采用外部光源加放大器的形式，但是CFP和CFP2這兩種封裝體積過大，并且功耗問題也很嚴重。硅光方案的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在相干調(diào)制以及合分波器件的高度集成化，加上完善的溫控設(shè)計，可以大幅解決相干產(chǎn)品的缺陷。硅光子集成芯片的規(guī)模商用有望使得相干技術(shù)降低成本，進而下沉到核心與匯聚層。

  中山大學蔡新倫教授和華南師范大學劉柳教授團隊做的新型大帶寬、高速片上LN調(diào)制器(SiP+LN)，獲得70GHz帶寬，實現(xiàn)超過100Gb/s速率傳輸。

  北京大學和UCSB合作基于AlGaAsOI實現(xiàn)新型低功耗、高效率的片上光頻梳。在非常小的閾值下實現(xiàn)光梳20μW。

  4. 人工智能方面應用

  深度學習硬件方面遇到很多問題，運算量越來越大，反復運算，能耗速率都會受到制約。光的功耗低，速度快，理論上可以解決深度學習中電的功耗和速率瓶頸。2017年，MIT提出了一種全新的光學神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)，這種架構(gòu)在理論上，相比于傳統(tǒng)的電子設(shè)備，可以大大提升計算的速度和功耗。他們將這種光子神經(jīng)網(wǎng)絡應用于一套可編程的納米光子處理器中，利用光子芯片的全光矩陣乘法實現(xiàn)了這種神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)。

  這種設(shè)計的芯片用于語音識別，經(jīng)過深度學習后，通過對可編程硅光電子芯片的訓練，實現(xiàn)了76.7%的語音識別率，實驗中識別的準確率可以媲美當前在計算機中利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法得到的結(jié)果，同時能量消耗和速度性能優(yōu)于當前的微電子系統(tǒng)。

  2019年，英國牛津大學基于氮化硅微環(huán)結(jié)構(gòu)和相變材料，利用波分復用結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了全光類腦神經(jīng)網(wǎng)絡，具備監(jiān)督學習和無監(jiān)督學習能力。通過對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，實現(xiàn)了對15個像素點圖片的識別。

  5. 其他方面應用

  激光雷達也是硅光有很大發(fā)展的方向，光學相控陣方案具有慣性(精度高、可控性好)、寬視角掃描、便于小型化等特點。加利福尼亞大學的Ben Yoo課題組通過 3D集成方案，將發(fā)射機中的相控陣及電控模塊集成在里一起;MIT的Watts組也報道了基于相干方案的集成相控陣報道;今年，三星電子在CLEO上報道了他們的集成相控陣樣片，其中還將片上放大器也集成了上去，能夠?qū)崿F(xiàn) 40m的探測距離。

  光學相控陣方案的激光雷達當前系統(tǒng)層集成主要集中在相控陣及電控模塊本身，距離實用還需要在一些關(guān)鍵器件上取得突破。

  除了激光雷達應用，集成光學陀螺儀也是重要的應用 之一。2018年，caltech就報道了目前世界上尺寸最小的光學陀螺儀芯片，它的尺寸是傳統(tǒng)MEMS陀螺儀的500分之一，同時可檢測的薩格納克相移也是原來的30分之一。

  在光傳感方面，依托成熟的 CMOS工藝，今年許多課題組也報道了許多相關(guān)工作，例如溶液氣體成分的檢測、生物檢測、量子自旋態(tài)檢測等。

  我是在北京大學電子學系區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，北京大學納光電子前沿科學中心，我們團隊大概有30人，主要研究以光子和電子為信息載體的大規(guī)模集成芯片和信息系統(tǒng)，實現(xiàn)在各種尺度上的感知、互連和處理，研究內(nèi)容包括高速硅基光收發(fā)芯片和系統(tǒng)，微波光電子芯片與系統(tǒng)，硅基片上光放大器與激光器，硅基傳感/二維材料/非線性等新型器件。

  我們已經(jīng)掌握了幾十種硅基光電子單元器件/芯片，以及和光子芯片相配套的微電子芯片的設(shè)計、流片和測試的經(jīng)驗。

  從最近兩年的OFC和IEDM會議、以及高影響論文情況來看， 國際上硅基光電子發(fā)展的趨勢是依托于硅基CMOS平臺， 大規(guī)模的集成化。我國最近幾年在微電子和光電子方面加大投入，需要這兩個領(lǐng)域真正的協(xié)同攻關(guān)。硅光的市場將在未來幾年迅猛發(fā)展，更高的集成度將成為未來十年硅光在數(shù)據(jù)中心的重點，另外新的應用(傳感，量子計算通信，醫(yī)療)將不斷涌現(xiàn)，成為新的增長點。

  Q&A

  問：英特爾是目前最早商用的么?不知能做到的大規(guī)模商用最高速率是多少?聽說良率仍然在一半以下?

  答：一些小公司在Intel之前有一些，但是大規(guī)模能夠提供商用產(chǎn)品的還是Intel，速率是100Gb/s，目前相干最高可以做到400Gb/s。良率確實是個問題，是不是一半以下沒有準確的數(shù)據(jù)，這涉及到波長對準，不同器件工藝、封裝等問題，都會有影響。

  問：王老師，您對海信和光迅做的硅光芯片評價如何?

  答：做的挺好的，光模塊廠商認為400G是個拐點，未來速度越來越高，硅光的優(yōu)勢才能得以體現(xiàn)，但是也不能說硅光可以完全替代三五族材料，現(xiàn)在國內(nèi)的問題是，基本上還是依靠國外工藝平臺，目前國內(nèi)也有幾個工藝平臺在建，希望能解決這個問題。