光子集成（PIC）应用前景广阔

5/16/2013，光子集成是近年来光通信产业的热门话题之一，是多年来业界公认的未来发展方向。但是光子集成技术提出30多年来，从业界的商用情况看整体仍旧处于初级阶段，还没有达到规模商用的条件，究其原因还是受制于光子集成技术本身的限制和供应链的单一、不成熟性。本文从光子集成的驱动力、技术实现方式、市场应用和产业链几个角度说明目前光子集成的现状和进展。

光子集成应用四大驱动

    当前光子集成应用的主要驱动力来自于以下四个方面。

数据中心互联需求

    云计算的深入推进给数据中心带来新机会的同时，也给光通信产品提出了新的需求。这种新需求表现为数据中心内互联应用对低成本和低功耗的需求。在采取超高速方式互联时，通常距离要求并不高，对于光系统的线路性能要求远远弱于干线和城域应用，但是对于光口密度、成本和功耗则比较敏感。

干线超大容量传输需求

    100G波分系统开发初期，某些厂家提出10X10G的集成方案，没有获得广泛支持，但是随着400G和1T需求的显现，对于板卡的小尺寸和高密度也提出了迫切的需求。

运营商在城域应用的现实需求

    某些运营商由于历史原因，在城域范围以及乡镇到县一级的运营部门缺乏维护力量，同时也缺乏机房资源，希望能够将传统波分的一些光层功能进行集成，提高设备集成度，降低占地面积和功耗，便于维护。在这种场景下，传输距离要求不高，可以在光的线路系统性能和易用性方面做折衷考虑以满足现实需求。

光系统自身发展的需求

    目前波分系统大量采用的分立器件堆叠方式，不仅板卡体积大，而且板卡之间需要大量的光纤连接，可靠性低。当需要增加波道的时候，通常需要重新调整多个光层的模拟参数使得系统达到性能最优，对于系统开通和运维都比较麻烦。

    总的来说，光子集成是由成本驱动，为了满足市场对更低功耗、更高密度和更高数据传输的需求而出现的。

光子集成技术逐步落地

    光子集成的分类方式有多种。比较常见的方式是根据集成的元器件功能是否相同分为水平集成和垂直集成。水平集成指的是将多个同样功能的光元器件集成在一个衬底上，从而缩小体积。垂直集成是将不同的光元器件集成在一起，从而实现多个功能的集成。从材料选择上讲，水平集成更容易实现。随着光元器件功能和元素的增多，对材料的限制也越多，不同的元器件越多，对于单一材料的限制就越严重，实现的难度也越大。

     按照实现集成的技术方式分类，可以分为单片集成（Monolithic Integration）和混合集成（Hybrid Integration）。其中单片集成指的是在单一衬底上实现预期的各种功能。混合集成指采用不同的材料实现，而后将这些不同的功能部件固定在一个统一的基片上。一般来讲，水平集成比较适合采用单片集成方式，垂直集成比较适合采用混合集成方式。但是业界的长期目标还是单片集成。

    目前在光子集成领域，各种技术和实现方式的争论已经过去，从事光子集成的厂家都开始采用越来越务实的做法来集成产品，比如在InP上应用激光器集成比较好，考虑以尽可能高的密度来减少这种昂贵材料的成本。而调制器在GaA材料上或者LiNbO3铌酸锂上效果很好。又比如无源波导的复杂路由，直接耦合到光纤，在硅波导上做比较容易。但是高密度要求不同的材料，例如SiN和半导体材料，而这些材料容易导致高损耗和串扰。XFP适合单片集成，激光器、波长可调、半导体放大器、功率监视、调制等功能需要不同的材料合成到InP材料上。但是最终实现的方式还是取决于厂家的能力和应用考虑。例如JDSU和Santur都是采用单片和混合集成方式。SEI、JDSU和Oclaro都是采用XFP作为单片集成产品。而Neophotonics、NTT和U2T用混合集成来做相干接收。Infinera则是采用基于InP材料的集成。

光子集成的潜在应用领域

     由于光子集成的功能多，密度高，产品一致性要求非常高，特别是采用单片集成方式时要求更为苛刻，导致光子集成产品的成品率低，成本居高不下，限制了大规模应用。

    从市场应用看，城域和长途传送设备市场在向光子集成的方向发展,XFP、40G和100G的OTU以及ROADM，包括MUX和DEMUX会成为应用的主要领域。在波分设备接口上，除了Infinera以外均没有采用集成方式的。直到40G和100G的复杂调制格式的出现，伴随着可调XFP的10G模块的出现才开始在波分接口上出现集成技术的应用。目前的客户侧光模块大部分没有采用集成技术。但是对于40G和100G特别是后续的400G/1T的收发模块正在采用集成技术以达到理想的端口密度要求。对于波分系统线路部分的EDFA和色散补偿等器件，还没有集成的需求，都是采用多信道并行的方式。从网络的应用范围看，城域的应用会先于干线和长途系统。

    从客户的角度看，确实光子集成可以带来很多好处。但是总体看来，在100G领域，采用光子集成的发展势头并不明显，系统设备制造商会等到400G或者1T时才会考虑大量采用光子集成技术。

   实际上光子集成是个比较宽泛的词，处于产业链上的公司都有各自的理解和实现方式，但是因为带宽增长和数据中心以及运营商对于高密度、低功耗和体积的驱动下，大家达成一致的是需要采用多种光子集成的方法以满足不同的应用需求。烽火通信一直对PIC技术进行跟踪和研究，也已经应用PIC技术到光网络产品中，以降低功耗，降低运维成本，提高系统可靠性，提升端口密度。但从目前的研究分析看，光子集成技术成品率低，价格昂贵，产业链微弱和单一的现状并没有根本改变，规模商用仍有待时日。
作者：曹玲   来源：通信世界周刊