信通院吴冰冰深度解析:光电子芯片器件集成技术发展态势

C114讯 9月16日消息(水易)9月16-18日,第23届中国光博会在深圳开幕。大会期间召开的“光电子芯片集成技术与应用论坛”上,中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师吴冰冰详细介绍了光电子芯片器件集成技术发展态势及标准化进展。

信通院吴冰冰深度解析:光电子芯片器件集成技术发展态势

5G+数据中心时代,新型业务及应用驱动数据流量增长,掀起光电子芯片器件及模块行业新浪潮。吴冰冰指出,在此背景下,光电子芯片及器件整体呈现“高速率”、“集成化”、“低成本”发展趋势,目前业内研究的热点包括800Gb/s技术、硅光集成技术以及CPO技术。

800G备受关注,核心光电芯片器件有待成熟

目前,400Gb/s已完成多种距离规格和不同实现方案的标准化工作,并在数据中心和电信网络中逐步走向规模部署。800Gb/s标准化成为热点,国内外多个标准化组织竞相开展。IEEE802.3、800G Pluggable MSA、100G Lambda MSA和IPEC均已启动800Gb/s相关规范,聚合产业力量,对800G应用场景、接口规格等进行定义。

吴冰冰表示,8×100Gb/s直调直检技术方案可优先实现400Gb/s向800Gb/s平滑演进,预计将2021~2022年进入市场。100m及以下传输距离,多模方案力争突破VCSEL激光器速率极限,以硅光和DML为代表的单模方案迅速发展;硅光如成品率进一步提升,有望部分取代EML在500m应用场景中成为主流,2km应用场景多方案并行;10/20/40km等更长传输距离和更多波长通道会导致更大的色散,基于更窄波长间隔的nLWDM成为800Gb/s中长距的候选方案之一。

未来3~4年,当交换速率达102.4Tb/s时,单通道200Gb/s将迎来实际需求。吴冰冰指出,单通道200Gb/s是800Gb/s直调直检模块的理想架构,是1.6Tb/s实现基础,可能存在QSFP-DD800、QSFP224、OSFP、CPO不同封装形式。目前,500m、2km传输距离存在PSM4和CWDM4技术方案;10km距离有LWDM8、nLWDM8(400GHz)方案在研。

除了直调直检方案外,基于90+GBaud的800G相干已有产品推出;基于16QAM的800G相干需100+GBaud芯片器件,器件有效带宽75GHz ,尚未实际量产;波道宽度将为150GHz,若实现单纤80CH传输,需占用C++和L波段,波长方案尚未确定。相干方案下沉,除高带宽光电芯片器件外,还需更简化、低功耗/成本/时延的DSP,以及低成本激光器等支撑。预计基于16QAM的800Gb/s相干光模块将于2023~2024年进入市场。

吴冰冰进一步指出,随着速率提升至800Gb/s,相干技术方案在80km传输距离基础上,进一步向10/40km更短距离延伸。同时,非相干方案也在努力向长距拓展,两种方案在应用场景中出现“相遇”。未来不同方案在“相遇”场景的需求占比将与核心芯片器件成熟程度、以及单位比特率成本等因素密切相关。

III-V族与硅光并行发展,硅光发展势头良好

光电子芯片及器件整体呈现“高速率”、“集成化”、“低成本”发展趋势。硅光子自提出以来,以其低功耗、高速率、结构紧凑等突出优势,被认为将解决信息网络所面临的功耗、速率、体积等方面的瓶颈。不过,吴冰冰指出未来III-V族与硅光集成并行发展,硅光发展势头强劲的局面。

目前,硅光设计方面,2.5D和3D多芯片集成热度增加,速率、功耗、可靠性、集成度方面优势明显;同时,国外EPDA软件在传统EDA的基础上融合光学仿真与PDK,发展迅速。硅光制造方面,以代工为主,先进工艺已达45nm节点。

与此同时,硅光技术初步成熟,除光源外的无源、有源器件,如分束器、复用/解复用器、调制器等已初步成熟,进入可规模化生产阶段。为解决光源问题,硅光集成芯片通常采用混合集成方案,灵活度高,前期工艺成本低,但光电芯片之间的键合会引起寄生效应,后期封装成本较高。

吴冰冰指出,硅光产品能够助力光模块尺寸与成本降低。电信场景,硅光技术助力相干模块尺寸与成本降低,相关研究积极推进;数据中心场景,硅光技术如成品率进一步提升,在100Gb/s PSM4短距和400/800Gb/s高速应用中的优势将日益凸显。

CPO成为重要发展方向,需构建产业生态

随着数据中心内部流量快速增长,交换机容量、端口密度和速率、功耗等均面临挑战,CPO成为重要发展方向。据了解,CPO是把交换芯片(或XPU)ASIC和光/电引擎(光收发器)共同封装在同一基板上,引擎尽量靠近ASIC,以最大程度地减少高速电通道损耗和阻抗不连续性,从而可以使用速度更快、功耗更低的片外I/O驱动器。

吴冰冰介绍,目前主流的有两种技术方案和应用场景。一是基于VCSEL的多模方案,30m及以下距离,主要面向超算及AI集群的短距光互联;二是基于硅光集成的单模方案,2公里及以下距离,主要面向大型数据中心内部光互联。

不过,吴冰冰指出,伴随着VCSEL的调制速率的提升,芯片可靠性下降,在56GBaud速率,还没有稳定可靠的大规模集成VCSEL阵列,因此基于VCSEL阵列方案的多路并行光互连的研究大幅减少。而硅光集成方案具有无需气密封装、高带宽、易集成等优势,预计基于硅光集成的CPO将成为CPO主要技术方案。

目前包括CPO JDF、OIF、COBO、IPEC、CW-WDM MSA等国内外标准组织都在开展对共封装光学的标准化研究。

“关于何时在产业中开始应用光电合封技术,业界尚未给出明确的答案。”吴冰冰指出,在数据中心网络中,3.2T CPO光引擎才是光电合封技术的突破口,速率提升至单波长200G时,使用光电合封技术才有明显的意义。

当然,CPO还有许多亟待解决的关键技术问题需进行突破,例如如何选择光引擎的调制方案、如何进行架构光引擎内部器件间的封装以及如何实现量产可行的高耦合效率光源耦合。吴冰冰表示,光电合封技术的未来发展涉及光源设计、封装形式、以及连接方式等多方面的技术进行辅助,业界各方、多平台应加大合作,推动共性技术协同,促进产业健康良性发展。

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