ICCSZ訊 3月22日,在成都市雙流5G產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟大會(huì)暨5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇上,作為國(guó)際硅光子器件與集成芯片開創(chuàng)者與領(lǐng)導(dǎo)者之一的SiFotonics Technologies首席運(yùn)營(yíng)官于讓塵(Ryan Yu)博士介紹了國(guó)際硅光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展,并分享SiFotonics在硅光器件和集成技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新,以及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的硅光集成芯片在5G無線傳輸及大型數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用前景。
在三月舉行的光通訊業(yè)年度盛會(huì)OFC2019, “硅光子”再次成為熱門詞匯,并引領(lǐng)其它業(yè)內(nèi)熱門話題,如”5G””數(shù)據(jù)中心””400G”, “PAM”,”QAM” “相干”等等。
通過過去十多年的努力,硅光集成技術(shù)規(guī)模商用已開始開花結(jié)果。例如半導(dǎo)體業(yè)龍頭Intel推出的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用100G CWDM4,將混合激光器(LD)集成在硅平臺(tái)上,產(chǎn)品已經(jīng)規(guī)模部署,在過去12個(gè)月中實(shí)現(xiàn)出貨100萬(wàn)只。相干硅光技術(shù)代表Acacia將相干技術(shù)和硅光技術(shù)有效結(jié)合,其100G相干產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)布。另一家硅光公司Luxtera被思科收購(gòu),他們硅光產(chǎn)品以數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的100G PSM4收發(fā)器最為知名,該產(chǎn)品將一個(gè)激光器用四種方式連至四個(gè)調(diào)制器,并混合集成了LDD/TIA/CDR IC,該產(chǎn)品出貨也已經(jīng)到百萬(wàn)級(jí)別。
SiFotonics 公司成立于2007年,其創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)由MIT硅光研究機(jī)構(gòu)成員組成,經(jīng)過有十幾年的耕耘積累了豐富的知識(shí)產(chǎn)權(quán),SiFotonics擁有多項(xiàng)鍺硅器件及集成芯片專利。在硅光芯片技術(shù)成為熱門的今天,擁有豐富的知識(shí)產(chǎn)權(quán)將成為核心競(jìng)爭(zhēng)力。公司從創(chuàng)辦開始,就確定與頭部硅半導(dǎo)體代工廠建立結(jié)盟投資關(guān)系,這對(duì)公司開發(fā)專有的鍺硅光集成制程奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
SiFotonics經(jīng)過多年努力,已經(jīng)開發(fā)出業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的硅光集成基礎(chǔ)原件”圖書館”,包括低損波導(dǎo),光耦合器,偏振旋轉(zhuǎn)、分離器等被動(dòng)組件,先進(jìn)的光探測(cè)雪崩二極管,高速調(diào)制器,及可調(diào)衰減器等主動(dòng)組件。這些組件可以根據(jù)應(yīng)用需求排列組合成特定的”光電專有芯片”。
舉例說明,SiFotonics開發(fā)的32/64GBaud相干收發(fā)一體單芯片整合集成了多于一百個(gè)分立器件,成為100G 到400G相干收發(fā)的核心引擎,這種高集成度是三五族望塵莫及的。
在可見的未來,5G網(wǎng)絡(luò)的布建涵蓋從前傳、中傳、后傳、城域及數(shù)據(jù)中心等端到端的整體建設(shè),面臨挑戰(zhàn)。傳輸速率的大幅提升包括5G前傳從10G提升到25G,甚至100G;數(shù)據(jù)中心從100G升級(jí)到400G. 伴隨傳輸速率提升帶來的傳輸距離的挑戰(zhàn),也面臨成本和功耗的壓力。運(yùn)營(yíng)商面臨流量大增但每用戶營(yíng)收增長(zhǎng)緩慢的矛盾,特別是中國(guó)所提倡的提速降費(fèi)對(duì)運(yùn)營(yíng)商而言是一件非常有挑戰(zhàn)的政策,如何降低$/Gbit是運(yùn)營(yíng)商的重要考慮因素。 功耗是運(yùn)營(yíng)成本的重要因素,數(shù)據(jù)中心更是功耗龍頭。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球數(shù)據(jù)中心已占世界總功耗的3-4%,加上超大型數(shù)據(jù)中心數(shù)量不斷增加,功耗已超400TW。
隨著光網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)傳輸速率大幅提升,光纖損耗鏈路預(yù)算面臨物理限制。傳統(tǒng)的光探測(cè)二極管技術(shù)已捉襟見肘,更先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)如雪崩二極管及相干探測(cè)成為必須。
SiFotonics”十年磨一劍”開發(fā)出的鍺硅雪崩二極管具有優(yōu)異的性能。這種”自帶放大功能”的先進(jìn)光探測(cè)器有寬闊的適用光譜,涵蓋850nm, 1310nm 及1550nm波段;其增益頻寬積性能已超越三五族材料;器件已在8寸硅量產(chǎn)線運(yùn)行生產(chǎn),成本也更具競(jìng)爭(zhēng)力。與三五族相比,鍺硅雪崩二極管做硅光芯片集成也俱先天的優(yōu)勢(shì)。
先進(jìn)的雪崩二極管有諸多應(yīng)用。首先可以在高速率下提升傳輸距離。比如25G前傳可以增加到廿公里以上。這項(xiàng)應(yīng)用已在韓國(guó)5G前傳率先規(guī)模商用。中傳的50G可增加傳輸?shù)?0公里。4x25G的100G ER Lite 可傳30km以上。最新應(yīng)用在400G LR4多源協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)將傳輸距離從2公里提升到10公里。另外一個(gè)應(yīng)用是用探測(cè)端多余的鏈路預(yù)算來減少發(fā)射端功率:每3dB可減半發(fā)射激光功率。這個(gè)好處可延伸到用接收增益來減少需要的激光器數(shù)量,特別是多通道應(yīng)用,如400G DR4。
針對(duì)功耗節(jié)省,SiFotonics做了一個(gè)粗略估算。全球光網(wǎng)應(yīng)有十億只光收發(fā)模塊。每只激光器按平均半瓦計(jì),若轉(zhuǎn)移3dB光功到接收端,節(jié)省一半的激光器功耗,全球可節(jié)省250MW, 按每度電10美分,每年可節(jié)省2億美金!未來400G以上光模塊功耗更大,達(dá)10瓦,總功耗及電費(fèi)的節(jié)省更為可觀。
”三流公司做產(chǎn)品,二流公司做市場(chǎng),一流公司做標(biāo)準(zhǔn)”。SiFotonics 積極參與業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的標(biāo)準(zhǔn)化工作,比如100G Lambda MSA 正在熱烈討論的沿用4x100G支持400G 10公里應(yīng)用。諸多提議中有分別建議增加發(fā)射功率,或分一半一半分別增加發(fā)射功率及接收靈敏度以解決鏈路預(yù)算,最后以維持發(fā)射功率,增加接收靈敏度方案勝出做為指標(biāo)書基線下一步討論定案,并準(zhǔn)備向IEEE標(biāo)準(zhǔn)提案定標(biāo)。這項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)為先進(jìn)雪崩二極管開辟了新用途?!?
最近SiFotonics已推出業(yè)內(nèi)領(lǐng)跑的單波100G雪崩二極管接收器。經(jīng)測(cè)試,在標(biāo)準(zhǔn)糾錯(cuò)誤碼線上可以達(dá)到額外的3dB的増益。這項(xiàng)結(jié)果給單波100G增遠(yuǎn)應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),可以擴(kuò)展到400G 10km, 甚至未來800G的應(yīng)用。
現(xiàn)代大型數(shù)據(jù)中心由數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器通過多層高速交換機(jī)聯(lián)網(wǎng)。從端口速率而言,業(yè)內(nèi)云計(jì)算大客戶如亞馬遜已經(jīng)開始從100G向400G 切換。2019年是400G ”元年”。SiFotonics 已推出4x100G 收發(fā)一體單芯片,可用于400G DR4, FR4. 加上最新的單波100G 雪崩二極管陣列,可以支持400G LR4 10km 應(yīng)用。至此,SiFotonics 全系列硅光芯片可以支持400G 從500米到10Km的全系列應(yīng)用,為400G大規(guī)模商用做好準(zhǔn)備。
大型數(shù)據(jù)中心互聯(lián)也正在經(jīng)歷從100G到400G切換。因?yàn)榇髱掗L(zhǎng)距離需求(多以4T 起跳), 密波分相干檢測(cè)成為主流技術(shù)選項(xiàng)。
SiFotonics 開發(fā)的硅光芯片集成了所有相干收發(fā)光電功能,可以支持32GBaud 與64GBaud及QPSK與16QAM調(diào)制,涵蓋100G, 200G 與400G 相干傳輸應(yīng)用,通過與新一代7nm CMOS DSP組合,可以為大型數(shù)據(jù)中心互聯(lián)及5G城域應(yīng)用提供”引擎”芯片。
傳統(tǒng)相干技術(shù)因其復(fù)雜調(diào)制及高成本三五族器件而局限于長(zhǎng)途干線傳輸應(yīng)用。硅光集成芯片規(guī)模商用有望突破傳統(tǒng)瓶頸,使大批量廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心互聯(lián)及5G回傳匯聚城域光網(wǎng)絡(luò)成為可能。
小結(jié)一下:SiFotonics開發(fā)的鍺硅光芯片已開始在端到端的5G光網(wǎng)絡(luò)得到應(yīng)用,可覆蓋從5G前傳25G,中傳50G,回傳100G/200G中用到的雪崩二極管芯片,城域數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的100G-400G相干芯片,及大數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)的400G硅光芯片。
隨著大型互聯(lián)網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心的高速發(fā)展,己經(jīng)成為超高速光通訊業(yè)的主要驅(qū)動(dòng)力。2018年數(shù)據(jù)中心用100G光收發(fā)模塊已超一千萬(wàn),Arista預(yù)測(cè)400G光模塊將在2022年超上一千萬(wàn)只,這種每三年就完成新一代速率切換已成”新常態(tài)”。有個(gè)別大型數(shù)據(jù)中心甚至已開始醞釀800G前期產(chǎn)品預(yù)研,有可能在2020-2021投入商用。這種高頻速率切換主要是由高集成度帶來的單位比特成本降低。硅光集成芯片及先進(jìn)探測(cè)將是降低成本,功耗的主要推手。
隨著端口速率逼超800G, 進(jìn)一步消減功耗成本有可能要打破可插拔模塊的傳統(tǒng)定式。業(yè)內(nèi)已開始探討交換路由芯片直接與端口光電收發(fā)芯片混合集成的可能性與前景。到1.6T世代,面板可插拔模塊可能消失,代之以硅光收發(fā)集成芯片,及可靈活放置的激光光源陣列。先進(jìn)探測(cè)器如雪崩二極管也會(huì)更加有用:可以用3dB的接收增益來減少一半的激光數(shù)量,同時(shí)降低成本功耗。
總結(jié):硅光集成芯片在5G及數(shù)據(jù)中心大有用武之地,并在1.6T世代可能成為”必需品”。先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)如雪崩二極管和相干技術(shù)助力傳輸更遠(yuǎn),功耗更低,單位比特成本更低。這些先進(jìn)技術(shù)硅光集成將成為業(yè)內(nèi)主流。傳統(tǒng)倚重發(fā)射技術(shù)而輕檢測(cè)的定式將被打破,進(jìn)而取得收發(fā)并舉的平衡。
講師簡(jiǎn)介
于讓塵博士現(xiàn)任SiFotonics 首席運(yùn)營(yíng)官。在加入SiFotonics之前十年,于博士任 Oplink (被Molex 并購(gòu)) 業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁兼光電解決方案事業(yè)部總經(jīng)理,他是推動(dòng)100G PAM4技術(shù)被廣泛采用的領(lǐng)導(dǎo)者之一,也是100G Lambda MSA的市場(chǎng)推廣聯(lián)席主席,后者已在加速成為100G及400G+光網(wǎng)絡(luò)新一代行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。加入Oplink之前,于博士曾任索爾思光電 (Source Photonics) 全球副總裁,及飛博創(chuàng)(其被MRV并購(gòu)后改名為索爾思光電)副總裁。他還在Agility Communications及SDL (都被JDSU并購(gòu))任高級(jí)管理職位。于博士擁有賓西法尼亞大學(xué)固體物理學(xué)博士,和北京大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。
新聞來源:訊石光通訊網(wǎng)
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