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讯石直播|SiFotonics于让尘博士: 硅光在5G及数据中心应用前景

摘要:讯石首次线上直播活动—“5G浪潮下的硅光技术”邀请到了国际领先硅光企业SiFotonics Technologies首席运营官于让尘(Ryan Yu)博士介绍了硅光在5G及数据中心应用前景。当日直播观看次数超过4500人次,观看人数超过2000人。

  ICC讯(编辑:Jane)3月5日,讯石首次线上直播活动—“5G浪潮下的硅光技术”成功举办。活动荣幸邀请到了国际领先硅光企业SiFotonics Technologies首席运营官于让尘(Ryan Yu)博士介绍了硅光在5G及数据中心应用前景。本次直播首秀受到了行业广泛关注,当日直播观看次数超过4500人次,观看人数超过2000人。于博士在直播中向观众呈现了十分精彩的演讲。

  诺基亚于2月19日宣布收购了硅光子技术公司Elenion,硅光技术再一次得到了设备商的青睐。近年来,关于设备商对硅光技术的收购与整合的从未停歇。网络设备巨擎思科先后收购了硅光公司Lightwire、luxtera、Acacia;华为收购了比利时硅光子公司Caliopa;Ciena收购TeraXion磷化铟和硅光子资产,Juniper收购了Aurrion。 加上最近诺基亚收购了Elenio,这些并购案总价值达40亿美金。一方面显示硅光技术在光通信领域占据的地位越来越重要,另一方面也说明硅光技术越来越成熟,开始大规模进入市场。

  据行业预测,至2024年,光模块的市场总额达到160亿美元,其中数据通信光模块的营收将达到120亿美元,5G无线产品市场大约是13亿美元,DWDM的市场约在18亿美元。业界之所以对硅光倍加关注,是对硅光在未来几年发展有很大的期许。

  根据行业调查机构Yole的预测,2020年,基于硅光技术的光模块市场达到7.4亿美元,至2024年硅光模块市场容量将达到40亿美元,年复合增长率44%, 在整个光通讯模块市场占比达到1/4 以上,特别是在高速成长的大数据中心光网络占比更高。

  从技术来说,在不同速率和距离的与传输距离下,硅光技术相比III-V器件竞争优势有演进的过程。在单通道波特率低于25G,短距离传输(<10km),III-V DML(直调激光器)的性价比较优;随着传输速率及距离增加,激光集成电吸收调制器芯片(EML)因其优异高速调制频响,低驱动电压,低啁啾,成为主要光电器件,特别是单通道速率到50G波特率以上。随着大数据中心对联结带宽的不断升级,多通道技术成为必须,高集成高速硅光芯片成为性价比更优越的选项。从用4x25G 为代表100Gbps大数据中心光互联时代开始,以Intel、 Luxtera的硅光产品开始崭露头角,开始规模化进入市场。当前,100G已进入成熟应用,400G (4x100G)正在进入规模商用,同时800G(8x100G) 也已开始在大规模人工智能及高密度交换机互联开始试商用。硅光解决方案因其高集成度、低功耗、小型封装,大规模可生产性的强劲竞争优势,承载着业界的期望。在高速(100Gbps)长距(>80km) 传输应用方面,相干检测因其不可替代的抗色散特性成为主流技术解决方案。相干检测需要更复杂的多通道调制解调平衡探测组合,硅光集成技术成为相干检测大规模商用的重要技术基础。目前,100G相干硅光方案已经规模商用多年,多厂家正在角逐400G ZR 相干技术在数据中心互联(DCI)规模商用。同时,800G 相干方案也已开始进入预研阶段。

  掌握锗硅工艺制程对企业来说至关重要。业内知名的硅光公司中,Intel是垂直整合彻底,100%拥有自己的制程工艺晶圆产线,其他几家硅光公司都是代工模式,不掌控外延生长及工艺配方。SiFotonics拥有锗硅外延生长设备及工艺配方,在晶圆代工厂生产。这个优势使SiFotonics 芯片研发可以低成本,更快速迭代,将新产品推向市场,给客户更优质的支持。SiFotonics拥有成熟的锗硅雪崩二极管( APD)器件设计工艺,是所有硅光公司中最独特的技术能力, 同时也是硅光芯片产品线覆盖面最广的厂家。SiFotonics芯片设计研发在北京,晶圆生产在台湾,在日益复杂的全球供应链格局之下有独特的贡献。

  SiFotonics 于2007年成立,成立之前,创始人潘栋博士从MIT做硅光的前沿研究。2007年北京研发中心启动,走在业内硅光产品研发设计商业化的前沿。公司拥有重要的锗硅器件芯片技术知识产权与专利,包括关键的芯片及器件:锗硅探测器及雪崩二极管,高速MZ 调制器,相干探测集成芯片等等。公司早期就与CMOS代工厂建立策略联盟投资关系,开发独有的器件工艺。目前,SiFotonics是业内锗硅探测器及雪崩二极管的市场领导者,最近公司宣布在2019年全年出货量超五百万只。新产品导入包括400G DR4 硅光芯片及相干收发集成芯片。2019年是SiFotonics高速成长的一年,公司的营收增速为400%,成功融资三千万美金,并成为全球唯一一家独立的,大批量出货,且盈利的硅光公司。

  目前,SiFotonics锗硅探测器及雪崩二极管器件在5G移动光网络中大规模应用。在前传应用中,25G锗硅探测器大量用于25G LR (<=10公里),25G雪崩二极管用于更长距>10公里,及对链路预算要求更高的波分应用,如中移动提出的MWDM. 另一个例子是南韩5G前传布局需要25G超10公里粗波分,APD探测器成为主流应用。50G PAM4锗硅探测器用于中传50G LR (<=10公里), 50G雪崩二极管用于50G ER (40公里). 在5G回传汇聚网中,4x25G雪崩二极管被用于100G 40公里,及200G 40公里传输。最近,SiFotonics联合业内产业链上下游在100G Lambda MSA 多源协议中推动100G ER1,用高速APD赋能单波100G传输40公里,将成为100G技术解决方案演进要一环。

  锗硅雪崩二极管探测器是硅光技术规模商用的里程碑之一。与III-V族材料相比,硅作为雪崩放大有天然优势。但硅材料本身作为光探测器局限于波长<950nm。SiFotonics创新在于把宽光谱吸收的锗与雪崩放大的硅结合,使高速雪崩二极管探测器性能比III-V族器件更优越。同时,与CMOS制程的兼容,起步于8英寸晶圆,使单位器件产出成本极具竞争力。另外一个显著优势是锗硅雪崩二极管探测器与其它硅光器件结合,可大规模集成,提高整体硅光集成芯片功能与性能。

  光通讯行业的发展一直伴随传输速率的跳跃。从10G、25G、50G PAM4,100G PAM4,每一步的演进,常规PIN探测器的灵敏度随带宽增加不断降低。APD雪崩效应,信号增益放大,高效解决灵敏度降低的痛点。比如当前热门的5G前传25G,传输超过20公里,就要用APD 来提供足够的链路预算。中移动提出的25G MWDM要用到12波,在最长的4波色散代价高,也要用到APD。在回传汇聚应用,现在市面上用的100G40公里主流方案是100G 4WDM-40 或ER4-lite,接收解决方案也用的是4个APD探测器。从近期技术演进的方向来看,调制从NRZ 演进到4电平(PAM4)成为主流。PAM4 对信噪比要求提高,APD 在50G 40公里、200G 40公里(4x50G PAM4)也成为必选。随着单通道100G PAM4 成为新构建单元,100G 单通道40km对APD也提出了新要求。同时400G的4通道方案传输10km以上也需使用APD。

  最近SiFotonics正联合业内产业上下游在100G Lambda MSA 多元协议组织推动单波100G传输40公里的100G ER1 成为行业新标准,且得到众多同行的支持。这项新标准将过去4x25G通道组合传输距离30-40km 的方案推进到用单通道100G。单通道100G具有低成本,小功耗,小尺寸等优势,为业内100G光收发模块从QSFP28向SFP56-DD,甚至SFP112演进打下基础。SiFotonics 最近开发出的100G 锗硅APD结果为这项新标准提供了坚实技术可行性,并在最近2020 OFC做出技术报告展示结果。 在最近的100G Lambda MSA成员会议上,SiFotonics与Cisco,Source Photonics 联合提案已被接受立项,而且确定了指标基线。

  在长距核心城域,高速相干检测波分技术已成为主流。100G/200G相干技术已经成熟并大规模商用。400G 相干技术业已接近商用,预计2021年会开始上量。由领先互联网公司推动的OIF 400G ZR数据中心互联标准光模块也成为400G相干技术商用的重要推手。据产业预测,2020年相干收发模块产值有8亿美金(不包括系统产商自研自产部分),在2024年会达到15亿美金,大部分成长会来自400G相干产品在数据中心互联应用。5G移动光网络演进,回传汇聚需求升级也会推动低成本低功耗小尺寸100G 相干解决方案。在IEEE标准组织已有一个802.3ct正在推动100G ZR标准化。随着相干技术的普及发展, 硅光集成芯片技术也开始占据越来越大的份额。产品型态上,也主要分为两种:集成相干接收器,与集成相干收发器。前者用于与III-V发射器配套,后者则承担相干调制接收完整功能。

  以SiFotonics的集成相干收发器硅光芯片为例,它可以在一个几毫米见方的小尺寸单芯片上集成耦光器,波导,MZ调制器阵列,偏振光旋转器,分光器,合光器,90度混合器,可调衰减器,平衡探测器阵列,等上百个分立器件,大幅减小尺寸,降低成本,极大增强可生产性,为相干技术规模化应用奠定坚实的基础。另外,硅光集成芯片也有良好的平台特性,做一些细微调整,就可涵盖100G QPSK,200G 16QAM,与400G 16QAM 的应用。

  上图展示相干光芯片在相干模块中的应用:最核心的就是“集成相干发射接收组件” (ICTROSA,包括了相干芯片,及配套的驱动器,跨阻放大器电芯片)。其他重要器件包括窄线宽可调激光器光源,数字信号处理器。

  当前的几乎所有的互联网应用都是由遍布全球的大数据中心支持的,而数据中心中海量的服务器是由大带宽交换机通过光纤互联。实际上近年来数据中心大带宽光互联已成为光通讯产业技术发展的主要驱动力,在光通讯产业营收中占据越来越大的比重,超越电信应用。在高速光通领域,数据中心引领100G光收发模块大规模应用,100G PSM4 与CWDM4等已经进入成熟期。从2020年开始,领先互联网公司已开始切换到400G,其中一个最重要的产品是400G DR4: 通过4通道并行单波100G 四电平调制(PAM4)达到成本最优400G光互联解决方案。

  SiFotonics在100G 时代,已经把4x25G的锗硅PD阵列用在100G PSM4和CWDM4数据中心规模商用。在400G时代,SiFotonics一方面可以提供4X100G锗硅PD阵列给用III-VI EML做发射器的模块产家,另一方面, 我们推出了单片集成收发400G DR4 硅光芯片解决方案,用到了硅光芯片集成度高,性能好,与高速电芯片配合度高,可大批量生产等多个优势。

  SiFotonics的400G DR4硅光芯片集成了4x100G MZM调制器阵列,光功率监测,4x100G 锗硅探测器阵列,分光器,光斑尺寸转换器,等等。这款硅光芯片与分立EML相比,有更优越的封装成品效率成本,混合集成TIA\DRIVER电芯片获得更优越的性能,减少激光器数量,不需制冷,更低成本,也更低功耗。

  以400G DR4 QSFP-DD 模块应用为例,硅光芯片集成度高,可以将激光光源数量降低到一只或两只支持4通道调制,光源耦合可以通过带尾纤光源,或直接透镜耦合。前者的优点是激光器可以单独低成本气密封装,光耦合简单。电口与TIA、Driver IC 合封可以用打线或倒扣键合。可以看到硅光芯片方案使整个收发模块集成非常简洁,有助于规模化生产,优势明显。早期的400G DR4解决方案多用分立EML,近期硅光芯片已开始成熟发力,越来越成为大物联网公司青睐的解决方案。

  随着云计算的大规模普及,特别是人工智能 (AI)的发展,大数据中心互联带宽升级增速。2020年是400G 开始规模商用元年,同时大互联网公司已开始800G布局,排上应用日程,领先的将于2021年开始部署。大规模800G商用有赖于单位比特率成本的降低,硅光因其集成优势助推800G 早日切入。业内预计2 x 400G 会是第一步,以此实现800G速率。

  对于800G的长远方案,业内已开始讨论预研4X200G的方案,波特率可能要增长到106 GBaud。 在这个高波特率加倍之下,对探测器要求也更高,简单的PIN探测器能覆盖的距离更短。很有可能2公里以上的应用场景就要求用灵敏度更高的波导型APD。另外,业内也在讨论随着速率继续倍增,相干技术近一步成熟,是否会在1.6T 世代开始用于短距数据中心内部互联。另外,最近一个热门课题是“合封光电” (Co-packaged Optics, ”CPO“)。这项新技术的部署可能需要3-5年时间,主要目的是通过光电收发组件与交换机芯片直接封装整合,消除传统电路板走线高速电损耗,达到交换机整机功耗大幅降低。

  业内对“合封光电”解决方案个有千秋,最大的两大阵营是激光器内置,还是外置。内置的优势是自成一体。劣势是可靠性隐患。激光器在核心器件中历来是失效率最高的,而且“合封光电”模组靠近大功耗的交换芯片,工作温度高,对激光器效率,可靠性和失效率都是严峻考验。而且失效后维修替换几不可能。外置激光器有诸多优势:激光器光源可以单独做可插拔模块,便于维修替换,可以灵活分光提高应用效率。在交换机整机布局上可以更灵活设计,远离“热点”,提高效率,可靠性,降低失效率。上图的例子是一个51.2 Tbps交换机,配置16个3.2Tbps的“合封光电”模块, 与交换芯片之间用XSR接口来降低整体功耗,预估30-40%节省。这个3.2Tbps的“合封光电”模块需要集成32个100G通道。这种高集成度需求之下,硅光基本是唯一的选择。领先互联网公司数据中心客户对硅光集成充满期待。脸书与微软联合推出“合封光电合作” 项目(http://www.copackagedoptics.com.paulmartinezmusic.com),推动产业链发展。近期思科大手笔收购Luxtera、Acacia也可以视为作为头部龙头企业产业发展战略未雨绸缪,提前布局。

  硅光技术除了在光通讯领域的应用之外,还有很多其他应用。比如近期热门的激光雷达(Lidar)。激光雷达在自动驾驶,机器人等新兴产业有广阔的应用前景。现有的方案大多是分立器件的排列组合,尺寸大,可靠性低,成本高。激光雷达本质是光电发收结合系统,与通讯用器件系统有诸多相通之处。工业界和学术界已在讨论如何用硅光集成技术助力激光雷达缩小尺寸,提高性能,降低成本。举个例子,激光雷达要得到对视景的高清三维点阵需要,需要对视景用激光束扫描。现有的方案多用机械装置,具大尺寸,低可靠性, 高成本弱点。这里举例一项UBSB Codren 与Bowers 教授小组的研究结果:他们用硅光芯片与III-V 材料混合集成, 实现了全固体光束扫描。这还只是诸多例子的一个。这些早期研究并不一定都能规模商用,但却是硅光技术在激光雷达应用的有益创新和尝试。

  另外一个激动人心的应用是人工智能(AI)计算。人工智能计算需要快速,大规模矩阵运算。传统数字电子计算机需要庞大的运算资源,特别耗电。麻省理工最近运用大阵列MZ相位调制,位移器硅光芯片作为神经网络运算单元来实现深度学习运算。这项研究显示光神经网络比传统电子计算机有两个数量级速度提升,且功耗降低达三个数量级。

  总结一下,锗硅探测器已在5G和数据中心有多方面规模商用,特别是雪崩二级管探测器为25G、50G、100G、200G、 400G都提供了增长传输距离的核心功能。 硅光集成芯片也已为数据中心/城域光通讯提供100G/400G直接检测及相干检测解决方案。下一代光通信路标已延伸到800G,及3.2Tbps “合封光电”中,而硅光芯片将成为主角。硅光芯片集成技术并具有广阔的应用前景,包括激光雷达、人工智能计算等诸多领域。

  讲师简介:于让尘博士现任SiFotonics 首席运营官。在加入SiFotonics之前十年,于博士任 NASDAQ上市公司Oplink (被Molex 并购) 业务发展副总裁兼光电解决方案事业部总经理,领导推动内部硅光集成芯片研发及对Elenion的战略投资。他是推动100G PAM4技术被广泛采用的领导者之一,也是100G Lambda MSA的市场推广联席主席,后者已在加速成为100G及400G+光网络新一代行业标准。加入Oplink之前,于博士曾任索尔思光电 (Source Photonics) 全球副总裁,及飞博创(索尔思光电前身)副总裁。他还在复合半导体光电芯片先驱公司Agility Communications及SDL (都被JDSU并购)任高级管理职位。于博士拥有宾西法尼亚大学固体物理学博士,和北京大学物理学学士学位。

直播回放链接:http://video.iccsz.com.paulmartinezmusic.com/item.Asp?ID=6

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