北郵張磊：不同光模塊解決方案需要找到合適應(yīng)用場(chǎng)景

5月11日消息（艾斯）在今日由CIOE中國(guó)光博會(huì)與C114通信網(wǎng)聯(lián)合推出的大型研討會(huì)系列活動(dòng)——“2023中國(guó)光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇”第四期“光芯片與高端器件技術(shù)研討會(huì)”上，北京郵電大學(xué)研究員張磊就未來光模塊和光芯片的需求和發(fā)展情況進(jìn)行了詳細(xì)介紹與趨勢(shì)分析。

他表示，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景（溫度范圍、速率、傳輸距離），將需要不同的光模塊解決方案。無論是硅光、鈮酸鋰還是III-V化合物半導(dǎo)體，都需要找到合適的場(chǎng)景。

光模塊是實(shí)現(xiàn)5G低成本、廣覆蓋的關(guān)鍵要素

根據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年我國(guó)累計(jì)建成開通5G基站超過230萬個(gè)。而光模塊是5G網(wǎng)絡(luò)物理層的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，廣泛應(yīng)用于無線及傳輸設(shè)備，其成本在系統(tǒng)設(shè)備中的占比不斷增高，部分設(shè)備中甚至超過50-70%，是5G低成本、廣覆蓋的關(guān)鍵要素。除了5G對(duì)光模塊的需求外，數(shù)據(jù)中心、光接入網(wǎng)對(duì)光模塊的需求也非常大。

張磊談到，IMT-2020(5G)推進(jìn)組在《下一代5G承載光模塊》和《 5G承載與數(shù)據(jù)中心光模塊》等白皮書中提到，要加速高速率芯片和低成本光模塊研發(fā)，并且提升承載設(shè)備的差異化方案兼容性。早在2018年的白皮書中，就提出了對(duì)5G承載的光模塊對(duì)光芯片的需求。

他指出，5G有一個(gè)比較特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，那就是在前傳當(dāng)中，需要把光模塊放在室外，所以對(duì)工作溫度要求的范圍比較高，要求達(dá)到工業(yè)級(jí)（-40~85℃），這對(duì)光芯片的設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期工作是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)。采用“商業(yè)級(jí)激光器芯片+制冷封裝”對(duì)芯片要求低，但功耗和成本高。“直接采用工業(yè)級(jí)激光器芯片”，封裝簡(jiǎn)單、功耗和成本低，但25GBaud工業(yè)級(jí)激光器芯片供應(yīng)渠道有限。

上述白皮書在2018年曾呼吁，5G光模塊存在數(shù)千萬量級(jí)的巨大需求，而我們國(guó)家當(dāng)時(shí)的研發(fā)與國(guó)外存在1-2代的差距，所以需要加快對(duì)更高速率、更長(zhǎng)距離、更寬溫度范圍和更低成本的光模塊研制。

不過，據(jù)張磊介紹，來到2023年之后，我國(guó)在25G、50G光模塊的量產(chǎn)方面已經(jīng)達(dá)到與國(guó)外齊頭并進(jìn)的水平。在100G單波和400G、800G方面我國(guó)也已有研發(fā)力量的投入，與國(guó)外差距不大。在核心光電子芯片方面，不管是傳統(tǒng)的化合物半導(dǎo)體還是新型的硅光，我國(guó)與國(guó)際上都沒有明顯的差別。

三種光芯片實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的技術(shù)

張磊介紹說，集成光芯片概念的提出與激光器、光纖是同一個(gè)年代，都是在上世紀(jì)60年代。與集成電路相比，光子芯片的實(shí)現(xiàn)材料平臺(tái)相對(duì)較多，這些平臺(tái)具有不同的特點(diǎn)，有的適合做有源器件，有的適合做無源器件，而這當(dāng)中有一個(gè)比較重要的參數(shù)是“折射率差”，折射率差會(huì)非常大地影響芯片設(shè)計(jì)。

他表示，在硅光（SiP）里面，這個(gè)折射率差非常大，所以硅光的器件可以做得很小，彎曲半徑可以做到10微米以下，所以硅光最大的特征就是它的集成度。硅材料的獲得較為容易，其工藝可以繼承微電子的工藝，這些都使得它具有低成本的優(yōu)勢(shì)。硅光材料折射率差大，除了可以使集成度更高之外，另一個(gè)好處是比較容易控制偏振態(tài)，很容易做到偏振旋轉(zhuǎn)、偏振復(fù)用。

“同時(shí)，折射率差大也存在兩個(gè)壞處，一是側(cè)壁粗糙帶來的損耗大；二是模場(chǎng)直徑小，與光纖耦合困難。另外兩個(gè)硅光比較大的限制是材料本身帶來的：間接帶隙難發(fā)光；以及中心反演對(duì)稱，難電光調(diào)制。”

張磊談到，硅光子芯片工藝與CMOS工藝對(duì)比相對(duì)簡(jiǎn)單得多。目前亞洲與歐洲的硅光MPW工藝普遍為8英寸+180nm/130nm工藝節(jié)點(diǎn)（AMF、IMEC、CompoundTek、IMECAS、CUMEC、上海工研院），硅波導(dǎo)極限尺寸在100nm左右，損耗在1.5至3dB/cm；美國(guó)硅光工藝線普遍采用12英寸+90nm或更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)（AIM、GlobalFoundries），且可集成CMOS電路單元。

第二種光子芯片實(shí)現(xiàn)技術(shù)是近幾年剛出現(xiàn)的一種技術(shù)——薄膜鈮酸鋰（LNOI）。張磊稱，鈮酸鋰作為光子晶體有幾十年的歷史，但是薄膜鈮酸鋰這一工藝是在2010年以后由我國(guó)山東濟(jì)南晶正科技公司研制出來。薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的優(yōu)勢(shì)包括：體積小、穩(wěn)定性好、帶寬大、傳輸速率高、功耗小、CMOS驅(qū)動(dòng)電壓兼容、可實(shí)現(xiàn)光集成。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果，酸鋰調(diào)制器與InP調(diào)制器的帶寬要遠(yuǎn)大于硅光調(diào)制器。

第三種光子芯片實(shí)現(xiàn)平臺(tái)則是目前主流的III-V化合物半導(dǎo)體平臺(tái)，也即InP光子集成平臺(tái)。它的特點(diǎn)是所有單元都能做，但是由于其折射率差沒有硅大，所以器件比較大，損耗也相對(duì)比較大，但功能相對(duì)齊全。

國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品與研發(fā)現(xiàn)狀

在硅光方面，張磊介紹了福建泉州宏芯公司，其樣品涵蓋從100G CWDM4、200G FR4到400G DR4和400G FR4、800G，其中部分產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)。另外是武漢國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心，利用NOEIC商用標(biāo)準(zhǔn)硅光工藝平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)包覆式PIN結(jié)型的鍺硅電吸收調(diào)制器，能同時(shí)提高調(diào)制效率和帶寬，具有緊湊的尺寸 (1×20μm2)，并且實(shí)現(xiàn)了3 dB帶寬大于110 GHz及148 Gbit/s NRZ和280 Gbit/s PAM-4速率光信號(hào)產(chǎn)生，這兩項(xiàng)指標(biāo)均是國(guó)際最高水平。此外他還介紹了香港中文大學(xué)以及思科（Acacia）與中國(guó)移動(dòng)研究院在硅光方面的最新研究成果。

在鈮酸鋰技術(shù)方面則介紹了國(guó)內(nèi)的寧波元芯公司，其波導(dǎo)傳輸損耗可以做到0.23dB/cm，其薄膜鈮酸鋰調(diào)制器帶寬可以做到67GHz。在化合物半導(dǎo)體平臺(tái)方面，張磊重點(diǎn)介紹了infinera推出的1.6Tbps單片集成InP PIC，集成了4個(gè)可調(diào)激光器，器件封裝后的帶寬可達(dá)到50GHz。

他強(qiáng)調(diào)，不同的應(yīng)用場(chǎng)景（溫度范圍、速率、傳輸距離），需要不同的光模塊解決方案。硅光、鈮酸鋰、化合物半導(dǎo)體需要找到合適的場(chǎng)景。“SiP光模塊帶寬與損耗受限，需要更多的電芯片輔助（預(yù)加重、預(yù)失真、數(shù)字信號(hào)處理）。LNOI光模塊有自主可控的基底材料，目前沒有規(guī)?；拇S，可靠性與良率待驗(yàn)證。而III-V方案目前仍然是光模塊主力方案，在800G、Tbps及CPO后，可能需要與SiP配合。”

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