1965年英特爾創始人(rén)之一戈登.摩爾發表了(le)一個(gè)著名的(de)論斷：當價格保持不變時(shí)，集成電路上可(kě)容納的(de)元器件的(de)數目大(dà)約每隔18~24個(gè)月(yuè)增長(cháng)一倍，性能也(yě)将提升一倍，這(zhè)便是舉世聞名的(de)摩爾定律。
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然而到了(le)50年後的(de)現在，該路線走到了(le)終點。
摩爾定律在更高(gāo)的(de)數據傳輸要求前已不再适用(yòng)，随著(zhe)晶體管體積越來(lái)越小，電布線的(de)解決方案有其自身極限——提高(gāo)傳輸速度時(shí)，耗電量會急劇增加，傳輸距離變得(de)非常短，同時(shí)也(yě)會遇到信号延遲變大(dà)、傳輸帶寬小、信号間串擾大(dà)的(de)問題。
銅電路達到了(le)物(wù)理(lǐ)瓶頸，止步于50Gb/s的(de)傳輸極限。随著(zhe)速率的(de)提升尤其是400G時(shí)代的(de)到來(lái)，闆上集成面臨的(de)挑戰加劇，信号完整性和(hé)功耗等問題常常讓工程師束手無策，人(rén)們渴望新材料的(de)出現從根本上改善光(guāng)模塊在高(gāo)速鏈路裏可(kě)能出現的(de)諸多(duō)問題。
新材料？Ⅲ-Ⅴ族和(hé)矽基材料哪家強？
21世紀是新材料的(de)時(shí)代, 2018年中科大(dà)天才少年曹原即因爲與石墨烯相關的(de)重大(dà)發現引起了(le)轟動。
石墨烯甚至黑(hēi)磷等都是很有前景的(de)材料，而當前擁有較爲成熟産業鏈的(de)新材料主要是Ⅲ-Ⅴ族和(hé)矽基材料。
?甘甫烷《矽基集成激光(guāng)器的(de)挑戰與機遇》演講PPT
下(xià)表主要列出了(le)兩者之間的(de)性能對(duì)比。
作爲Ⅲ-Ⅴ族化(huà)合物(wù)半導體之一，磷化(huà)铟(InP)具有電子遷移率高(gāo)、耐輻射性能好、禁帶寬度大(dà)等優點，在兩大(dà)應用(yòng)領域擁有關鍵優勢：
光(guāng)子領域：波長(cháng)爲1000nm以上的(de)發射和(hé)探測能力；
射頻(pín)領域：高(gāo)頻(pín)RF應用(yòng)中的(de)高(gāo)速和(hé)低噪聲性能。
基于InP材料的(de)激光(guāng)器、調制器、探測器及其模塊已廣泛應用(yòng)于光(guāng)通(tōng)信。
InP半導體激光(guāng)器主要是邊發射激光(guāng)器，主要是以下(xià)兩種類型：
分(fēn)布式反饋激光(guāng)(DFB)
電吸收調制激光(guāng)器(EML)
DFB
可(kě)實現速率在25G及以下(xià)，傳輸距離在10千米以内，适用(yòng)于數據中心、城(chéng)域網及接入網。
EML
可(kě)實現速率在50G及以下(xià)，傳輸距離在80千米以内，主要适用(yòng)于骨幹網、城(chéng)域網及DCI互聯。
但是由于InP材料的(de)高(gāo)成本和(hé)與CMOS工藝不兼容的(de)缺陷，InP受到了(le)矽基材料的(de)挑戰。基于晶圓和(hé)标準化(huà)的(de)CMOS工藝，矽基材料不僅具有高(gāo)調制帶寬(>30GHz)的(de)技術特性，在器件尺寸、集成規模和(hé)成本方面也(yě)具有相當的(de)優勢。
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矽基材料也(yě)有其固有缺陷：矽是間接帶隙，發光(guāng)效率低。
目前矽基材料還(hái)無法在片上集成激光(guāng)器，因此隻能通(tōng)過外部光(guāng)源、貼裝光(guāng)源、混合集成、異質集成等方式，這(zhè)些方式也(yě)帶來(lái)了(le)散熱(rè)設計、耦合封裝系統損耗大(dà)等挑戰。
矽光(guāng)産業現狀如何？
盡管矽光(guāng)材料擁有一定的(de)先天缺陷，業界還(hái)是認爲矽基材料可(kě)以取代傳統的(de)磷化(huà)铟方案，尤其是在高(gāo)速光(guāng)通(tōng)信模塊的(de)研究領域。
下(xià)表列出矽基光(guāng)電子核心器件和(hé)關鍵技術面臨的(de)主要挑戰和(hé)發展趨勢。
人(rén)們從未放棄在矽基上直接發光(guāng)的(de)探索，從20世紀90年代發現多(duō)孔矽的(de)室溫發光(guāng), 2000年觀察到納米矽的(de)增益，直到最近幾年矽拉曼激光(guāng)器，Ⅲ-Ⅴ族-矽混合激光(guāng)器，無不引起世界光(guāng)電子研究學者的(de)極大(dà)關注。
大(dà)量科研人(rén)員(yuán)進行了(le)探索，比如：矽摻GeSn, 矽摻Er, 矽納米顆粒等。當前量子點激光(guāng)器可(kě)能是一個(gè)重要的(de)矽基光(guāng)源解決方案。
矽基材料的(de)一個(gè)重要特點就是可(kě)以實現高(gāo)密度、大(dà)規模的(de)集成，這(zhè)對(duì)光(guāng)通(tōng)信模塊的(de)生産效率提升至關重要。
随著(zhe)波導理(lǐ)論的(de)成熟，基于CMOS制造工藝的(de)矽光(guāng)技術被應用(yòng)到光(guāng)收發模塊器件的(de)設計制備中。矽光(guāng)利用(yòng)傳統半導體産業非常成熟的(de)矽晶圓加工工藝，在矽基底上利用(yòng)蝕刻工藝加速了(le)大(dà)規模波道器件的(de)生産；加上外延生長(cháng)等加工工藝制備調制器、接收器等關鍵器件，實現了(le)調制器、接收器以及無源光(guāng)學器件的(de)高(gāo)度集成。
相比于傳統分(fēn)立式器件，矽基工藝不再需要依次封裝電芯片、光(guāng)芯片、透鏡、對(duì)準組件、光(guāng)纖端面等器件，矽光(guāng)體積大(dà)幅減小，材料成本、芯片成本、封裝成本均有望進一步優化(huà)，同時(shí)，矽光(guāng)技術可(kě)以通(tōng)過晶圓測試等方法進行批量測試，測試效率顯著提升。
目前矽光(guāng)技術仍處于起步階段，光(guāng)通(tōng)信傳統應用(yòng)領域穩步增長(cháng)，成爲了(le)矽光(guāng)産業鏈的(de)發展基礎。
目前光(guāng)模塊主要應用(yòng)領域爲電信和(hé)數據中心信息傳輸。受益于流量的(de)持續高(gāo)速增長(cháng)，以及5G密集組網等新需求的(de)顯現，光(guāng)通(tōng)信領域對(duì)光(guāng)模塊的(de)需求量穩步增長(cháng)，同時(shí)光(guāng)模塊處于10G向100G、100G向400G升級的(de)叠代周期，高(gāo)速産品的(de)價值不斷提升。
矽光(guāng)技術作爲逐步成熟的(de)高(gāo)集成度技術方案，在光(guāng)通(tōng)信市場(chǎng)逐漸獲得(de)了(le)一定的(de)市場(chǎng)份額。
矽光(guāng)材料用(yòng)于相幹光(guāng)模塊的(de)前景
雖說光(guāng)模塊的(de)市場(chǎng)份額尚不足以體現矽光(guāng)技術的(de)價值，結構光(guāng)面部識别、量子通(tōng)信等廣闊的(de)應用(yòng)領域也(yě)提出了(le)相應的(de)矽光(guāng)解決方案——“更大(dà)的(de)世界在召喚它”，但是矽光(guāng)材料在光(guāng)模塊領域的(de)應用(yòng)還(hái)是契合了(le)當前矽光(guāng)技術較爲初級的(de)階段。
目前出貨的(de)矽光(guāng)模塊産品主要分(fēn)爲兩大(dà)類：
短距離數據中心光(guāng)模塊
中長(cháng)距離的(de)電信相幹模塊
短距離數據中心光(guāng)模塊
? 數據中心的(de)100G QSFP28 PSM4
傳統100G PSM4方案使用(yòng)4個(gè)25G速率的(de)激光(guāng)器分(fēn)别調制4路信号經4根光(guāng)纖（MPO高(gāo)密度連接器）傳輸100G的(de)總體速率。
引入矽光(guāng)技術後，調制器和(hé)無源光(guāng)路可(kě)以高(gāo)度集成，大(dà)幅節約了(le)芯片成本（光(guāng)模塊中40%是光(guāng)芯片成本，其中20%左右的(de)激光(guāng)器成本節約3/4）。
不過由于光(guāng)纖與矽波導之間巨大(dà)的(de)模場(chǎng)失配，芯片和(hé)光(guāng)纖的(de)耦合損耗成爲了(le)系統損耗的(de)主要來(lái)源，導緻了(le)光(guāng)路功率預算(suàn)的(de)不足，因此目前隻在500米短距離相對(duì)成熟。
? 100G CWDM4矽光(guāng)方案
100G CWDM4矽光(guāng)方案無法解決光(guāng)芯片的(de)數量，隻能優化(huà)無源器件成本，比如易飛(fēi)揚(Gigalight)的(de)Mini tosa的(de)制備正是基于此研發而成。
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中長(cháng)距離的(de)電信相幹模塊
當前的(de)相幹産品主要是100G的(de)速率，在光(guāng)源端采用(yòng)外部光(guāng)源+放大(dà)器的(de)形式，但是CFP和(hé)CFP2這(zhè)兩種封裝體積是在太大(dà)，并且功耗問題也(yě)很嚴重；矽光(guāng)方案的(de)優勢主要體現在相幹調制以及合分(fēn)波器件的(de)高(gāo)度集成化(huà)，加上完善的(de)溫控設計，可(kě)以大(dà)幅解決相幹産品的(de)缺陷。
當前矽光(guāng)技術在成本上整體優勢并不明(míng)顯，封裝工藝仍有技術難點需要突破，産品良率仍有差距。
矽光(guāng)真正可(kě)以大(dà)顯身手的(de)機遇期是在400G時(shí)代。
400G時(shí)代
由于400G技術的(de)要求，需要應用(yòng)單通(tōng)道56G或112G速率，但是目前的(de)NRZ技術很難突破單路56G傳輸速率，主要原因在于56G/112G信号的(de)通(tōng)道損耗和(hé)反射引入代價太大(dà)，同時(shí)對(duì)通(tōng)道Cross-Talk（串擾）的(de)容忍性極大(dà)降低。
因此人(rén)們引進了(le)PAM4技術，結合DSP數字信号處理(lǐ)進行補償，但是這(zhè)也(yě)使得(de)系統不夠透明(míng)且難以管理(lǐ)。業界急需研制出單波100G的(de)芯片——這(zhè)個(gè)時(shí)候矽光(guāng)的(de)優勢便得(de)以體現出來(lái)。
?當前基于PAM4的(de)400G-DR4眼圖（來(lái)自Tektronix）
目前業界普遍的(de)看法是: 100G時(shí)代，矽光(guāng)技術對(duì)并行方案——100G PSM4産品有一定影(yǐng)響；而到了(le)400G時(shí)代，矽光(guāng)在500m距離的(de)400G DR4具有顯著優勢，長(cháng)距離則要用(yòng)到EML調制或者相幹技術。
總結
矽光(guāng)技術以其悠久的(de)研究曆史和(hé)出色的(de)産業鏈正成爲400G高(gāo)速光(guāng)模塊的(de)革命起點，與傳統的(de)磷化(huà)铟方案相比，矽基材料具有與CMOS工藝兼容、易大(dà)規模集成的(de)固有優勢。
業界也(yě)普遍看好矽光(guāng)技術，思科首席技術官與首席架構師Dave Ward稱：“矽光(guāng)子是當今ASIC中最具發展前途的(de)東西。這(zhè)是唯一一種能夠解決長(cháng)期技術與商業需求的(de)颠覆性技術。”
由于電芯片面臨的(de)技術瓶頸，當前相幹模塊有下(xià)移至30km到80km的(de)DCI應用(yòng)場(chǎng)景的(de)趨勢；與III-V族材料相比，矽基技術當前的(de)困境在于光(guāng)源難以在片上集成，因此像COBO等聯盟更偏向于光(guāng)電混合集成。
易飛(fēi)揚(Gigalight)是矽光(guāng)技術的(de)堅定支持者，在完成100G QSFP28 PSM4的(de)矽光(guāng)模塊的(de)同時(shí)，又展開了(le)對(duì)400G矽光(guāng)關鍵技術的(de)研究。相信在科研力量的(de)支持下(xià), 400G矽光(guāng)項目可(kě)以早日落地，對(duì)高(gāo)速率相幹光(guāng)模塊市場(chǎng)帶來(lái)技術的(de)改善和(hé)變革。了(le)解更多(duō)矽光(guāng)信息，請訪問：https://www.gigalight.com/cn/100g-qsfp28-psm4-500m.html
部分(fēn)内容引用(yòng)自：
1. 麥姆斯咨詢《磷化(huà)铟晶圓和(hé)外延片市場(chǎng)現狀與未來(lái)》
2. 天風證券《光(guāng)通(tōng)信僅土壤，消費需求才是未來(lái)》
3. 中電三十八所 馮俊波、郭進《矽基光(guāng)電子核心器件與技術概述》
