技術(shù)論文：數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)及演進(jìn)

  1 數(shù)據(jù)中心光模塊技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

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

  1.1 算力時(shí)代下低功耗成為技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

  算力需求提升帶動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶寬成倍增加，數(shù)據(jù)中心能耗呈指數(shù)型增長(zhǎng)。設(shè)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(luò)交換帶寬提升了80倍，背后的代價(jià)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(wèn)題成為下一代高速光互聯(lián)應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)。液冷技術(shù)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(lái)技術(shù)的一個(gè)亮點(diǎn)。

  在光模塊降耗的發(fā)展趨勢(shì)下，行業(yè)圍繞驅(qū)動(dòng)器、調(diào)制器、激光器及電接口4個(gè)方面降低功耗。在驅(qū)動(dòng)器方面，如果采用線性驅(qū)動(dòng)可插撥光模塊（LPO）技術(shù)路線，則可在數(shù)據(jù)鏈路中只使用線性模擬元件，無(wú)需數(shù)字信號(hào)處理 （DSP）或者時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù) （CDR） 芯片，從而降低 DSP/CDR 產(chǎn)生的功耗。在調(diào)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(qū)動(dòng)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(diào)制器功耗問(wèn)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(zhǎng)度，采用諸如近封裝光學(xué) （NPO） 和共封裝光學(xué) （CPO） 之類的超密集封裝，可實(shí)現(xiàn)更高密度的高速端口，提升整機(jī)的帶寬密度。而NPO/CPO背后的技術(shù)，即硅光技術(shù)，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(shù)。

  1.2 算力時(shí)代下高帶寬需求是技術(shù)原動(dòng)力

  數(shù)據(jù)中心設(shè)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(yuǎn)距離（FR）、長(zhǎng)距離（LR）等規(guī)格，不同傳輸距離采用的技術(shù)方案也會(huì)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(jī)容量以及SerDes技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。交換機(jī)容量每 2 年翻一番，預(yù)計(jì) 2030 年會(huì)出現(xiàn) 400 Tbit/s 交換容量，單端口速率需要增長(zhǎng)到3.2 Tbit/s。根據(jù)接收技術(shù)的不同，光連接技術(shù)可以分為直檢檢測(cè)技術(shù)和相干檢測(cè)技術(shù)。直檢檢測(cè)技術(shù)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(shù)。隨著速率的提升，直檢檢測(cè)技術(shù)受到色散、四波混頻等問(wèn)題的影響，傳輸距離下降，使得相干技術(shù)下沉到數(shù)據(jù)中心成為可能。在 800GE 時(shí)代，IEEE 802.3dj 針對(duì) 10 km 場(chǎng)景將定義相干和直檢兩條技術(shù)路徑。但相干技術(shù)面臨功耗高、成本高的挑戰(zhàn)。未來(lái) 3.2T 時(shí)代，直檢技術(shù)和相干技術(shù)將同時(shí)存在。直檢檢測(cè)技術(shù)在 3.2T 時(shí)代仍是主力技術(shù)路徑之一。在單通道速率持續(xù)提升的同時(shí)，通過(guò)增加光纖或者波分復(fù)用技術(shù)來(lái)增加并行路數(shù)的方法也將持續(xù)發(fā)展。800GE 時(shí)代不僅使用單通道 100G技術(shù)，還使用了單通道200G的技術(shù)。3.2T時(shí)代將會(huì)依托單通道200G技術(shù)進(jìn)行多路復(fù)用，當(dāng)然也可能會(huì)發(fā)展單通道400G的技術(shù)。

  2 光模塊新技術(shù)演進(jìn)路徑

  算力時(shí)代對(duì)光模塊有著低功耗、高帶寬的需求。目前業(yè)界技術(shù)演進(jìn)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(yīng)用時(shí)，一般無(wú)須考慮兼容性問(wèn)題。浸沒(méi)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(méi)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(shè)計(jì)都基于風(fēng)冷的應(yīng)用場(chǎng)景，在浸沒(méi)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(duì)液冷環(huán)境的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)并規(guī)范相關(guān)技術(shù)要求，以保障液冷場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)傳輸。

  2） LPO方案。LPO通過(guò)線性直驅(qū)技術(shù)替換傳統(tǒng)的DSP，將功能集成到交換芯片中，只留下驅(qū)動(dòng)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(shí)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(méi)有采用可插拔光模塊的形式。這種方式能夠使得電信號(hào)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(shù)。硅光技術(shù)是一種基于硅光子學(xué)的低成本、高速光通信技術(shù)，利用基于硅材料的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS） 微電子工藝實(shí)現(xiàn)光子器件的集成制備。該技術(shù)結(jié)合了CMOS技術(shù)的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗（CPO/LPO架構(gòu)下）的優(yōu)勢(shì)。

  5） 薄膜鈮酸鋰技術(shù)。相比于傳統(tǒng)體材料鈮酸鋰，薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)可以制作亞微米尺度的光波導(dǎo)，不但提高了器件的集成度，而且大大提高了對(duì)光場(chǎng)的限制能力，增強(qiáng)了光場(chǎng)和鈮酸鋰材料的相互作用，因而可以實(shí)現(xiàn)超高電光帶寬、超低驅(qū)動(dòng)電壓以及超低光學(xué)損耗。該技術(shù)有望在電光調(diào)制器領(lǐng)域掀起一場(chǎng)革命。

  6） 相干下沉。在數(shù)據(jù)中心本身的范圍內(nèi)，強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè) （IM-DD） 技術(shù)仍然占主導(dǎo)地位。認(rèn)識(shí)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(jiǎn)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(shè)計(jì)的相干技術(shù)方案）。

  7）光進(jìn)光出（OIO）技術(shù)。OIO是一種基于芯片的光互連解決方案，與計(jì)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(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算系統(tǒng)中它們之間的無(wú)縫通信 （跨板、機(jī)架和計(jì)算行），其帶寬密度、能源成本和延遲與封裝內(nèi)的電氣互連相當(dāng)。具體產(chǎn)品形態(tài)包括板載光學(xué) （OBO）、NPO、CPO及未來(lái)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(gè)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(jìn)的必要技術(shù)。

  2.1 液冷光模塊

  當(dāng)數(shù)據(jù)中心中采用浸沒(méi)或者噴淋式液冷系統(tǒng)時(shí)，板上芯片封裝 （COB） 工藝的光模塊在液體環(huán)境中無(wú)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(jìn)行模塊的整體液密封裝，或者對(duì)光電部分 COB 封裝的光模塊進(jìn)行全塑封設(shè)計(jì) （液密封裝），以有效防止液冷環(huán)境中的冷卻液對(duì)光模塊光路部分造成干擾。圖1展示了易飛揚(yáng)液冷光模塊的密封工藝，該工藝主要通過(guò)納米涂覆和低壓注塑密封實(shí)現(xiàn)^[2] 。

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

  1）液冷光模塊的技術(shù)要求；

  2）液冷光模塊的封裝方式和密封性技術(shù)；

  3） 液冷光模塊的液冷測(cè)試環(huán)境和可靠性測(cè)試環(huán)境的配置、搭建以及對(duì)應(yīng)測(cè)試方法；

  4）液冷光模塊的運(yùn)維管理相關(guān)技術(shù)；

  5）液冷光模塊的布線連接技術(shù)。

  目前，市場(chǎng)上已經(jīng)有多個(gè)廠家發(fā)布液冷光模塊產(chǎn)品。易飛揚(yáng)發(fā)布了支持浸沒(méi)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(jìn)行液冷光模塊的研究。

  2.2 LPO方案

  雖然 DSP 具有數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)功能和色散補(bǔ)償功能，能夠以較低的誤碼率實(shí)現(xiàn)信號(hào)恢復(fù)，但它也帶來(lái)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(gè)模塊功耗的 50% 左右。從成本的角度來(lái)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(luò)靈活性和可升級(jí)性的需求，LPO應(yīng)運(yùn)而生。LPO方案不采用DSP/CDR芯片，而是將相關(guān)功能集成到設(shè)備側(cè)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(shí)間線性均衡 （CTLE） 和均衡 （EQ） 功能，用于對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償^[3] 。

  LPO具有突出的優(yōu)勢(shì)：低功耗、低成本、低延時(shí)、易維護(hù)。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(xué)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(shí)。去除DSP會(huì)使得光模塊減少一個(gè)處理過(guò)程，數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延也隨之下降。這對(duì)人工智能（AI）計(jì)算和超級(jí)計(jì)算場(chǎng)景來(lái)說(shuō)尤為重要。

  4） 易維護(hù)。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(shè)計(jì)，這樣方便插入和拔出光學(xué)模塊，使得光學(xué)連接更加靈活便捷。這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了光纖布線和設(shè)備維護(hù)，提高了系統(tǒng)的可管理性和可維護(hù)性。

  然而，當(dāng)前LPO仍存在兩大缺點(diǎn)：

  1） 通信距離短，應(yīng)用場(chǎng)景受限制。去除DSP后會(huì)導(dǎo)致

  系統(tǒng)的誤碼率提升，進(jìn)而導(dǎo)致傳輸距離變短。 2） 標(biāo)準(zhǔn)化剛起步，互聯(lián)互通存在挑戰(zhàn)。目前由于交換機(jī)廠商不傾向于改動(dòng)交換機(jī)，因此光模塊需要適應(yīng)各個(gè)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(jìn)度：英偉達(dá)披露了在其內(nèi)部人工智能集群中部署LPO 的計(jì)劃，將在2024 年量產(chǎn) LPO 光模塊；Meta 公司預(yù)計(jì)在 2024 年上半年導(dǎo)入 LPO 技 術(shù)；Arista 公 司 在 2023 年 光 纖 通 信 會(huì) 議 和 展 覽 會(huì)（OFC 2023） 上首次展示了有關(guān)降低LPO功耗的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上分享了他們?cè)?LPO 方面的最新研究結(jié)果；新易盛、劍橋科技等已發(fā)布相關(guān)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(gè)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(gè)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(jìn)一步優(yōu)化。如圖 4 所示[5] ，按照物理結(jié)構(gòu)分類，CPO 可分為 3 種技術(shù)形態(tài)：2D 平面 CPO、2.5D CPO和3D CPO。

  1）2D 封裝的CPO技術(shù)

  基于2D封裝的CPO技術(shù)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(guò)引線或基板布線實(shí)現(xiàn)互連。2D封裝的優(yōu)點(diǎn)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(dú)制作。根據(jù)芯片和基板互連方式不同，基于2D封裝的技術(shù)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(jí)封裝技術(shù)的CPO 3種技術(shù)路徑。

  2）基于2.5D封裝的CPO技術(shù) 2.5D 封 裝 將 EIC 和 PIC 均 倒 裝 在 中 介 層 （Interposer）上。通過(guò)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(zhuǎn)接板的材料不同，基于 2.5D封裝的技術(shù)發(fā)展出了基于玻璃轉(zhuǎn)接板的CPO、基于硅轉(zhuǎn)接板的CPO和基于嵌入式多芯片互連橋接3種技術(shù)路線。 3）基于3D封裝的CPO技術(shù)

  3D封裝技術(shù)將光電芯片進(jìn)行垂直互連，可以不僅能實(shí)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(shí)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(shù)是目前CPO技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

  CPO技術(shù)將增加先進(jìn)封裝工藝需求。如圖5所示，目前封裝工藝是限制CPO技術(shù)發(fā)展的主要因素。CPO技術(shù)在封裝過(guò)程中會(huì)用到硅穿孔 （TSV）、凸點(diǎn) （Bumping） 和重布線（RDL）等先進(jìn)封裝技術(shù)[6] ，對(duì)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(cè)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(jìn)復(fù)雜的封裝技術(shù)。每一種封裝技術(shù)都有利弊，因此我們需要不斷探尋最可靠的方案。散熱問(wèn)題對(duì)于CPO來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(duì)熱特別敏感。CPO 標(biāo)準(zhǔn)工作組做的模擬仿真表明，在風(fēng)速5 m/s的條件下，當(dāng)采用 16 個(gè)的 CPO 模塊和 1 個(gè)開關(guān)芯片模型設(shè)計(jì)時(shí)，開關(guān)芯片的溫度達(dá)到 151.76 ℃，幾乎無(wú)法正常工作。主流的熱可插拔模塊維修簡(jiǎn)單，但作為不可插拔的CPO 封裝技術(shù)維修難度較高，因此測(cè)試、良率以及可靠性問(wèn)題成為CPO 產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。由于光芯片是直接與電芯片通過(guò)先進(jìn)封裝工藝封裝在一起的，如果某顆芯片發(fā)生了損壞，整個(gè)模塊就無(wú)法正常工作。這不僅使良率下降，也給測(cè)試帶來(lái)了諸多困難。 CPO光學(xué)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(cè)試解決方案需要改進(jìn)。

  CPO的發(fā)展需要產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同推進(jìn)，這將考驗(yàn)光模塊/光引擎廠商的長(zhǎng)期綜合實(shí)力。如圖6所示，CPO的技術(shù)路線優(yōu)化本質(zhì)上是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(jìn)。其中，在現(xiàn)有光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)上，有些環(huán)節(jié)還需要交換芯片及設(shè)備廠商、各元器件廠商共同參與。因此CPO的發(fā)展本質(zhì)上是對(duì)光模塊/光引擎廠商綜合實(shí)力的長(zhǎng)期考驗(yàn)。

  2020年以來(lái)，CPO逐漸從學(xué)術(shù)研究成果轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)需求產(chǎn)品。如表 1 所示，博通、Cisco、Marvell等行業(yè)內(nèi)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(guān)產(chǎn)品，并推進(jìn)CPO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。云服務(wù)廠商 Facebook 和 Microsoft 創(chuàng)建了CPO聯(lián)盟，旨在打造一個(gè)平臺(tái)，以吸引各細(xì)分行業(yè)龍頭企業(yè)加入聯(lián)盟，推動(dòng)CPO 標(biāo)準(zhǔn)的建立和產(chǎn)品的發(fā)展。中國(guó)企業(yè)則普遍較晚進(jìn)入CPO領(lǐng)域，在產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度及技術(shù)研究方面存在明顯的差距。中國(guó)計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟 （CCITA） 牽頭的 CPO 標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前中國(guó)唯一原生的 CPO 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)旨在結(jié)合目前全球光互連技術(shù)發(fā)展，聯(lián)合中國(guó)光模塊、光收發(fā)芯片、電驅(qū)動(dòng)放大芯片、光源、連接器等廠商，共同打造更加適合中國(guó)的 CPO 標(biāo)準(zhǔn)。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(lǐng)域，但由于起步較晚，目前還沒(méi)有CPO相關(guān)的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

  2.4 硅光技術(shù)

  相對(duì)于傳統(tǒng)光模塊，硅光模塊在高速率領(lǐng)域具有高集成度、低成本、低功耗的顯著優(yōu)勢(shì)。硅是用量最大的半導(dǎo)體晶圓材料，具有低成本和加工工藝成熟的優(yōu)勢(shì)。硅光基于硅和硅基襯底材料，通過(guò) CMOS 工藝進(jìn)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(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)光模塊采用分立式結(jié)構(gòu)，制造過(guò)程中需要依次封裝電芯片、光芯片、透鏡、對(duì)準(zhǔn)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(diào)制器、探測(cè)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(jià)值向硅光芯片、硅光引擎轉(zhuǎn)移。傳統(tǒng)光模塊制造過(guò)程中封裝工序較為復(fù)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(duì)減低，對(duì)下游封裝廠或制造商的要求也會(huì)降低。

  硅光技術(shù)的發(fā)展可以分為4個(gè)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(dá)到工藝的標(biāo)準(zhǔn)化水平。第2階段，集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)部分集成，再通過(guò)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(shù)融合，實(shí)現(xiàn)光電全集成化。把光和電都集成起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。第4階段，硅光技術(shù)實(shí)現(xiàn)可編程芯片。這一階段器件能夠分解為多個(gè)硅單元排列組合，局針化表征類。該種通過(guò)編程來(lái)改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的芯片，可自定義全功能。目前硅光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第2個(gè)階段。硅光子核心器件主要是以硅半導(dǎo)體材料的光有源及無(wú)源器件：硅基激光器（負(fù)責(zé)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)）、硅基光調(diào)制器 （負(fù)責(zé)將光信號(hào)帶寬提升）、硅基光探測(cè)器 （負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)）、光波導(dǎo) （負(fù)責(zé)光信號(hào)在硅基材料上傳輸）、光柵耦合器 （負(fù)責(zé)與對(duì)外連接的光纖對(duì)準(zhǔn)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(jié) 構(gòu) 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(diào)制激光器（EML） 芯片。制作材料主要以III-V族半導(dǎo)體材料為主。對(duì)于III-V族激光器與硅光芯片的耦合，主流設(shè)計(jì)方案主要有片上倒裝焊集成、異質(zhì)鍵合集成和直接外延生長(zhǎng)集成。異質(zhì)鍵合集成和直接外延生長(zhǎng)集成是未來(lái)實(shí)現(xiàn)硅光大規(guī)模生產(chǎn)的可行方案。

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

  3） 硅基光探測(cè)器。光電探測(cè)器將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。由于硅對(duì)1.1 μm以上的光波透明，單體硅無(wú)法制作探測(cè)器。目前集成在硅基片上的高頻探測(cè)器主要有混合集成III-V族和硅鍺混合探測(cè)器。前者耦合效率高、靈敏度高、響應(yīng)快；后者性能優(yōu)越，器件制備技術(shù)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(shù)在通信設(shè)備中的具體應(yīng)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(shí)現(xiàn)，典型的如光波導(dǎo)、外調(diào)制器件、雪崩光電二極管（APD）接收器等。不過(guò)由于硅光技術(shù)產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，業(yè)內(nèi)并未形成權(quán)威的行業(yè)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各主流廠商采用硅光技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)元器件時(shí)采用的技術(shù)路線不盡相同，因此最終的技術(shù)方案還有待優(yōu)化完善。如圖8所示，從工藝角度來(lái)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)。單片集成是指將光子學(xué)組件直接集成到同一塊硅芯片上，包括光源、光調(diào)制器、波導(dǎo)、耦合器等光學(xué)元件，從而形成一個(gè)緊湊的光學(xué)電路。單片集成方式的優(yōu)勢(shì)在于可以減小尺寸，提高集成度，降低制造成本?；旌霞墒侵笇⒐栊酒c其他材料的光學(xué)組件結(jié)合在一起，即將電子器件 （硅鍺、CMOS、射頻等）、光子器件 （激光/探測(cè)器、光開關(guān)、調(diào)制解調(diào)器等）、光波導(dǎo)回路集成在一個(gè)硅芯片上。其中，硅芯片主要負(fù)責(zé)電子部分的處理，而其他材料的光學(xué)元件則負(fù)責(zé)光的生成和調(diào)制?；旌霞傻膬?yōu)勢(shì)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(xué)特性，實(shí)現(xiàn)更高效的光通信和傳感應(yīng)用。

目前來(lái)看，光器件如波分復(fù)用器、變換調(diào)諧器等已經(jīng)可以實(shí)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(shù)具有巨大的市場(chǎng)前景，但目前仍然面臨諸多挑戰(zhàn)：

  1） 硅光器件性能問(wèn)題。目前的硅光技術(shù)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(shù)難題，比如：如何減少硅波導(dǎo)的損耗，如何實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與光纖的有效耦合，如何克服溫度對(duì)于功率和波長(zhǎng)穩(wěn)定性的影響等。這些技術(shù)難題會(huì)影響到硅光技術(shù)的普及以及在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中的應(yīng)用。

  2）測(cè)試流程復(fù)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(fù)雜、廢品率高，因此需要先在晶圓上進(jìn)行測(cè)試和篩選，然后再和其他電芯片進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化方案缺乏。硅光芯片在各個(gè)環(huán)節(jié)都缺少標(biāo)準(zhǔn)化方案，例如：設(shè)計(jì)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(wù)的廠家。這使得硅光技術(shù)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化變得更加困難。

  硅光技術(shù)主要布局公司如表2所示。當(dāng)前，臺(tái)積電計(jì)劃攜手博通、英偉達(dá)等共同開發(fā)硅光子技術(shù)、共同封裝光學(xué)元件等新產(chǎn)品。制程技術(shù)從45 nm延伸到7 nm。臺(tái)積電已組建一支由約200名專家組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，專注于利用硅光子技術(shù)開發(fā)未來(lái)芯片。

 2.5 薄膜鈮酸鋰技術(shù)

  電光調(diào)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(guò)調(diào)制將通信設(shè)備中的高速電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，電光調(diào)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(diào)制的技術(shù)主要基于硅光、磷化銦和鈮酸鋰3種材料的電光調(diào)制器。其中，鈮酸鋰電光系數(shù)顯著高于磷化銦，而硅沒(méi)有直接電光系數(shù)，因而鈮酸鋰調(diào)制器是高帶寬光電信息處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。傳統(tǒng)鈮酸鋰電光調(diào)制器為體材料鈮酸鋰調(diào)制器。體材料鈮酸鋰調(diào)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(diǎn)，但在傳輸速率需求不斷提升的形勢(shì)下，體材料鈮酸鋰調(diào)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(diào)制器芯片技術(shù)將解決這些問(wèn)題。鈮酸鋰材料具有 “光學(xué)硅”之稱。通過(guò)最新微納工藝制備出的薄膜鈮酸鋰調(diào)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(diǎn)。

  與磷化銦相比，薄膜鈮酸鋰在長(zhǎng)距離/超長(zhǎng)距離的產(chǎn)品封裝上具有優(yōu)勢(shì)。它可以采用非氣密封裝，從而降低成本，而磷化銦則需要?dú)饷芊庋b。在性能方面，薄膜鈮酸鋰對(duì)比硅光和磷化銦都有明顯優(yōu)勢(shì)。鈮酸鋰薄膜調(diào)制器利用容性電極和石英襯底，同時(shí)實(shí)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(diào)制區(qū)域以相同的速率傳輸，光和電達(dá)到完美匹配。如圖 9 所示，當(dāng)前 800G 主流方案包括 DR8/SR8/ 2FR4 等方案。無(wú)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(jìn)時(shí)，薄膜鈮酸鋰的大帶寬優(yōu)勢(shì)將更加突出。未來(lái)對(duì)于成本、功耗、性能等要求會(huì)越來(lái)越高。薄膜鈮酸鋰調(diào)制器憑借功耗、成本、性能等方面的優(yōu)勢(shì)，有望迎來(lái)快速發(fā)展。

  薄膜鈮酸鋰目前主要面臨兩個(gè)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(chǎng)需求與單位成本息息相關(guān)。因此，如何解決產(chǎn)業(yè)化后的成本問(wèn)題是關(guān)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化與后期的成本相關(guān)。

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

  2.6 相干下沉

  相干技術(shù)是長(zhǎng)距光傳輸采用的技術(shù)。由于直檢技術(shù)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(shù)下沉到數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的發(fā)展趨勢(shì)。相干技術(shù)傳輸性能好，可以靈活地采用光數(shù)字信號(hào)處理 （oDSP） 技術(shù)進(jìn)行色散補(bǔ)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(zhǎng)）激光器和自相干。

  1） O波段相干。目前數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光信號(hào)傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)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(zhǎng)距離的光纖傳輸；但同時(shí)C波段的光纖色散比較大，需要用DSP進(jìn)行色散和各種損傷的補(bǔ)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(yuǎn)，功率衰減不多，所以也不需要光放大器。同時(shí)在O波段光纖的色散最小，這樣的話就不需要DSP來(lái)補(bǔ)償色散。因此，DSP的功能可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，這使得系統(tǒng)成本和功耗進(jìn)一步降低。

  2） 灰色 （固定波長(zhǎng)） 激光器。由于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部架構(gòu)不需要在光纖中進(jìn)行密集的波長(zhǎng)傳輸，因此可以使用灰色（固定波長(zhǎng)） 激光器。它的使用消除了對(duì)波長(zhǎng)調(diào)諧以及相關(guān)控制電路和算法的需求，簡(jiǎn)化了實(shí)施過(guò)程，降低了操作的復(fù)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(hào)載波頻率相位對(duì)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(gè)架構(gòu)的好處是：不需要使用昂貴的激光器，無(wú)溫控?zé)犭娭评淦? （TEC），無(wú)波鎖，可有效降低模塊成本和功耗。此外，接收機(jī)信號(hào)不存在頻偏和相噪問(wèn)題，DSP可以得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

    隨著傳輸速率提升至800G，相干技術(shù)方案在80 km傳輸距離的基礎(chǔ)上將進(jìn)一步向10 km等更短距離拓展應(yīng)用。當(dāng)傳輸速率達(dá)到1.6T時(shí)，相干會(huì)進(jìn)一步下沉到2 km。IEEE 802.3 正在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用是采用強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)（IMDD） 還是采用相干技術(shù)進(jìn)行了激烈討論。最終，IEEE 802.3dj決定為800G 10 km設(shè)定兩個(gè)項(xiàng)目目標(biāo)，分別采用不同的技術(shù)解決方案?？梢钥吹?，隨著單通道速率的提升，相干技術(shù)正在不斷下沉，相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷拓展。

  3 結(jié)束語(yǔ)

  液冷技術(shù)具備超高能效、超高熱密度等優(yōu)點(diǎn)，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(shì)所趨。LPO具有短距離、低功耗、低時(shí)延等特性，能夠適配 AI計(jì)算中心。由于可以直接應(yīng)用于目前成熟的光模塊供應(yīng)鏈，LPO在高線性度TIA/Driver 廠商的大力推動(dòng)下或可快速落地。CPO方案通過(guò)交換機(jī)光電共封裝降低成本和功耗，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)高集成度、低功耗、低成本、超高速率模塊應(yīng)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(shì)，硅光技術(shù)有望成為未來(lái)光器件的主流技術(shù)。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(diǎn)，是未來(lái)高速光互連極具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。當(dāng)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接的要求超過(guò) 1.6T 并走向 3.2T 時(shí)，色散損傷和鏈路預(yù)算將對(duì)直接檢測(cè)（IM-DD）解決方案提出更高要求。因此，相干精簡(jiǎn)版解決方案有望成為大批量 3.2T 數(shù)據(jù)中心內(nèi)互聯(lián)應(yīng)用的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

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