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        訊石直播|SiFotonics于讓塵博士: 硅光在5G及數據中心應用前景

        摘要:訊石首次線上直播活動—“5G浪潮下的硅光技術”邀請到了國際領先硅光企業SiFotonics Technologies首席運營官于讓塵(Ryan Yu)博士介紹了硅光在5G及數據中心應用前景。當日直播觀看次數超過4500人次,觀看人數超過2000人。

          ICC訊(編輯:Jane)3月5日,訊石首次線上直播活動—“5G浪潮下的硅光技術”成功舉辦。活動榮幸邀請到了國際領先硅光企業SiFotonics Technologies首席運營官于讓塵(Ryan Yu)博士介紹了硅光在5G及數據中心應用前景。本次直播首秀受到了行業廣泛關注,當日直播觀看次數超過4500人次,觀看人數超過2000人。于博士在直播中向觀眾呈現了十分精彩的演講。

          諾基亞于2月19日宣布收購了硅光子技術公司Elenion,硅光技術再一次得到了設備商的青睞。近年來,關于設備商對硅光技術的收購與整合的從未停歇。網絡設備巨擎思科先后收購了硅光公司Lightwire、luxtera、Acacia;華為收購了比利時硅光子公司Caliopa;Ciena收購TeraXion磷化銦和硅光子資產,Juniper收購了Aurrion。 加上最近諾基亞收購了Elenio,這些并購案總價值達40億美金。一方面顯示硅光技術在光通信領域占據的地位越來越重要,另一方面也說明硅光技術越來越成熟,開始大規模進入市場。

          據行業預測,至2024年,光模塊的市場總額達到160億美元,其中數據通信光模塊的營收將達到120億美元,5G無線產品市場大約是13億美元,DWDM的市場約在18億美元。業界之所以對硅光倍加關注,是對硅光在未來幾年發展有很大的期許。

          根據行業調查機構Yole的預測,2020年,基于硅光技術的光模塊市場達到7.4億美元,至2024年硅光模塊市場容量將達到40億美元,年復合增長率44%, 在整個光通訊模塊市場占比達到1/4 以上,特別是在高速成長的大數據中心光網絡占比更高。

          從技術來說,在不同速率和距離的與傳輸距離下,硅光技術相比III-V器件競爭優勢有演進的過程。在單通道波特率低于25G,短距離傳輸(<10km),III-V DML(直調激光器)的性價比較優;隨著傳輸速率及距離增加,激光集成電吸收調制器芯片(EML)因其優異高速調制頻響,低驅動電壓,低啁啾,成為主要光電器件,特別是單通道速率到50G波特率以上。隨著大數據中心對聯結帶寬的不斷升級,多通道技術成為必須,高集成高速硅光芯片成為性價比更優越的選項。從用4x25G 為代表100Gbps大數據中心光互聯時代開始,以Intel、 Luxtera的硅光產品開始嶄露頭角,開始規模化進入市場。當前,100G已進入成熟應用,400G (4x100G)正在進入規模商用,同時800G(8x100G) 也已開始在大規模人工智能及高密度交換機互聯開始試商用。硅光解決方案因其高集成度、低功耗、小型封裝,大規模可生產性的強勁競爭優勢,承載著業界的期望。在高速(100Gbps)長距(>80km) 傳輸應用方面,相干檢測因其不可替代的抗色散特性成為主流技術解決方案。相干檢測需要更復雜的多通道調制解調平衡探測組合,硅光集成技術成為相干檢測大規模商用的重要技術基礎。目前,100G相干硅光方案已經規模商用多年,多廠家正在角逐400G ZR 相干技術在數據中心互聯(DCI)規模商用。同時,800G 相干方案也已開始進入預研階段。

          掌握鍺硅工藝制程對企業來說至關重要。業內知名的硅光公司中,Intel是垂直整合徹底,100%擁有自己的制程工藝晶圓產線,其他幾家硅光公司都是代工模式,不掌控外延生長及工藝配方。SiFotonics擁有鍺硅外延生長設備及工藝配方,在晶圓代工廠生產。這個優勢使SiFotonics 芯片研發可以低成本,更快速迭代,將新產品推向市場,給客戶更優質的支持。SiFotonics擁有成熟的鍺硅雪崩二極管( APD)器件設計工藝,是所有硅光公司中最獨特的技術能力, 同時也是硅光芯片產品線覆蓋面最廣的廠家。SiFotonics芯片設計研發在北京,晶圓生產在臺灣,在日益復雜的全球供應鏈格局之下有獨特的貢獻。

          SiFotonics 于2007年成立,成立之前,創始人潘棟博士從MIT做硅光的前沿研究。2007年北京研發中心啟動,走在業內硅光產品研發設計商業化的前沿。公司擁有重要的鍺硅器件芯片技術知識產權與專利,包括關鍵的芯片及器件:鍺硅探測器及雪崩二極管,高速MZ 調制器,相干探測集成芯片等等。公司早期就與CMOS代工廠建立策略聯盟投資關系,開發獨有的器件工藝。目前,SiFotonics是業內鍺硅探測器及雪崩二極管的市場領導者,最近公司宣布在2019年全年出貨量超五百萬只。新產品導入包括400G DR4 硅光芯片及相干收發集成芯片。2019年是SiFotonics高速成長的一年,公司的營收增速為400%,成功融資三千萬美金,并成為全球唯一一家獨立的,大批量出貨,且盈利的硅光公司。

          目前,SiFotonics鍺硅探測器及雪崩二極管器件在5G移動光網絡中大規模應用。在前傳應用中,25G鍺硅探測器大量用于25G LR (<=10公里),25G雪崩二極管用于更長距>10公里,及對鏈路預算要求更高的波分應用,如中移動提出的MWDM. 另一個例子是南韓5G前傳布局需要25G超10公里粗波分,APD探測器成為主流應用。50G PAM4鍺硅探測器用于中傳50G LR (<=10公里), 50G雪崩二極管用于50G ER (40公里). 在5G回傳匯聚網中,4x25G雪崩二極管被用于100G 40公里,及200G 40公里傳輸。最近,SiFotonics聯合業內產業鏈上下游在100G Lambda MSA 多源協議中推動100G ER1,用高速APD賦能單波100G傳輸40公里,將成為100G技術解決方案演進要一環。

          鍺硅雪崩二極管探測器是硅光技術規模商用的里程碑之一。與III-V族材料相比,硅作為雪崩放大有天然優勢。但硅材料本身作為光探測器局限于波長<950nm。SiFotonics創新在于把寬光譜吸收的鍺與雪崩放大的硅結合,使高速雪崩二極管探測器性能比III-V族器件更優越。同時,與CMOS制程的兼容,起步于8英寸晶圓,使單位器件產出成本極具競爭力。另外一個顯著優勢是鍺硅雪崩二極管探測器與其它硅光器件結合,可大規模集成,提高整體硅光集成芯片功能與性能。

          光通訊行業的發展一直伴隨傳輸速率的跳躍。從10G、25G、50G PAM4,100G PAM4,每一步的演進,常規PIN探測器的靈敏度隨帶寬增加不斷降低。APD雪崩效應,信號增益放大,高效解決靈敏度降低的痛點。比如當前熱門的5G前傳25G,傳輸超過20公里,就要用APD 來提供足夠的鏈路預算。中移動提出的25G MWDM要用到12波,在最長的4波色散代價高,也要用到APD。在回傳匯聚應用,現在市面上用的100G40公里主流方案是100G 4WDM-40 或ER4-lite,接收解決方案也用的是4個APD探測器。從近期技術演進的方向來看,調制從NRZ 演進到4電平(PAM4)成為主流。PAM4 對信噪比要求提高,APD 在50G 40公里、200G 40公里(4x50G PAM4)也成為必選。隨著單通道100G PAM4 成為新構建單元,100G 單通道40km對APD也提出了新要求。同時400G的4通道方案傳輸10km以上也需使用APD。

          最近SiFotonics正聯合業內產業上下游在100G Lambda MSA 多元協議組織推動單波100G傳輸40公里的100G ER1 成為行業新標準,且得到眾多同行的支持。這項新標準將過去4x25G通道組合傳輸距離30-40km 的方案推進到用單通道100G。單通道100G具有低成本,小功耗,小尺寸等優勢,為業內100G光收發模塊從QSFP28向SFP56-DD,甚至SFP112演進打下基礎。SiFotonics 最近開發出的100G 鍺硅APD結果為這項新標準提供了堅實技術可行性,并在最近2020 OFC做出技術報告展示結果。 在最近的100G Lambda MSA成員會議上,SiFotonics與Cisco,Source Photonics 聯合提案已被接受立項,而且確定了指標基線。

          在長距核心城域,高速相干檢測波分技術已成為主流。100G/200G相干技術已經成熟并大規模商用。400G 相干技術業已接近商用,預計2021年會開始上量。由領先互聯網公司推動的OIF 400G ZR數據中心互聯標準光模塊也成為400G相干技術商用的重要推手。據產業預測,2020年相干收發模塊產值有8億美金(不包括系統產商自研自產部分),在2024年會達到15億美金,大部分成長會來自400G相干產品在數據中心互聯應用。5G移動光網絡演進,回傳匯聚需求升級也會推動低成本低功耗小尺寸100G 相干解決方案。在IEEE標準組織已有一個802.3ct正在推動100G ZR標準化。隨著相干技術的普及發展, 硅光集成芯片技術也開始占據越來越大的份額。產品型態上,也主要分為兩種:集成相干接收器,與集成相干收發器。前者用于與III-V發射器配套,后者則承擔相干調制接收完整功能。

          以SiFotonics的集成相干收發器硅光芯片為例,它可以在一個幾毫米見方的小尺寸單芯片上集成耦光器,波導,MZ調制器陣列,偏振光旋轉器,分光器,合光器,90度混合器,可調衰減器,平衡探測器陣列,等上百個分立器件,大幅減小尺寸,降低成本,極大增強可生產性,為相干技術規模化應用奠定堅實的基礎。另外,硅光集成芯片也有良好的平臺特性,做一些細微調整,就可涵蓋100G QPSK,200G 16QAM,與400G 16QAM 的應用。

          上圖展示相干光芯片在相干模塊中的應用:最核心的就是“集成相干發射接收組件” (ICTROSA,包括了相干芯片,及配套的驅動器,跨阻放大器電芯片)。其他重要器件包括窄線寬可調激光器光源,數字信號處理器。

          當前的幾乎所有的互聯網應用都是由遍布全球的大數據中心支持的,而數據中心中海量的服務器是由大帶寬交換機通過光纖互聯。實際上近年來數據中心大帶寬光互聯已成為光通訊產業技術發展的主要驅動力,在光通訊產業營收中占據越來越大的比重,超越電信應用。在高速光通領域,數據中心引領100G光收發模塊大規模應用,100G PSM4 與CWDM4等已經進入成熟期。從2020年開始,領先互聯網公司已開始切換到400G,其中一個最重要的產品是400G DR4: 通過4通道并行單波100G 四電平調制(PAM4)達到成本最優400G光互聯解決方案。

          SiFotonics在100G 時代,已經把4x25G的鍺硅PD陣列用在100G PSM4和CWDM4數據中心規模商用。在400G時代,SiFotonics一方面可以提供4X100G鍺硅PD陣列給用III-VI EML做發射器的模塊產家,另一方面, 我們推出了單片集成收發400G DR4 硅光芯片解決方案,用到了硅光芯片集成度高,性能好,與高速電芯片配合度高,可大批量生產等多個優勢。

          SiFotonics的400G DR4硅光芯片集成了4x100G MZM調制器陣列,光功率監測,4x100G 鍺硅探測器陣列,分光器,光斑尺寸轉換器,等等。這款硅光芯片與分立EML相比,有更優越的封裝成品效率成本,混合集成TIA\DRIVER電芯片獲得更優越的性能,減少激光器數量,不需制冷,更低成本,也更低功耗。

          以400G DR4 QSFP-DD 模塊應用為例,硅光芯片集成度高,可以將激光光源數量降低到一只或兩只支持4通道調制,光源耦合可以通過帶尾纖光源,或直接透鏡耦合。前者的優點是激光器可以單獨低成本氣密封裝,光耦合簡單。電口與TIA、Driver IC 合封可以用打線或倒扣鍵合。可以看到硅光芯片方案使整個收發模塊集成非常簡潔,有助于規模化生產,優勢明顯。早期的400G DR4解決方案多用分立EML,近期硅光芯片已開始成熟發力,越來越成為大物聯網公司青睞的解決方案。

          隨著云計算的大規模普及,特別是人工智能 (AI)的發展,大數據中心互聯帶寬升級增速。2020年是400G 開始規模商用元年,同時大互聯網公司已開始800G布局,排上應用日程,領先的將于2021年開始部署。大規模800G商用有賴于單位比特率成本的降低,硅光因其集成優勢助推800G 早日切入。業內預計2 x 400G 會是第一步,以此實現800G速率。

          對于800G的長遠方案,業內已開始討論預研4X200G的方案,波特率可能要增長到106 GBaud。 在這個高波特率加倍之下,對探測器要求也更高,簡單的PIN探測器能覆蓋的距離更短。很有可能2公里以上的應用場景就要求用靈敏度更高的波導型APD。另外,業內也在討論隨著速率繼續倍增,相干技術近一步成熟,是否會在1.6T 世代開始用于短距數據中心內部互聯。另外,最近一個熱門課題是“合封光電” (Co-packaged Optics, ”CPO“)。這項新技術的部署可能需要3-5年時間,主要目的是通過光電收發組件與交換機芯片直接封裝整合,消除傳統電路板走線高速電損耗,達到交換機整機功耗大幅降低。

          業內對“合封光電”解決方案個有千秋,最大的兩大陣營是激光器內置,還是外置。內置的優勢是自成一體。劣勢是可靠性隱患。激光器在核心器件中歷來是失效率最高的,而且“合封光電”模組靠近大功耗的交換芯片,工作溫度高,對激光器效率,可靠性和失效率都是嚴峻考驗。而且失效后維修替換幾不可能。外置激光器有諸多優勢:激光器光源可以單獨做可插拔模塊,便于維修替換,可以靈活分光提高應用效率。在交換機整機布局上可以更靈活設計,遠離“熱點”,提高效率,可靠性,降低失效率。上圖的例子是一個51.2 Tbps交換機,配置16個3.2Tbps的“合封光電”模塊, 與交換芯片之間用XSR接口來降低整體功耗,預估30-40%節省。這個3.2Tbps的“合封光電”模塊需要集成32個100G通道。這種高集成度需求之下,硅光基本是唯一的選擇。領先互聯網公司數據中心客戶對硅光集成充滿期待。臉書與微軟聯合推出“合封光電合作” 項目(http://www.copackagedoptics.com),推動產業鏈發展。近期思科大手筆收購Luxtera、Acacia也可以視為作為頭部龍頭企業產業發展戰略未雨綢繆,提前布局。

          硅光技術除了在光通訊領域的應用之外,還有很多其他應用。比如近期熱門的激光雷達(Lidar)。激光雷達在自動駕駛,機器人等新興產業有廣闊的應用前景。現有的方案大多是分立器件的排列組合,尺寸大,可靠性低,成本高。激光雷達本質是光電發收結合系統,與通訊用器件系統有諸多相通之處。工業界和學術界已在討論如何用硅光集成技術助力激光雷達縮小尺寸,提高性能,降低成本。舉個例子,激光雷達要得到對視景的高清三維點陣需要,需要對視景用激光束掃描。現有的方案多用機械裝置,具大尺寸,低可靠性, 高成本弱點。這里舉例一項UBSB Codren 與Bowers 教授小組的研究結果:他們用硅光芯片與III-V 材料混合集成, 實現了全固體光束掃描。這還只是諸多例子的一個。這些早期研究并不一定都能規模商用,但卻是硅光技術在激光雷達應用的有益創新和嘗試。

          另外一個激動人心的應用是人工智能(AI)計算。人工智能計算需要快速,大規模矩陣運算。傳統數字電子計算機需要龐大的運算資源,特別耗電。麻省理工最近運用大陣列MZ相位調制,位移器硅光芯片作為神經網絡運算單元來實現深度學習運算。這項研究顯示光神經網絡比傳統電子計算機有兩個數量級速度提升,且功耗降低達三個數量級。

          總結一下,鍺硅探測器已在5G和數據中心有多方面規模商用,特別是雪崩二級管探測器為25G、50G、100G、200G、 400G都提供了增長傳輸距離的核心功能。 硅光集成芯片也已為數據中心/城域光通訊提供100G/400G直接檢測及相干檢測解決方案。下一代光通信路標已延伸到800G,及3.2Tbps “合封光電”中,而硅光芯片將成為主角。硅光芯片集成技術并具有廣闊的應用前景,包括激光雷達、人工智能計算等諸多領域。

          講師簡介:于讓塵博士現任SiFotonics 首席運營官。在加入SiFotonics之前十年,于博士任 NASDAQ上市公司Oplink (被Molex 并購) 業務發展副總裁兼光電解決方案事業部總經理,領導推動內部硅光集成芯片研發及對Elenion的戰略投資。他是推動100G PAM4技術被廣泛采用的領導者之一,也是100G Lambda MSA的市場推廣聯席主席,后者已在加速成為100G及400G+光網絡新一代行業標準。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(索爾思光電前身)副總裁。他還在復合半導體光電芯片先驅公司Agility Communications及SDL (都被JDSU并購)任高級管理職位。于博士擁有賓西法尼亞大學固體物理學博士,和北京大學物理學學士學位。

        直播回放鏈接:http://video.iccsz.com/item.Asp?ID=6

        內容來自:訊石光通訊咨詢網
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        關鍵字: 硅光
        文章標題:訊石直播|SiFotonics于讓塵博士: 硅光在5G及數據中心應用前景
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