CFCF2021 | 亨通洛克利陈奔：硅光技术仍然充满魅力
发布时间：2021-07-18 20:45:27 热度：2400
7/18/2021，光纤在线讯，在今年6月23日到25日的苏州光连接大会CFCF2021上，亨通洛克利陈奔博士做了《硅光技术的进展以及在光互连的应用》的主题演讲。可以说为我们完整地梳理了硅光技术整体的发展历程，和基于硅光技术的关键器件的进展，以及面向更广泛应用的可能。以下为陈博士演讲的内容摘要：
一、硅光的技术发展历程及趋势
简单回顾光子集成技术的发展历程，第一代是基于平面光波导技术的PLC技术平台；第二代是基于InP磷化铟；第三代就是基于硅光技术平台了；再往下走就到第四代光电集成OEIC。
宏观来看硅光技术的发展历程，已经有50年的历史了，1960~2000年属于技术探索期；2000-2008年属于技术突破期，以Intel为首的企业和学术机构开始发展硅芯片光学信号传输技术；2008年之后我们迎来了集成应用时期，以Luxtera，Intel，IBM为代表的公司不断推出商业级硅光集成产品，并推出了商用化的硅光模块产品。
从应用角度来看，硅光技术主要有直调和相干两类产品路线。硅光模块仅仅是硅光技术的一个中途站，协同封装（CPO）直至“one chip”集成才是终极目标。
二、硅光关联核心技术
硅光的优势在于低功耗、低成本、尺寸小、高集成、高带宽且兼容CMOS工艺；材料可支持各种硅基、锗硅材料；器件层可集成关键的波导，I/O光学，MUX/DEMUX，调制器，探测器等；且应用广泛，包括光通信，光子计算，激光雷达，传感等。
最重要的是，硅光技术的整体产业链已经相对比较完整，实现从晶圆制造，流片，外延，EDA，Fab，封装全产业链覆盖，且每个环节都有众多企业参与。
三、硅光各关键器件
关键器件1：调制器
当前主流的硅基调制器有三种类型：硅基Mach-Zehnder调制器，硅基微环调制器和Ge/GeSi单片集成电吸收调制器。
硅基Mach-Zehnder调制器优点是有较高的调制带宽、可与CMOS工艺兼容、工艺成熟、工作波长覆盖O+C波段，硅基MZ调制器现在用得最多，Intel、Luxtera都做的比较好。
第二种是硅基微环调制器，它的优势是尺寸小、带宽大、功耗低，波长选择性可实现片上WMD系统。Luxtera也有相应的方案，而更多的公司也看好这个方案。
第三种是Ge/GeSi单片集成电吸收调制器，主要有FKE调制器和QCSE调制器两种，工作波长主要在O波段。Ge/GeSi调制器的优势在于驱动电压低、插损小、功耗低，对于CPO是一个很好的选择。我个人认为这个方案更好，我们国家制定相应标准的时候可以考虑。
当然，还有更多新型材料做的调制器，包括硅基LiNbO3是比较有希望的一种，其他如硅基石墨烯等等多种新材料仍在研究当中。
关键器件2：探测器
陈博士重点介绍GeSi波导型探测器，不论是薄硅还是厚硅相对都比较成熟，很多公司也开发了相应的商业化产品。硅基微环探测器也是一种，还有硅基混合集成探测器，都是可兼容COMS工艺，重点是把性能更好。III-V族材料与硅基混合集成的探测器，二维型材料与硅基集成探测，仍在研究阶段。
关键器件3：激光器与硅光芯片的集成
众所周知，由于硅本身不发光，所以需要考虑采用激光器与硅光芯片异质集成，首先需要异质外延，其次需要透镜耦合，工艺复杂度高，良率不高。有一个新技术叫转移压印，用转移压印的方式精确地把材料转移到另一种材料上去，据说高精度、低成本，值得关注。还有晶圆键合，芯片级倒装焊接等，大规模集成的话还需探索。
四、光互连应用
当前就两条路：今天是可插拔光模块，明天就是CPO。可插拔光模块的工作硅光均可以承接，但硅光的特点是可以走向CPO，所以业界更多的企业布局硅光模块。包括Intel，阿里巴巴(Elenion，海信)，博创等等。亨通洛克利在2020年OFC上推出一款400G DR4的纯硅光模块样品；2021年发布了国内首台3.2T基于硅光技术的板上光互联工作样机，交换芯片与光引擎的协同封装，采用外置激光器光源，重用成熟的光模块硅光芯片设计及工艺路线，128路×25Gbps实现3.2T交换，可扩展到512路×100Gbps实现51.2T交换。
最后，陈博士介绍了CPO生态链上的玩家， Intel，思科，RANOVUS，博通，还有Rockley和亨通洛克利。Rockley最近被评为CPO的先驱，因为提出CPO的概念很早，而当前行业仍在变化当中，值得业界关注。期待硅光技术在光通信及更多、更好领域获得应用，绽放出更多的花朵。
一、硅光的技术发展历程及趋势
简单回顾光子集成技术的发展历程，第一代是基于平面光波导技术的PLC技术平台；第二代是基于InP磷化铟；第三代就是基于硅光技术平台了；再往下走就到第四代光电集成OEIC。
宏观来看硅光技术的发展历程，已经有50年的历史了，1960~2000年属于技术探索期；2000-2008年属于技术突破期，以Intel为首的企业和学术机构开始发展硅芯片光学信号传输技术；2008年之后我们迎来了集成应用时期，以Luxtera，Intel，IBM为代表的公司不断推出商业级硅光集成产品，并推出了商用化的硅光模块产品。
从应用角度来看，硅光技术主要有直调和相干两类产品路线。硅光模块仅仅是硅光技术的一个中途站，协同封装（CPO）直至“one chip”集成才是终极目标。
二、硅光关联核心技术
硅光的优势在于低功耗、低成本、尺寸小、高集成、高带宽且兼容CMOS工艺；材料可支持各种硅基、锗硅材料；器件层可集成关键的波导，I/O光学，MUX/DEMUX，调制器，探测器等；且应用广泛，包括光通信，光子计算，激光雷达，传感等。
最重要的是，硅光技术的整体产业链已经相对比较完整，实现从晶圆制造，流片，外延，EDA，Fab，封装全产业链覆盖，且每个环节都有众多企业参与。
三、硅光各关键器件
关键器件1：调制器
当前主流的硅基调制器有三种类型：硅基Mach-Zehnder调制器，硅基微环调制器和Ge/GeSi单片集成电吸收调制器。
硅基Mach-Zehnder调制器优点是有较高的调制带宽、可与CMOS工艺兼容、工艺成熟、工作波长覆盖O+C波段，硅基MZ调制器现在用得最多，Intel、Luxtera都做的比较好。
第二种是硅基微环调制器，它的优势是尺寸小、带宽大、功耗低，波长选择性可实现片上WMD系统。Luxtera也有相应的方案，而更多的公司也看好这个方案。
第三种是Ge/GeSi单片集成电吸收调制器，主要有FKE调制器和QCSE调制器两种，工作波长主要在O波段。Ge/GeSi调制器的优势在于驱动电压低、插损小、功耗低，对于CPO是一个很好的选择。我个人认为这个方案更好，我们国家制定相应标准的时候可以考虑。
当然，还有更多新型材料做的调制器，包括硅基LiNbO3是比较有希望的一种，其他如硅基石墨烯等等多种新材料仍在研究当中。
关键器件2：探测器
陈博士重点介绍GeSi波导型探测器，不论是薄硅还是厚硅相对都比较成熟，很多公司也开发了相应的商业化产品。硅基微环探测器也是一种，还有硅基混合集成探测器，都是可兼容COMS工艺，重点是把性能更好。III-V族材料与硅基混合集成的探测器，二维型材料与硅基集成探测，仍在研究阶段。
关键器件3：激光器与硅光芯片的集成
众所周知，由于硅本身不发光，所以需要考虑采用激光器与硅光芯片异质集成，首先需要异质外延，其次需要透镜耦合，工艺复杂度高，良率不高。有一个新技术叫转移压印，用转移压印的方式精确地把材料转移到另一种材料上去，据说高精度、低成本，值得关注。还有晶圆键合，芯片级倒装焊接等，大规模集成的话还需探索。
四、光互连应用
当前就两条路：今天是可插拔光模块，明天就是CPO。可插拔光模块的工作硅光均可以承接，但硅光的特点是可以走向CPO，所以业界更多的企业布局硅光模块。包括Intel，阿里巴巴(Elenion，海信)，博创等等。亨通洛克利在2020年OFC上推出一款400G DR4的纯硅光模块样品；2021年发布了国内首台3.2T基于硅光技术的板上光互联工作样机，交换芯片与光引擎的协同封装，采用外置激光器光源，重用成熟的光模块硅光芯片设计及工艺路线，128路×25Gbps实现3.2T交换，可扩展到512路×100Gbps实现51.2T交换。
最后，陈博士介绍了CPO生态链上的玩家， Intel，思科，RANOVUS，博通，还有Rockley和亨通洛克利。Rockley最近被评为CPO的先驱，因为提出CPO的概念很早，而当前行业仍在变化当中，值得业界关注。期待硅光技术在光通信及更多、更好领域获得应用，绽放出更多的花朵。
