硅光子通信產(chǎn)品技術和商業(yè)化進程

孫笑晨　張琦

摘要：通過對硅光子商業(yè)化進程特別是一系列成功和失敗案例的介紹，解釋了硅光子所依賴的生態(tài)系統(tǒng)的重要性及其對具體技術路線和商業(yè)模式選擇的影響，并結合最新的硅光子產(chǎn)品開發(fā)和量產(chǎn)情況，指出了硅光子在各種產(chǎn)品方案中的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

關鍵詞： 硅光子；集成光子；光子集成回路（PIC）

Abstract： In this paper， through a brief review of silicon photonics history with an emphasis on the successes and failures of its commercialization progress， the importance of the ecosystem silicon photonics relies on and its impact on the choices of technical paths and business models are analyzed. With the latest status of silicon photonic product development in the industry， the advantages and the challenges of current and emerging product solutions are identified.

Key words： silicon photonics； integrated photonics； photonic integrated circuit （PIC）

1 硅光子技術和商業(yè)化回顧

在20世紀中期，半導體產(chǎn)業(yè)剛興起時便有人提出過在硅材料上制作波導等光學結構的想法，但這一領域的真正啟動始于20世紀80年代末至90年代初SOREF Richard [1，2]和REED Graham[3]等人的一系列早期工作。硅光子領域的基礎是硅半導體生態(tài)系統(tǒng)，而這個基礎則決定了硅光子發(fā)展的各個里程碑處處呈現(xiàn)出集了成電路（IC）的技術發(fā)展和影響的影子。

硅光子基于IC技術的特點使它很早便進入了一些IC大公司的視野。在21世紀初，IBM、Intel、Sun Microsystems（后并入Oracle）、NTT/NEC等公司便設立獨立硅光子部門并投入大量資源，和學術界齊頭并進地進行硅光子科研，這種情況以往并不常見。和資源有限的學術界不同，這些公司本來就處于IC生態(tài)系統(tǒng)的領導地位，能利用更多工藝和配套的資源，以獨立或與學術界合作的形式為很多重要的結果做出了巨大的貢獻，包括高速調制器、鍺探測器[4]、低損光波導[5]和混合集成的結果。另一個突出的現(xiàn)象是絕大多數(shù)目前被廣泛認為取得成功的硅光子初創(chuàng)公司均創(chuàng)立在這10年間，包括前5年的代表Luxtera、Kotura、Lightwire和后5年的代表Aurrion、Acacia（硅光子為其主要技術點之一）。

半導體工藝對硅光子而言，具有舉足輕重的作用；但由于硅半導體產(chǎn)業(yè)的規(guī)模十分龐大，絕大多數(shù)Foundry注重規(guī)模效應，很難在一個新技術并未有明確產(chǎn)品化驗證和市場規(guī)模之時給予資源支持，所以除了少數(shù)如IBM/Intel利用公司內部資源和Luxtera在大量投資支持下說服Freescale（后被NXP收購）進行工藝開發(fā)，最初的工藝只能在資源有限、設備落后的學校和研究機構的實驗室進行。所幸以歐洲著名IC工藝研發(fā)機構imec為代表的一些具有比較前沿半導體工藝能力的機構，開始投入資源進行專門開發(fā)為硅光子優(yōu)化的工藝，并做出了很多優(yōu)秀的結果。因此，這段時間的很多科研結果一方面是歸功于設計上的創(chuàng)新和優(yōu)化，另一方面離不開逐漸進步的工藝。2005年以后，除Kotura等少數(shù)有特殊工藝需求的方案外，大多數(shù)工藝開發(fā)機構逐漸把硅波導的工藝控制在厚度為220～400 nm（尤其是220 nm）的絕緣襯底上的硅（SOI）平臺上，這種標準化對之后硅光子的商業(yè)化發(fā)展具有極其重要的意義。

硅光子的真正產(chǎn)品化是在2010年之后，突出表現(xiàn)為一系列通信系統(tǒng)公司對硅光子初創(chuàng)公司的高價收購。在這期間，有更多的初創(chuàng)公司出現(xiàn)，這些新創(chuàng)立的公司大多把目光瞄準了異軍突起的數(shù)據(jù)中心市場，但目前僅Luxtera有稍具規(guī)模的產(chǎn)品銷售。當前的產(chǎn)業(yè)化階段和行業(yè)特點對初創(chuàng)公司的發(fā)展有著十分嚴峻的挑戰(zhàn)。

在工藝研發(fā)方面，除imec外，更多的機構如新加坡的IME、法國的CEA Leti、日本的PETRA和美國以SUNY為前身新設立的國立AIM Photonics，都陸續(xù)形成了穩(wěn)定的研發(fā)（甚至小量生產(chǎn)）工藝線，為科研院所和初創(chuàng)公司提供了工藝上的巨大支持。中國的硅光子工藝起步雖晚，但發(fā)展很快。近幾年在中芯國際、中科院微電子所和半導體所等都有一些不同程度的工藝開發(fā)，不過工藝成熟度離以上幾家仍有差距。

目前硅光子較為成功的產(chǎn)品主要應用在數(shù)據(jù)中心和相干傳輸兩個領域。從實用主義角度出發(fā)，我們認為各種利用了各級別硅半導體工藝和生態(tài)系統(tǒng)的、有價值的光芯片產(chǎn)品都可稱為硅光子產(chǎn)品。另外，我們還認為其他材料體系（如GaAs等）仍有其存在的必要性，InP為基礎的光芯片并不會消失或被替代，尤其是在目前硅光子仍極度依賴高性能的InP激光器的情況下。在未來相當長一段時間里，硅光子和InP的產(chǎn)品都將不斷繼續(xù)進步并互為補充。

2 硅光子技術在數(shù)據(jù)中心

中的應用

使用硅做光芯片，正如半個世紀前使用硅做IC芯片一樣，都不是從性能上最好的材料平臺選擇。直到今日，基于GaAs和InP的IC產(chǎn)品仍然在很多應用上有著不可替代的作用。在IC的半個多世紀的發(fā)展歷史中，硅的原料豐富性、可規(guī)模制作性、穩(wěn)定的化學性質、理想的力學和熱學性質、高質量的氧化物、靈活的可摻雜性等各種性質，決定了它能夠戰(zhàn)勝各種對手材料而形成今天絕對的主導地位。在這個過程中，針對硅材料和工藝的大量研究投入，以及全世界硅半導體產(chǎn)業(yè)不斷進步和細分，產(chǎn)生了一個龐大的生態(tài)系統(tǒng)。其工藝和產(chǎn)品質量的高度穩(wěn)定性和可重復性，以及有保障的快速量產(chǎn)增速的優(yōu)勢使得凡是能搭上這個生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)都具備了極大的優(yōu)勢，典型的成功例子為微機電系統(tǒng)（MEMS）、圖像傳感器，目前兩者皆已成為百億美元量級的領域，雖然仍不足整個半導體產(chǎn)業(yè)的3%。endprint

同樣，對于硅光子，大多數(shù)清醒的從業(yè)者尤其是產(chǎn)業(yè)界，看中的并不是它的性能，而是上面提到的這些優(yōu)勢；但利用龐大半導體生態(tài)系統(tǒng)并不是沒有缺點，由于這個產(chǎn)業(yè)的專業(yè)細分化和各層次的高度成熟性，使得在未形成有效的Fabless-Foundry模式前，進入的門檻和初始的投入非常大。無論對于初創(chuàng)公司還是大公司的部門，都需要準備大量的研發(fā)資源并仔細考慮其應用場景。應用場景的定位，在21世紀初十分模糊的，當時的一些看法和今天真正的產(chǎn)品有很多差異。按照上面提到的特點，可以預見有意義的產(chǎn)品方向為：數(shù)量大、成本敏感但對性能要求不高的，以及成本不敏感但對集成小型化有強烈要求的。

數(shù)據(jù)中心（特指互聯(lián)網(wǎng)的超大型數(shù)據(jù)中心，而不是企業(yè)級）的出現(xiàn)具有一定的偶然性。在硅光子發(fā)展的早期，并沒有這個領域。由于上述原因，不少人把目光轉向了在光通信中數(shù)量最大的無源光纖網(wǎng)絡（PON）領域，但PON領域的應用由于功能結構簡單而形成了基于TO封裝的高度自動化低成本方案，隨著Exponent和Onechip等利用InP或其他材料的各種集成方案的相繼失敗，使得硅光子從業(yè)者把目光轉移到其他方向。

在早期成立的幾個初創(chuàng)公司中，Kotura偶然找到了一個很小眾的特殊可調光衰減器（VOA）應用，Luxtera通過Molex曾短暫打入了40 G 有源光纜（AOC）的一些獨特客戶群，而Lightwire被Cisco收購后則專注于內部定制的小眾CPAK產(chǎn)品。直到以Google、Amazon、Microsoft等互聯(lián)網(wǎng)公司以及其他Co-location客戶陸續(xù)跟進的超大型數(shù)據(jù)中心的建設和升級運動開始，Luxtera等硅光子公司終于找到了一個真實的方向。

值得注意的是：這一輪數(shù)據(jù)中心的興起，硅光子并不是唯一的受益者。事實上，使用傳統(tǒng)的InP加微光學耦合方案的公司，在數(shù)據(jù)中心指標降低的情況下，由于其積累多年的技術儲備和量產(chǎn)經(jīng)驗，是目前獲益最多的。硅光子方案已形成產(chǎn)品的主要競爭者Luxtera和Intel目前以激進的定價為主要武器，并皆以此為機會積累硅光子產(chǎn)品量產(chǎn)經(jīng)驗以面對未來增產(chǎn)和其他可能出現(xiàn)的市場。

在最近這一輪數(shù)據(jù)中心光通信模塊采購大潮中，100 G 4通道28 G小封裝可插拔光模塊（QSFP28）是最引人注目的產(chǎn)品，也是硅光子真正形成量產(chǎn)的產(chǎn)品，這類產(chǎn)品主要有兩類：用于500 m以下的4通道并行單模（PSM4）方案和用于2 km的粗波分復用（CWDM）方案。這些方案也是未來200 G/400 G甚至更高速的應用中的基礎，有相應的解決方案提議。

2.1 PSM的方案

PSM方案為使用多根單模光纖實現(xiàn)多通道通信，而總帶寬達到整體要求的方案。這類方案由于使用的光纖數(shù)目多于各種波分復用（WDM）的方案，傳輸距離不能過長，否則光纖的成本將掩蓋方案本身的成本優(yōu)勢。方案的主要優(yōu)勢在于成本，因為每個通道可以使用同樣1 310 nm波長的激光器且沒有Mux/DeMux元素，在組件和封裝上都具有成本優(yōu)勢。PSM是目前硅光子最成熟且實現(xiàn)量產(chǎn)的產(chǎn)品方案。

圖1中描述了100 G PSM4典型InP方案和硅光子+InP激光器方案。在傳統(tǒng)InP方案中，4組InP的激光器為高速激光器（如25 Gbit/s），并使用其進行信號調制。由于距離短，對激光器的出光功率、消光比和啁啾要求很低，激光器的制造商基本把精力放在調制速率上，目前此類激光器的需求非常大，不少廠家已經(jīng)在擴產(chǎn)。激光器和光纖的耦合一般使用透鏡主動有源對準，對準難度不太復雜。接收端一般使用探測器陣列，配合光纖陣列頭和透鏡組進行耦合，也有使用單獨通道的耦合方式，對準精度要求不高，但也以有源為主。使用此類方案目前產(chǎn)量較大的代表為Applied Optoelectronics、Innolight等，不少中小模塊廠商都在試圖進入這個市場。

從圖1中可以看出：硅光解決方案中的硅PIC芯片包含4個馬赫曾德調制器（MZM），同時使用一個激光器作為光源給4個調制器供直流光。PIC芯片同時集成鍺硅光探測器（PD），并一般把4進4出的8個光纖接口做成光柵耦合陣列和光纖陣列塊一次性耦合，減少封裝步驟。從組件成本來看，假設硅光方案的2個IC芯片（4通道高速調制器驅動和單通道DC激光器驅動）和InP方案里IC芯片（4通道高速激光器驅動）在未來基本相當，主要的成本比較為：硅光子集成回路（PIC）芯片、DC大功率激光器芯片（4路共用、調制器損耗和耦合損耗需要大功率的光源來彌補）以及耦合激光器和光纖陣列的相應無源組件；InP 4個高速激光器芯片，4個PD芯片和耦合光纖的相應無源組件。此外，和IC不同，對于光器件，還有占相當比重的封裝成本。對于這類綜合成本的比較，每個公司因為具體方案的差異，外人很難做出準備判斷，但共識的一點為目前沒有哪一方有壓倒性的優(yōu)勢。這里需要特別強調的是激光器的耦合方案，因為是重要的成本組成部分，我們會有有更詳細介紹。在技術上，硅光子一個重要的論點為到下一代50 G（50 G-NRZ或100 G-PAM4）外置調制器的性能要遠優(yōu)于直調激光器[6-8]。這個結論被大多數(shù)人所認可，不過目前并無定論是否直調激光的方案一定無法在下一代量產(chǎn)商用。

2.2 CWDM的方案

圖2描述了100 G CWDM4典型的InP方案，和PSM4相比，該方案中使用了4個不同波長并通過Mux/DeMux使用同一根光纖收發(fā)所有波長。圖中沒有畫出相應的硅光方案是因為：一方面由于容易想象在類似于PSM的情況下，使用集成的調制器和直流激光器代替高速激光器，并集成PD的情況；另一方面是對于Mux/DeMux的處理存在不同的方案。目前，在該應用的市場基本仍由全InP的方案所占有，一方面該應用的硅光方案并不能如PSM那樣使用一個激光器，因此在組件成本方面沒有明顯優(yōu)勢；另一方面耦合4個激光器進入硅光芯片對封裝提出了很大的挑戰(zhàn)。而Intel采用的源于UCSB的InP-Si異質混合集成技術在封裝方面則有很大優(yōu)勢，因為基于InP的激光器材料是使用die-to-wafer bonding，在后端工藝前集成在硅光wafer上的，解決了后面耦合的問題。該技術也有明顯的缺點：一方面破壞了硅光的互補金屬氧化物半導體（CMOS）材料兼容性使得Foundry生產(chǎn)的可能性非常低（Intel使用自己的專用fab產(chǎn)線），另一方面該設計從理論上便無法達到獨立激光器的效率，降低了整體性能[9]。endprint

能夠集成Mux/DeMux在硅PIC上是硅光方案的一個重要的優(yōu)點，但目前為止由于工藝和需熱調的一些原因在產(chǎn)品化上并不是十分順利。不過，這個應用是各硅光子產(chǎn)品在未來幾年力爭進入甚至主導的市場。

2.3 光源的耦合

對于除Intel方案外的硅光子數(shù)通產(chǎn)品方案，耦合直流激光器是一個實現(xiàn)困難但又必須的部分。硅光芯片上常見的耦合原理為在芯片邊緣波導截面的邊耦合和使用光柵耦合的表面耦合。前者常用于和光纖的耦合，為光纖塊（有時加上透鏡）的有源對準。在用于和激光器的耦合時，一般采用無源的flip-chip方式，把激光器裸芯片直接倒裝在硅光芯片上，通過不同的耦合和輔助結構來盡量減少位置誤差。目前Mellanox和MACOM采用該方案，前者有一定的量產(chǎn)。光柵耦合方式對準容差較大，但該方案需要比較復雜的基于硅光平臺的激光微封裝，Luxtera目前采用該方案用于量產(chǎn)。光源的耦合是硅光一個重大的問題，學術界仍針對各種單片集成方案繼續(xù)研究，工業(yè)界則試圖通過各種方案降低封裝的復雜度、提高自動化和耦合效率。

3 硅光子在電信傳輸網(wǎng)的

應用

光傳輸網(wǎng)（OTN）是以波分復用技術為基礎，在光層組織網(wǎng)絡的骨干傳送網(wǎng)。大容量、長距離的傳輸能力是光傳送網(wǎng)絡的基本特征。隨著傳送網(wǎng)客戶信號帶寬需求的不斷增加，光傳送網(wǎng)絡需不斷采用革新的傳輸技術提升傳輸能力。目前主要采用帶外前向糾錯（FEC）、新型調制編碼（強度和相位結合調制、偏振復用、相干接收）結合色散光域可調補償、電域均衡等技術增加OTN網(wǎng)絡在高速（40 Gbit/s以上）大容量配置下的組網(wǎng)距離。光傳輸網(wǎng)產(chǎn)品因為速率及傳輸距離要求高，通常光器件價格較高，對成本上沒有PON及數(shù)據(jù)中心應用那么敏感。隨著帶寬需求的不斷增加，對光器件集成度、尺寸、功耗提出了越來越高的要求[10-11]。

3.1 相干接收

相干光接收機是100 G /200 G/400 G光模塊中的核心部件，其結構如圖3所示。硅基相干光接收器件主要由功率檢測PD、高速PD、90°混頻器、偏振合束器（PRPS）、光分束器（BS）、VOA組成。信號光耦合至芯片后，經(jīng)過PRPS，將橫電波模式（TE）與橫磁波模式（TM）分離，并且TM模轉換為TE模。經(jīng)過VOA，分別進入兩個90°混頻器，與本振光進行混頻。在VOA后放置的功率檢測PD可以進入90°混頻器的光功率，用于調控VOA以保持兩個偏振態(tài)的信號強度相等。信號光與本振光經(jīng)過混頻后，被PD接收，轉化為電信號，進行平衡接收。其關鍵技術點包括：

（1）采用硅基異質外延的鍺進行光探測器的集成。采用硅基異質外延的鍺進行PD的集成，可以充分發(fā)揮光子集成的優(yōu)勢，大大提高器件的集成度，且避免了封裝時將探測器與光芯片耦合的步驟，提高器件的可靠性和可生產(chǎn)性。面對更高密度、更高速率的通信要求，硅基異質外延的鍺探測器是最有前景的解決方案。

（2）硅基90°混頻器集成。相干接收需要本振光與信號光以特定的相位差混頻產(chǎn)生拍信號，混頻中功率分配的一致性和相位差的準確性直接影響接收性能。相對于傳統(tǒng)的分離器件的解決方案，將90°混頻器集成在硅芯片上，可以有效地減少器件的尺寸，大大減少耦合對準的復雜性，降低器件間的串擾以及耦合帶來的插損。

（3）硅基偏振轉換和分離器集成。由于光通信中對信息密度的要求，為了有效利用有限的帶寬，往往采用偏振復用的方式，偏振合束器在這里起到關鍵作用。在傳統(tǒng)的相干接收中，往往采用分離器件或者空間光學的方法實現(xiàn)。由于硅材料本身是各向同性的材料，有別于傳統(tǒng)的用于偏振轉換的各向異性材料，硅基的偏振轉換與分離需要精巧的設計來完成。

3.2 相干調制器

高階調制格式是實現(xiàn)超高速大容量光信號長距傳輸?shù)闹饕夹g手段之一。在長距離相干光模塊中四相相對相移鍵控（DQPSK）的調制方式已經(jīng)得到商用，在超100 G相干光傳輸中，16正交振幅調制（QAM），以及更高階QAM的調制方式也已進入了比較成熟的研究階段。

圖4為硅基相干調制器的結構圖。相干調制器主要由BS、MZM、PRPS以及功率監(jiān)測PD組成。發(fā)射一側的本振光經(jīng)過3級1×2的光分束器進入到4個MZI高速光調制器中，在加載由DSP輸出的電調制信號后，通過調整4個MZM的相對工作狀態(tài)并由偏振合束器輸出，形成DQPSK/16AQM的光調制信號。功率監(jiān)測PD用于及時反饋每個調制器的不同工作狀態(tài)。

相干調制器的技術難點在于優(yōu)化各項參數(shù)，實現(xiàn)光與微波信號的速度匹配，共面波導電極的阻抗匹配及微波信號的低損耗傳輸，有效提升光調制的帶寬特性和改善高速信號的完整性問題，并降低由調制效率和帶寬的trade-off所帶來的限制，從而在同樣的頻率范圍內，獲得更高的調制效率，減小因調制不足導致的插入損耗及驅動電壓。

4 其他應用場景

除了上面兩個方向外，硅光子在其他光通信領域也有應用。目前成功量產(chǎn)的典型是Inphi為Microsoft的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）應用定制的ColorZ產(chǎn)品。由于是新興的產(chǎn)品定義（非傳統(tǒng)DCI），Inphi有很大的自由度設計自己的產(chǎn)品，采用了2個波長和50 G-PAM4以達到單一模塊100 G的長距（上至80 km）傳輸。這個產(chǎn)品有其獨特性，需要客戶在傳統(tǒng)的電信通信解決方案上做出修改，從系統(tǒng)級開始定制，適合Microsoft、Google這類自身有很強系統(tǒng)經(jīng)驗和團隊的客戶。2017年OFC期間Inphi宣布對其他客戶開放這個方案，未來也許會看到這個方案和其他類似的方案在不同客戶和場景下取得應用。

此外，基于硅光外腔的可調諧激光器也是近年來一些公司非常希望實現(xiàn)產(chǎn)品化的方向：一方面希望基于硅光外腔的可調諧激光器能夠成為實現(xiàn)低成本W(wǎng)DM-PON的關鍵技術，另一方面如果能可靠實現(xiàn)窄線寬和高輸出功率（～100 kHz，>13 dBm），則可能替代相干通信中iTLA類可調諧激光器，向低成本和進一步小型化的方向發(fā)展。在這類設計中，一般利用游標效應在硅光芯片上通過兩個自由光譜范圍（FSR）略有不同的諧振腔在比較寬的范圍內調節(jié)激光波長，對于窄線寬可能還需要濾波器之類結構，具體的設計各有不同。一個主要的難點是：增益芯片和硅光外腔芯片的耦合，這個耦合的損耗和界面反射對整體激光器的性能影響很大，且有可靠性的考慮，要求非常高。目前該方案還沒有看到量產(chǎn)的產(chǎn)品。

5 結束語

硅光子技術在商業(yè)化進程上相比于很多新技術有很大的不同，工業(yè)界從很早便開始大力投入這個領域，并在很多時候比學術界走得更快。文章中，我們試圖通過回顧硅光子技術和商業(yè)化發(fā)展的歷史，來分析這個現(xiàn)象并希望對繼續(xù)或準備開發(fā)或使用硅光子技術的工業(yè)界成員有一些提示。我們認為硅半導體生態(tài)系統(tǒng)是硅光子最大的憑借，很多技術開發(fā)和商業(yè)模式的決策應從這個角度出發(fā)。這個觀點在文中列舉的目前取得成功的幾個硅光子產(chǎn)品方向上得到一定印證。文章中，我們還對不同的硅光子方案的優(yōu)缺點進行了分析，并對產(chǎn)品化中重點的努力方向做了一些描述。

參考文獻

[1] SOREF R， LARENZO J. All-Silicon Active and Passive Guided-Wave Components for λ=1.3 and 1.6 μm[J]. IEEE Journal ofendprint