硅光子行业分析

硅光子行业分析2017年4月1背景2相关器件、产品及工艺、技术3应用领域4市场分析5行业现状与趋势6业内企业概况7小结Contents芯片层面的光进铜退是必然趋势在固网传输领域，全球已经历了光纤替代铜线电传输数据的浪潮，解决了长途传输过程中的网络建设问题。云计算、大数据时代的到来，全球企业快速将业务重心转移到云平台架构，数据中心流量快速提升。光通信已经发展了近40年，从八十年代左右开始，相继完成了WAN、MAN、LAN、System、Board领域的渗透。光传输发展路径传统光通信模块主要是由III-V族半导体芯片、高速电路硅芯片、被动光学组件及光纤封装而成。随着晶体管加工尺寸不断减小，电互连面临诸多局限，业界发现摩尔定律不再适用，传统铜电路已接近瓶颈，50Gbps已接近传输极限。010203040-10-20-30-40-50012G18G低损耗RO4350标准FR4传输速率（Gb/s）传输损耗（dB/Channel）眼图关闭传输距离0.5m铜线在高速传输信号（10G）时出现困难铜线的传输极限未来将无法满足数据中心通信和云计算产业的发展需求，需要更快的传输速度，数据中心内部及芯片层面的光进铜退成为必然。技术背景随着晶体管加工尺寸不断减小,电互连面临着信号延迟大、传输带宽小、功耗大、信号串扰大、成本高等局限,芯片集成度提高的速度减慢甚至趋于停滞。IT从业者开始为半导体芯片寻找继任者，出现了光子计算、量子计算、超导计算等概念。由于光信号在传输过程中很少衰减且可获得极大的带宽，最重要的是在硅芯片上集成光学数据通道的工艺难度相对较低，所以科研人员认为用光通路取代电路在硅芯片间传输数据是一种有效的解决方案。由此硅光子技术应运而生。硅光子技术的发展经历了技术探索、技术突破、集成应用三个阶段：1969年美国贝尔实验室的S.E.Miller首次提出集成光学概念。1972年S.Somekh和A.Yarive提出了在同一半导体衬底上同时集成光器件和电器件的设想。然而当时为了制备功能多样的光器件，仍需采用不同特性的材料作为衬底，这大大限制了集成光器件的发展。进入21世纪，互联网的兴起对宽带速度的要求越来越高，数据中心CPU芯片的协同运算能力受到芯片互联带宽的严重制约。以Intel为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术。技术探索阶段技术突破阶段集成应用阶段1960s-2000s2000-20082008-至今2008年以后，以Luxtera、Intel、和IBM为代表的公司不断推出商用级硅光子集成产品。在2012年之后，Kotura公司、美国Alcatel-Lucent、Acacia公司、日本的Fujikura公司相继都有相关报道，不断推动硅光子集成技术的发展。技术概述硅光子技术硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。概括地说，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中，在硅片上用光取代传统铜线作为信息传导介质，以提升芯片与芯片间的连接速度，可使处理器内核间的数据传输速率比目前提升100倍以上，取得比传统铜导线更优异的数据传输性能与极低的能耗。基本原理硅光子架构主要由光源、调制器、光纤/波导、探测器等几部分组成。使用该技术的芯片中，电流从计算核心流出，到转换模块通过调制，将电信号转换为光信号，通过电路板上铺设的光波导，到另一块芯片后再转换为电信号。相对电传输，采用高速光纤的光传输架构，可以通过单一链路25Gb/s的标准达到100Gb/s的传输速度，甚至更快。而传输介质采用硅作为集成光器件衬底，可以利用已有的集成电路工艺制作光器件，有助于降低成本及实现光电集成。光发送集成芯片光接收集成芯片光收发集成芯片技术优势功耗更低、可靠性更高相比传统的光学技术，它结合了硅技术的低成本、更高的集成度和互联密度以及更多的嵌入式功能，同时功耗更低、可靠性更高。早在上世纪70年代就提出了集成光学的概念，即在同一芯片中同时集成光器件和电器件，但由于技术上的各种限制，更由于网络发展远未达到传输瓶颈，硅光技术更多地停留在学术研究层面。在数据传输能力上，光信号拥有电信号不可比拟的高带宽传统的铜电路已经接近物理瓶颈，继续提高带宽变得越来越困难。同时云计算产业却对芯片间数据交换能力提出了更高的要求：数据中心、超级计算机通常会安装数以千计的高性能处理器，可这些芯片的协同运算能力却受到芯片互联带宽的严重制约。例如一颗XeonCPU从与自己直接连接的内存中读取数据的带宽高达每秒40G字节，但如果是从另一颗Xeon芯片控制的内存中读入资料，带宽就会下降一半甚至三分之二。突破芯片互联瓶颈单颗芯片的性能越强、互联的芯片数量越多，较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍。我国研制的天河2超级计算机，已经连续五次获得世界计算机Top500的第一名，它的柜与柜所有的连接就都是通过光进行通信。铜电路不仅带宽提升困难，功耗和发热也不可小视，由此还会带来数据中心温度控制的附加成本。同时相对于电磁波易干扰易窃听的问题，光信号在安全性上得到了巨大提升。因此业界对硅光技术寄予了厚望。1背景2相关器件、产品及工艺、技术3应用领域4市场分析5行业现状与趋势6业内企业概况7小结Contents硅光子产品层次硅光子器件与产品可分为三个层次：硅光器件、硅光芯片、硅光模块。-硅光器件：是各个环节的功能单元，主要包括光源、调制器、探测器、波导等。-硅光芯片：将若干基本器件进行单片集成，以实现高性能、低功耗、低成本等特性。包括光发送集成芯片、光接收集成芯片、光收发集成芯片、相同功能器件阵列化集成芯片（探测器阵列芯片、调制器阵列芯片等）等。-硅光模块：是最终系统级的产品形式，即将光源、硅光子器件/芯片、外部驱动电路（激光器驱动、调制器IC和探测器读出放大IC等）集成到一个模块，包括光发送模块、光接收模块和光收发一体模块等。硅光组件概述组件类型主要特性激光器–光源Hybrid目前的主要方案：III-VI族激光器模通过不同方法与硅接收器（Sireceiver）键合：-激光器与隔离器和耦合透镜集成在一个小组件上，然后键合在硅模上。这是Luxtera和Lightwire/Cisco采用的方案。-激光器模被倒装焊接在硅接收器上，不需要隔离器。Kotura/Mellanox采用的方案。-磷化铟晶片接在硅接收器上，激光器进行后处理。（Leti，Intel）单片集成光源在SOI上进行加工，但硅不像GaAs和InP会发射光——在多孔硅、应变锗、硅上GeSn、硅酸铥上开展了一些研发。Off-chip使用耦合外部激光器——多波长、能源/热量管理独立，但需要复杂的封装/耦合/光纤连接。调制器EAM（ElectroAbsorptionModulator）利用半导体中激子吸收效应制作而成光信号调制器件。响应速度快，功耗低点，被广泛应用于高速光纤通信中信号的调制编码。相位调制器外部调制器——是使光的相位按一定规律变化的光调制器。MZI马赫-曾德尔干涉仪（Mach-ZehnderInterferometer）最常用（宽波长范围，温度不敏感），但功耗较高（1pJ/bit），尺寸较长。环形谐振器微环谐振器还在研发中，其优势在于尺寸小（达到3μm），高速率（高达30Gb/s）。探测器attached技术成熟但集成度低，成本高。HybridIII-VI模具/晶圆被焊接，集成密度高但不是完全集成。单片集成（Monolithic）目前的主要方案是：SOI上锗加工，硅光探测器开始出现。波分复用及解复用器光栅Kotura/Mellanox使用的方案。阵列波导光栅AWG电信领域中最常用技术。环形谐振复用和解复用都可应用，但制造存在挑战，并且对温度变化及其敏感。耦合器渐逝场、光栅、倒锥等实现光纤到芯片，或者芯片内的耦合。硅上光栅是目前最常用的方案。环形谐振是耦合另一个可能的设计。其他波导、分束器、跨阻抗放大器（TIA）等-由于折射率差别大，SOI十分适合波导的需求-不同技术：脊型波导、带状/线状波导、光子晶体波导、狭缝波导-不同波导尺寸/技术：•Kotura/Mellanox采用3μm×3μm。波导较大则信号功率控制更好。电子与光学功能独立，需要键合或通过其他技术进行连接。•Luxtera采用0.4μm×0.4μm。一向是有更好的电子和光学集成，更容易生产。硅光器件：光源硅光通信系统中，光源是光信息载体，为便于高速稳定地传输大量信息，要求光源具有响应时间小（典型值小于1ns）、单色性好（光谱带宽小于或等于2nm）等特点，而且要求其可以相应尺寸的波导实现较好耦合。实际使用的所有半导体激光器都是多层异质结器件。现状主要挑战在硅光通信系统中，硅基激光器的集成是一大难点，因为硅是间接带隙半导体，发光效率低，难以制备硅基发光器件。同时，由于硅的间接能带隙，如何提供高效的电子泵浦光源还是目前的主要挑战。技术进展引入高效电子泵浦光源的一个方法是采用III-V族发光材料与硅光电路混合集成。目前有三种途径实现，一是使用III-V族芯片在硅上粗对准键合，随后进行硅圆级加工；二是在硅或SOI上直接外延生长层III-VI族层；三是前两个方法的结合：在硅上生产长III-V族增益层，然后将其键合到SOI晶圆，以达到有效的波导耦合和光子集成电路制造。目前，硅光子中大多数光源使用III-V硅晶圆键合（异质集成）或对接耦合（混合方案）。硅与III-VI族材料的集成能利用两类材料的优势，硅能提供低传播损耗，而III-VI族材料能带来高增益值、通过改变合金组成对能带隙进行调整。根据需求的不同，光源分为连接器光源和电信光源。连接器光源电信光源未来连接器技术的三个关键指标是带宽密度、能效和延迟。电气互联将无法跟上能力要求，未来十年光学连接器将成为片上通信的首选设计。在以上三个指标达到要求后将会朝光互联过渡。窄线宽（narrowlinewidth）激光在现代通信中变得越来越重要。传统III-V激光线宽在兆赫范围，而达到最优性能需要时线宽达到亚千赫的程度（sub-kHz）各年宽可调谐集成激光器线宽按以下三类：III-VI族激光器对接耦合芯片（assembly）单芯片（异质集成）小结尽管混合集成激光器可能是片上光源的最有潜力的实用方案之一，但以Intel为首研究的全硅拉曼激光器和以美国MIT为首研究的硅基锗激光器也在近年取得了一系列突破，以英国伦敦大学为首的硅激光器也取得了良好性能。这些都为未来实现完全CMOS工艺兼容的硅基光互连提供了前期的技术储备。硅光器件：硅光调制器概述从激光器发出的光波是没有加载信号的，需要经过调制器，将外界电流、电压信号转换为光波的强度、幅值、相位、频率、偏振方向等参数，将电信号数据加载到光波上实现信号的光学传输。光调制器有电光、热光、声光、全光四种调制，电光调制性能最佳，其原理是利用晶体的电光效应，通过控制外电场来改变晶体折射率或双折射率，从而改变输出光波的相位或强度。光学微机电系统调制的也是一种可选方案，但仅限于一些低速应用。调制器关键参数包括速度、调制深度、驱动电压(或功耗)、光损耗、紧密度、波长范围、温度敏感性和偏振依赖性。目前电光调制器主要分为三类：利用直接电光效应的LiNbO3调制器、利用多量子阱电吸收原理的InP调制器、利用等离子色散效应的硅基电光调制器。等离子色散调制器基于马赫-泽德干涉（MZI），这是目前主要的商用调制器。目前主要挑战在于降低功耗，要实现足够的调制深度通常需要较大驱动电压（∼6v），功耗约在pJ/bit。等离子色散调制器又可分为载流子积累型、注入型和耗尽型，而调制效果最好的是载流子积累型。基于载流子积累效应的调制器可以提升约5倍的效率，但是制造工艺更复杂，或需要掺杂多晶硅从而导致高传播损耗。一个解决方案是使用一个共振或慢波结构减小封装尺寸和调制器的驱动电压，但这样会使设备的温度依赖性高，并缩小光学带宽。如果对设备调优（tuning）以抵消温度变化也会导致功耗增加。另一种方案已应用在商用产品中，即弗朗兹一凯尔迪什效应调制器，这类调