光子集成（PIC）應(yīng)用前景廣闊

烽火通信 | 曹玲

光子集成（PIC）應(yīng)用前景廣闊

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從市場(chǎng)應(yīng)用看，城域和長(zhǎng)途傳送設(shè)備市場(chǎng)在向光子集成的方向發(fā)展,XFP、40G和100G的OTU以及ROADM，包括MUX和DEMUX會(huì)成為應(yīng)用的主要領(lǐng)域。

光子集成是近年來(lái)光通信產(chǎn)業(yè)的熱門(mén)話題之一，是多年來(lái)業(yè)界公認(rèn)的未來(lái)發(fā)展方向。但是光子集成技術(shù)提出30多年來(lái)，從業(yè)界的商用情況看整體仍舊處于初級(jí)階段，還沒(méi)有達(dá)到規(guī)模商用的條件，究其原因還是受制于光子集成技術(shù)本身的限制和供應(yīng)鏈的單一、不成熟性。本文從光子集成的驅(qū)動(dòng)力、技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式、市場(chǎng)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)鏈幾個(gè)角度說(shuō)明目前光子集成的現(xiàn)狀和進(jìn)展。

光子集成應(yīng)用四大驅(qū)動(dòng)

當(dāng)前光子集成應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于以下四個(gè)方面。

數(shù)據(jù)中心互聯(lián)需求

云計(jì)算的深入推進(jìn)給數(shù)據(jù)中心帶來(lái)新機(jī)會(huì)的同時(shí)，也給光通信產(chǎn)品提出了新的需求。這種新需求表現(xiàn)為數(shù)據(jù)中心內(nèi)互聯(lián)應(yīng)用對(duì)低成本和低功耗的需求。在采取超高速方式互聯(lián)時(shí)，通常距離要求并不高，對(duì)于光系統(tǒng)的線路性能要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于干線和城域應(yīng)用，但是對(duì)于光口密度、成本和功耗則比較敏感。

干線超大容量傳輸需求

100G波分系統(tǒng)開(kāi)發(fā)初期，某些廠家提出10X10G的集成方案，沒(méi)有獲得廣泛支持，但是隨著400G和1T需求的顯現(xiàn)，對(duì)于板卡的小尺寸和高密度也提出了迫切的需求。

運(yùn)營(yíng)商在城域應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)需求

某些運(yùn)營(yíng)商由于歷史原因，在城域范圍以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)到縣一級(jí)的運(yùn)營(yíng)部門(mén)缺乏維護(hù)力量，同時(shí)也缺乏機(jī)房資源，希望能夠?qū)鹘y(tǒng)波分的一些光層功能進(jìn)行集成，提高設(shè)備集成度，降低占地面積和功耗，便于維護(hù)。在這種場(chǎng)景下，傳輸距離要求不高，可以在光的線路系統(tǒng)性能和易用性方面做折衷考慮以滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需求。

光系統(tǒng)自身發(fā)展的需求

目前波分系統(tǒng)大量采用的分立器件堆疊方式，不僅板卡體積大，而且板卡之間需要大量的光纖連接，可靠性低。當(dāng)需要增加波道的時(shí)候，通常需要重新調(diào)整多個(gè)光層的模擬參數(shù)使得系統(tǒng)達(dá)到性能最優(yōu)，對(duì)于系統(tǒng)開(kāi)通和運(yùn)維都比較麻煩。

總的來(lái)說(shuō)，光子集成是由成本驅(qū)動(dòng)，為了滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)更低功耗、更高密度和更高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠖霈F(xiàn)的。

光子集成技術(shù)逐步落地

光子集成的分類(lèi)方式有多種。比較常見(jiàn)的方式是根據(jù)集成的元器件功能是否相同分為水平集成和垂直集成。水平集成指的是將多個(gè)同樣功能的光元器件集成在一個(gè)襯底上，從而縮小體積。垂直集成是將不同的光元器件集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能的集成。從材料選擇上講，水平集成更容易實(shí)現(xiàn)。隨著光元器件功能和元素的增多，對(duì)材料的限制也越多，不同的元器件越多，對(duì)于單一材料的限制就越嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)的難度也越大。

按照實(shí)現(xiàn)集成的技術(shù)方式分類(lèi)，可以分為單片集成（Monolithic Integration）和混合集成（Hybrid Integration）。其中單片集成指的是在單一襯底上實(shí)現(xiàn)預(yù)期的各種功能。混合集成指采用不同的材料實(shí)現(xiàn)，而后將這些不同的功能部件固定在一個(gè)統(tǒng)一的基片上。一般來(lái)講，水平集成比較適合采用單片集成方式，垂直集成比較適合采用混合集成方式。但是業(yè)界的長(zhǎng)期目標(biāo)還是單片集成。

目前在光子集成領(lǐng)域，各種技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式的爭(zhēng)論已經(jīng)過(guò)去，從事光子集成的廠家都開(kāi)始采用越來(lái)越務(wù)實(shí)的做法來(lái)集成產(chǎn)品，比如在InP上應(yīng)用激光器集成比較好，考慮以盡可能高的密度來(lái)減少這種昂貴材料的成本。而調(diào)制器在GaA材料上或者LiNbO3鈮酸鋰上效果很好。又比如無(wú)源波導(dǎo)的復(fù)雜路由，直接耦合到光纖，在硅波導(dǎo)上做比較容易。但是高密度要求不同的材料，例如SiN和半導(dǎo)體材料，而這些材料容易導(dǎo)致高損耗和串?dāng)_。XFP適合單片集成，激光器、波長(zhǎng)可調(diào)、半導(dǎo)體放大器、功率監(jiān)視、調(diào)制等功能需要不同的材料合成到InP材料上。但是最終實(shí)現(xiàn)的方式還是取決于廠家的能力和應(yīng)用考慮。例如JDSU和Santur都是采用單片和混合集成方式。SEI、JDSU和Oclaro都是采用XFP作為單片集成產(chǎn)品。而Neophotonics、NTT和U2T用混合集成來(lái)做相干接收。Infinera則是采用基于InP材料的集成。

光子集成的潛在應(yīng)用領(lǐng)域

由于光子集成的功能多，密度高，產(chǎn)品一致性要求非常高，特別是采用單片集成方式時(shí)要求更為苛刻，導(dǎo)致光子集成產(chǎn)品的成品率低，成本居高不下，限制了大規(guī)模應(yīng)用。

從市場(chǎng)應(yīng)用看，城域和長(zhǎng)途傳送設(shè)備市場(chǎng)在向光子集成的方向發(fā)展,XFP、40G和100G的OTU以及ROADM，包括MUX和DEMUX會(huì)成為應(yīng)用的主要領(lǐng)域。在波分設(shè)備接口上，除了Infinera以外均沒(méi)有采用集成方式的。直到40G和100G的復(fù)雜調(diào)制格式的出現(xiàn)，伴隨著可調(diào)XFP的10G模塊的出現(xiàn)才開(kāi)始在波分接口上出現(xiàn)集成技術(shù)的應(yīng)用。目前的客戶(hù)側(cè)光模塊大部分沒(méi)有采用集成技術(shù)。但是對(duì)于40G和100G特別是后續(xù)的400G/1T的收發(fā)模塊正在采用集成技術(shù)以達(dá)到理想的端口密度要求。對(duì)于波分系統(tǒng)線路部分的EDFA和色散補(bǔ)償?shù)绕骷€沒(méi)有集成的需求，都是采用多信道并行的方式。從網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍看，城域的應(yīng)用會(huì)先于干線和長(zhǎng)途系統(tǒng)。

從客戶(hù)的角度看，確實(shí)光子集成可以帶來(lái)很多好處。但是總體看來(lái)，在100G領(lǐng)域，采用光子集成的發(fā)展勢(shì)頭并不明顯，系統(tǒng)設(shè)備制造商會(huì)等到400G或者1T時(shí)才會(huì)考慮大量采用光子集成技術(shù)。

實(shí)際上光子集成是個(gè)比較寬泛的詞，處于產(chǎn)業(yè)鏈上的公司都有各自的理解和實(shí)現(xiàn)方式，但是因?yàn)閹捲鲩L(zhǎng)和數(shù)據(jù)中心以及運(yùn)營(yíng)商對(duì)于高密度、低功耗和體積的驅(qū)動(dòng)下，大家達(dá)成一致的是需要采用多種光子集成的方法以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。烽火通信一直對(duì)PIC技術(shù)進(jìn)行跟蹤和研究，也已經(jīng)應(yīng)用PIC技術(shù)到光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中，以降低功耗，降低運(yùn)維成本，提高系統(tǒng)可靠性，提升端口密度。但從目前的研究分析看，光子集成技術(shù)成品率低，價(jià)格昂貴，產(chǎn)業(yè)鏈微弱和單一的現(xiàn)狀并沒(méi)有根本改變，規(guī)模商用仍有待時(shí)日。