可插拔光學(xué)中的硅光子白皮書

永不滿足的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求是數(shù)據(jù)中心新技術(shù)研發(fā)的驅(qū)動力。在視頻應(yīng)用、云服務(wù)、游戲和連接設(shè)備數(shù)量增長的推動下，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商面臨著升級和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量，同時盡量減少新硬件增加的壓力。雖然硬件升級的重點主要集中在路由器、交換機(jī)和服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，但這些設(shè)備之間的光互連在資本支出和運(yùn)營成本方面都變得越來越重要。

光纖鏈路末端的光模塊是光互連性能的關(guān)鍵驅(qū)動因素。光模塊可將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后再轉(zhuǎn)換回來。光模塊被插入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并端接貫穿整個網(wǎng)絡(luò)物理基礎(chǔ)設(shè)施的光纖線纜。與充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)大腦并主要依賴硅基晶體管的ASIC和CPU芯片不同，光模塊依賴于激光二極管、光電二極管和光波導(dǎo)等光學(xué)元件來操縱和調(diào)制光以通過光纖鏈路傳輸信息。

本文關(guān)注在硅中構(gòu)建光學(xué)器件的趨勢。所謂的“硅光子學(xué)”，有望通過大批量生產(chǎn)提高光學(xué)元件的集成度和高速光學(xué)的普及。硅光子技術(shù)長期以來一直受到光網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的關(guān)注，近年來已在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中站穩(wěn)腳跟。由于數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商需要更大量的光模塊，這項技術(shù)越來越多地用于高速網(wǎng)絡(luò)。

行業(yè)背景

從歷史上看，光學(xué)行業(yè)一直被認(rèn)為是利基市場，尤其是與硅電子行業(yè)的超級規(guī)模相比。經(jīng)過數(shù)十年的努力，電子行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出基于光刻圖案化硅晶片的大規(guī)模制造工藝。龐大的電子產(chǎn)品市場證明了對先進(jìn)晶圓廠、材料供應(yīng)鏈、自動化工具以及用于開發(fā)和擴(kuò)展電子芯片的設(shè)計流程的經(jīng)濟(jì)投資是合理的。

光通信市場比電子行業(yè)小得多，光學(xué)技術(shù)沿著不同的技術(shù)路徑發(fā)展，使用砷化鎵或磷化銦等基板而不是硅晶片。制造技術(shù)在本質(zhì)上往往更加定制化，并沒有從與電子產(chǎn)品相同的規(guī)模經(jīng)濟(jì)中受益。

然而，光器件的大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)顯著發(fā)展。在1990年代后期的電信繁榮期間，對制造可擴(kuò)展性的關(guān)注加速了，由于銅纜無法始終以最高的數(shù)據(jù)速率支持所需的范圍，光纖越來越多地部署在數(shù)據(jù)中心。在云和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，大規(guī)模部署光學(xué)器件變得尤為普遍。在這一點上，大批量制造能力對于滿足數(shù)據(jù)中心光學(xué)器件的需求至關(guān)重要。

這就是硅光子變得有趣的地方，經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，該技術(shù)已達(dá)到成熟。同時，由光模塊市場驅(qū)動的數(shù)量足夠大，足以利用現(xiàn)有的大規(guī)模硅制造基礎(chǔ)設(shè)施。借助現(xiàn)有的供應(yīng)鏈和商業(yè)晶圓廠，硅光子允許大規(guī)模生產(chǎn)光子晶圓。硅光子學(xué)已經(jīng)成熟到可以常規(guī)部署在實際網(wǎng)絡(luò)中并為最終用戶提供價值。在下文，我們將繼續(xù)介紹硅光子學(xué)提供的優(yōu)勢，并引用硅光子學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)的示例。

硅光子學(xué)基礎(chǔ)

硅光子技術(shù)將高速光模塊的關(guān)鍵光子元件和功能集成到硅襯底中，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)晶圓制造廠制造。硅光子學(xué)的技術(shù)開發(fā)主要集中在構(gòu)建和驗證光學(xué)組件和設(shè)計，這些組件和設(shè)計可用于硅晶圓廠以生產(chǎn)集成在單個芯片中的光子系統(tǒng)。

光模塊在發(fā)送側(cè)將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并在接收側(cè)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。我們可以通過跟蹤進(jìn)出設(shè)備的光來突出光模塊的關(guān)鍵光學(xué)組件。為了接收光，必須有一個到硅片的耦合接口，它可以通過光柵耦合器垂直穿過芯片頂部，或者通過邊緣耦合的硅片側(cè)面。波導(dǎo)引導(dǎo)光通過芯片，基于硅的光電探測器檢測光并將信號轉(zhuǎn)換到電域，由設(shè)備的電子部分解釋。

在發(fā)送端，激光產(chǎn)生的光被引導(dǎo)到芯片中，然后需要將光調(diào)制到攜帶信息的信號連接器中。光最終耦合出芯片并進(jìn)入光纖。從那里它可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)入光模塊外部的光纖線纜。

*光源不直接集成在光芯片中，光源下方的光柵耦合器將光耦合到芯片中，整個光芯片也使用無源光子元件來引導(dǎo)和操縱光

圖1：光模塊示意圖

從歷史上看，光器件一直是分立的，并且基于硅以外的襯底，例如磷化銦或砷化鎵。事實上，同一組件的不同供應(yīng)商甚至可能使用不同的工藝。但是，如果每個組件都可以在相同的硅工藝中構(gòu)建，則可以設(shè)計和制造完全集成的光學(xué)芯片，以利用CMOS制造工藝的成熟度和規(guī)模。光芯片可以與處理電信號的電子芯片緊密配對和集成。下圖顯示了一個100Gbps光模塊的示例，整個光模塊功能包含在單個芯片組中。當(dāng)需要以極高的規(guī)模生產(chǎn)光器件時，這一點的價值就變得顯而易見了。

圖2：基于硅光子學(xué)的100Gbps光模塊示例

硅光優(yōu)勢

制造效率和自動化

減少手動或定制流程有助于提高工廠產(chǎn)量。硅光子為涉及高通量工藝和資本設(shè)備的光學(xué)器件提供高度自動化的制造流程。如前所述，光子晶圓本身是在與電子晶圓相同的商業(yè)半導(dǎo)體工廠中加工的。將光器件集成到一個完整的模塊中還可以利用電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)流程。

主要的組裝和測試步驟可以在晶圓級進(jìn)行，因此該過程可以高度自動化并每小時輸出許多單元。通過利用晶圓級能力，利用這種生產(chǎn)流程擴(kuò)大產(chǎn)能并生產(chǎn)數(shù)百萬個光模塊變得比以往任何時候都更容易實現(xiàn)。并且大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)先的光模塊（數(shù)據(jù)速率從100G到400G甚至更高）能夠在數(shù)據(jù)中心內(nèi)大規(guī)模采用。

圖3：單個晶圓上的多個硅光子器件，在商業(yè)半導(dǎo)體工廠中加工

隨著一般光器件，更具體地說是硅光器件，在越來越短的范圍內(nèi)被采用，隨著整體部署量轉(zhuǎn)化為更大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，體量將呈指數(shù)級增長并獲得更多收益。這種良性循環(huán)，以及高速數(shù)據(jù)中心光學(xué)的民主化，使得硅光子成為一個特別值得關(guān)注的領(lǐng)域。

晶圓級測試和模塊良率

硅光子在不同的層面上帶來了額外的好處：可靠性和可重復(fù)性。光器件的設(shè)計過程遵循與傳統(tǒng)“無晶圓廠”電子公司非常相似的工作流程。通過定義光器件的設(shè)計并將其編譯到光器件庫和設(shè)計套件中，最終設(shè)計可以完全定義，然后由晶圓廠蝕刻到硅中。與可能受后續(xù)模塊組裝步驟影響的傳統(tǒng)光器件相比，這導(dǎo)致性能的可變性要小得多。

硅晶圓廠使用的光刻和晶圓蝕刻的成熟度允許組件具有明確的精度和可重復(fù)性。這意味著統(tǒng)計模型和仿真可以幫助在材料構(gòu)建之前的設(shè)計過程中預(yù)先了解和全面確定光模塊的性能。當(dāng)然，可以構(gòu)建和測量物理組件以證實仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過這種方式，通常可以在產(chǎn)品生命周期的早期檢測和糾正與設(shè)計相關(guān)的問題。

一旦設(shè)計完成，硅光子還有另一個獨特的優(yōu)勢。在將光器件切割成單個芯片或組裝成模塊之前，可以對它們進(jìn)行晶圓級測試。這帶來了幾個重要的好處。如果有任何部件故障，可以在構(gòu)建過程的早期檢測到它們；可以映射壞芯片并防止與其他模塊一起構(gòu)建，從而避免通過僅使用已知的好芯片來浪費其他組件。這對整體收益率具有積極影響，這種高度可測試的制造流程和可重復(fù)的設(shè)計性能有助于提高設(shè)備的可靠性。

規(guī)模經(jīng)濟(jì)

對于硅芯片設(shè)計，大部分艱苦的工作都放在了產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計階段。一旦在芯片設(shè)計和封裝上投入資金，硅就可以重復(fù)有效地沖壓出來。隨著數(shù)量的增加，設(shè)計過程的前期固定開銷可以劃分為越來越多的單元。隨著光模塊在整個數(shù)據(jù)中心市場的擴(kuò)展，基于硅光子的光器件將受益于體量曲線的上升，高速光器件將在市場上變得更廣泛。

與電子產(chǎn)品集成

雖然硅光子的主要應(yīng)用是在可插拔光模塊中，但與電芯片和ASIC的更緊密集成正在積極發(fā)展，未來研究方向是更緊密地將光器件與交換機(jī)ASIC集成，當(dāng)前的交換機(jī)系統(tǒng)具有從交換機(jī)芯片到帶有可插拔光學(xué)端口的前面板的長電跡線。隨著信號越來越快，從交換機(jī)到前面板的布線變得困難，功耗和散熱是系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的重大障礙。如果光器件可以更緊密地與ASIC集成，那么交換機(jī)硅和光學(xué)I/O之間的電氣走線長度將被最小化，因為信號不再傳輸?shù)角懊姘濉?/p>

圖4：電鏈路長度、功率效率和電連接類型之間的關(guān)系

在一個年復(fù)一年地需要具有成本效益的光學(xué)I/O、更低的系統(tǒng)功率和更高的帶寬的世界中，集成光學(xué)揭示了一條前進(jìn)的道路。追求集成光學(xué)方法所需的技術(shù)組件和工藝將在很大程度上依賴于硅光子的成熟度。對于直連光學(xué)I/O，這是一個有前途的長期未來。甚至更進(jìn)一步，硅光子最終可能使高帶寬光學(xué)接口可用于芯片到芯片的互連，在這個領(lǐng)域肯定會繼續(xù)出現(xiàn)一些令人興奮的技術(shù)發(fā)展。

結(jié)論

憑借硅工業(yè)和晶圓級工藝的優(yōu)勢，硅光子定義了新一代光模塊制造。事實證明，它對于滿足數(shù)據(jù)中心最新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求至關(guān)重要。隨著銅鏈路的最大距離下降并被光纖取代，光模塊的需求量將繼續(xù)上升，規(guī)模效益將自行復(fù)合。