矽光子一直是一項極具吸引力的技術。既然對光通訊中所用紅外線波段的光子來說,矽是透明的,那麼為什麼不將光學元件整合到矽片上呢?絕緣矽(SOI)製程可用於在矽中形成波導、調變器和其他光學結構,並充分利用CMOS的低成本與可擴展性。

經過數十年的研發,矽光子產品在過去幾年中已經進入市場並進入實際應用(圖1)。該技術在資料中心尤其具有吸引力,因為超大規模設施上線需要數百公尺的中心內鏈路,而它們最好的解決方案是光纖。目前,這當中使用的是可插拔收發器模組,但是如果將收發器整合到與電子元件相同的封裝中,則將更具成本、空間和功耗方面的優勢。

20190701EDNNT31P1 圖1 2016~2025矽光子市場預測。(資料來源:Yole Développement)

傳統的光學元件通常需要手工組裝成氣密、離散封裝的元件。將一些光學元件整合到矽上可以充分利用電子封裝的成本優勢和組裝的便利性,而且,矽光子還可以實現超大規模資料中心所需的容量增長。

實際上很多營運商在4G擴建時已經開始在行動前傳(mobile fronthaul),特別是在天線上的天線與基頻單元之間的鏈路中採用光纖來加速安裝。而5G的出現,對速度和頻寬有了更高要求,這也為矽光子創造了另一個機會。

Yole Développement估計2018年矽光子的全球市場價值將達5億美元,而到2025年將增長至35億美元。這其中包括了一些潛在應用,如資料中心、5G、光達(LiDAR)和生物感測器。

「儘管出現了很多新創公司,但這仍然是一個非常集中的市場,由英特爾(Intel)和思科(Cisco)最近收購的Luxtera所主導。」Yole Développement光子、感測和顯示器分析師Eric Mounier表示,「矽光子的總資金數可能接近10億美元。其原因是它極有希望解決資料中心的頻寬瓶頸問題,同時它也是感測器應用的一個優秀技術平台。」

一些大公司已經在這方面投入了鉅資。例如,英特爾在過去幾十年裡一直在研發矽光子技術,還有一些公司則透過收購進入該市場。思科於2019年2月以6.6億美元的價格完成了對Luxtera的收購。出人意料的是,2019年3月Nvidia也宣佈計畫以69億美元的價格收購光纖互連領軍者Mellanox,此次交易將為Nvidia帶來矽光子產品組合,這又基於Mellanox在2013年收購Kotura時所獲得的技術。在此之前,Nvidia已經透過其圖形處理器產品在資料中心領域佔據了很大席位——資料中心市場約佔其業務的25%,Nvidia-Mellanox陣容將使資料處理和互連構成同一解決方案的組成部分。

「Mellanox的主要競爭對手是英特爾,英特爾正在資料中心互連方面推動矽光子技術取代矽技術。」Yole Développement總裁兼執行長Jean-Christophe Eloy表示,「英特爾希望為其已經在賣給資料中心製造商的資料處理添加光互連。而隨著對Mellanox的潛在收購,Nvidia也正在採取同樣的策略…對於Nvidia而言,這是一個聰明的做法,但這對英特爾來說就是個壞消息了,因為他們將面對一個創新且發展迅速的競爭對手。」

英特爾於2016年宣佈其首款矽光子元件的量產,此後又增加了兩款產品。這三款元件分別是用於資料中心應用的100G和400G收發器,以及針對5G前傳的具有擴展工作溫度範圍的100G收發器。這款用於5G的產品是一款CWDM4 QSFP28稀疏分波複用(CWDM)、四通道小型可插拔收發器,支援在-40℃~85℃的工作溫度範圍內透過單模光纖實現10km鏈路(圖2)。

20190701EDNNT31P2 圖2 英特爾的矽光子100G CWDM4 QSFP28光收發器,支援擴展溫度範圍工作。(圖片來源:英特爾)

Mounier表示,由於矽光子技術具有優於傳統光學技術的先天優勢,GAFAM科技五霸權——Google、蘋果(Apple)、Facebook、亞馬遜(Amazon)和微軟(Microsoft),以及BAT中國網際網路三巨頭——百度、阿里巴巴和騰訊等公司,正在積極推動這項技術的發展。同時,晶圓代工廠也致力於為無晶圓廠矽光子客戶提供通用製程。

「確實有越來越多的代工廠對矽光子感興趣,無論是意法半導體(STMicroelectronics)、GlobalFoundries和台積電(TSMC)這類大型晶圓代工廠,還是各種微機電系統(MEMS)代工廠,如Silex Microsystems、APM和VTT,」Mounier表示,「GlobalFoundries已經與許多矽光子無晶圓廠建立了廣泛的合作關係…透過利用GlobalFoundries現有的半導體製造平台,矽光子將會帶來更多業務。」

雷射對準

通訊巨擘MACOM是其中一家與GlobalFoundries合作擴展其矽光子技術的公司。這兩個合作夥伴在2019年3月簽署了一項協定,使MACOM可以在GlobalFoundries工廠中使用其自對準端面蝕刻面技術(SAEFT)。

由於雷射無法用矽製造(它需要用磷化銦等直接能隙材料),因此通常是採用倒裝晶片組裝製程將單獨的雷射裸片組裝到矽光子晶片上並精確對準。MACOM專有的SAEFT自對準製程可實現雷射裸片與矽光子晶片(PIC)對準,從而製作L-PIC。該技術基於EFT技術,是MACOM於2014年收購雷射供應商BinOptics所獲得。

「這種自動化自對準製程取消了雷射的主動對準,以及離散光學設計中傳統環氧樹脂固定與固化步驟。」MACOM矽光子產品行銷總監Arlen Martin表示,「與GlobalFoundries達成的協議是雙方現有關係的延伸,並使新加坡和紐約的多源供應鏈能夠利用GlobalFoundries的製造。MACOM將充分利用GlobalFoundries的300mm(12吋)矽製造製程來達到急需的規模與成本要求。」

根據Martin所述,MACOM正在為資料中心和電信客戶開發基於其L-PIC平台的新產品,包括提供100G CWDM4、100G DR1/FR1、200G FR4、400GFR4和400G DR4解決方案,以便實現向100Gbps、400Gbps,以及更高傳輸速率過渡。

矽光子非常適合5G電信網路等高容量應用。他表示,「5G前傳部署的第一階段將是10G SFP+和25G SFP28模組的混合部署。對於中傳,光學部分將過渡到Nx56G四階脈衝振幅調變(PAM4)QSFP模組。在我們從10和25Gbps過渡到50和100Gbps的過程中,預期矽光子將開始發揮重要作用。」

矽鍺(SiGe)

Sicoya是從柏林工業大學(Technischen Universitat Berlin)拆分出來的一家公司,憑藉其研發的、基於矽鍺BiCMOS製程的100G矽光子收發器於2017年進入市場。大多數矽光子公司都採用SOI製程構建其元件,但Sicoya執行長Sven Otte卻稱「從BiCMOS電子元件著手並添加光子才是天作之合。」

「這是有道理的,因為大多數光學互連的電子部分不管怎樣都要採用BiCMOS,」Otte表示,「跨阻抗放大器、時脈和資料恢復,以及雷射驅動器都是採用矽鍺BiCMOS…CMOS則僅用於需要訊號處理的地方。」

如今,Otte表示,「Sicoya的電子和光子已整合在同一個晶片上,這使得我們的電晶體比CMOS電晶體速度更快。矽鍺是一種超高效的技術,它不僅在性能上為我們帶來優勢,同時還取消了某些封裝工序。」

即使可能的話,在矽片中有效構建雷射二極體和光電探測器(PIN二極體)等光學元件也非常困難,因此大多數矽光子解決方案是將這些元件放在單獨的裸片上。而Sicoya將矽鍺光電探測器整合在與接收側電子元件相同的裸片上(圖3)。該公司是否會嘗試構建矽鍺雷射,來實現更加整合的發送端呢?

20190701EDNNT31P3 圖3 Sicoya的單片整合式100G光電IC。(圖片來源:Sicoya)

「我們可以做到,但對於所需的特定波長,它還不夠好。」Otte表示,「更有可能的是,在我們的一款晶片上面生成一層磷化銦層來形成雷射。但這仍處於研究階段,完成原型和資格認證也還需要一些時間。」

Sicoya擁有混合商業模式,它向策略性大容量客戶同時銷售晶片和引擎。「我們還將使用這些晶片的光收發器賣給那些Web-scale公司。它們只接受光收發器——通常,他們不接受任何光引擎—而且我們發現向收發器公司推銷產品是一件很困難的事情,因為我們是在與其內部技術競爭。」Otte說。

Sicoya產品包括2017年推出的100G收發器系列和2019年3月在OFC2019展會上首次推出的三款400G收發器系列(圖4)。400G型號目前正在進行資格認證,並將於今年下半年開始出貨。此外,還有一款針對5G基礎設施設計的產品——28G單通道單模收發器——並正在開發其CWDM版本。

20190701EDNNT31P4 圖4 Sicoya的單晶片100G QSFP28收發器。(圖片來源:Sicoya)

「網路架構已經發生變化,從天線和遠端基地台之間的銅纜連接,再到都會區網路的光纖連接,以及現在的射頻前端,其將天線直接連接到光纖收發器…資料傳輸速率高很多。」 Otte談道,「這些連接大多是點對點、單通道。在大都市區,有時一座天線桿上會有多根天線,在這種情況下,就需要用CWDM收發器,才能僅用一根光纖連到遠端基地台。

Otte還強調了矽光子對於5G基礎設施的幾點優勢。矽光子晶片本質上對溫度不敏感,因此它們可以承受5G部署中經常遇到的從狂風暴雪到沙漠酷暑的極端環境條件。這項技術還易於擴展,設計不會過時,對於5G來說,這是一個明顯優勢。另外還有成本優勢,傳統的離散式解決方案,封裝佔了成本的很大一部分;而貼裝了雷射裸片的矽光子晶片可以採用電子封裝,相比之下,只需最少的製程步驟。

Otte很清楚5G基礎設施不是未來的應用,而是正在發生的應用。「我們正在5G市場加速推廣我們的產品;今年年底之前,我們一家中國的電信客戶就會把它安裝到現場。」他說,「5G是我們在市場上看到的最大數量的驅動力之一…對我們來說,5G市場的規模比資料中心市場要大2~3倍。」

除了在柏林擁有工廠,Sicoya剛剛宣佈計畫在中國天津開設光模組和光引擎裝配和測試工廠。新工廠將服務於中國市場的5G無線前傳和100G/400G資料中心收發器應用。

「中國在部署5G方面特別領先,但在矽光子技術領域並不一定處於領先地位。」Otte談道,「事實上,我認為歐洲和美國在矽光子技術方面比中國領先2~3年的時間,這對我們來說是一個巨大的機會。」

未來

儘管矽光子技術未來的發展前途非常誘人,但物理上卻可能存在限制。 Rockley Photonics執行長Andrew Rickman認為,未來的光連接應該是封裝內光學——將最佳化的矽光子與微電子裸片整合在相同的封裝內,而不是在相同的裸片上。

「光子和電子的特性差異巨大,」Rickman說,「因此,開發最佳化電子IC所需的製程與開發最佳化光子IC所需的製程將會不同。這就是為什麼單片整合——雖然這個想法很誘人——永遠無法實現矽光子的全部潛力。現在我們在封裝技術方面已經有了重大創新,例如2.5D和3D晶圓級封裝,可用於開發和製造最有效的整體解決方案,可以預見這種方案將持續一段時間。」

Rickman指出,雷射需要採用直接能隙(III-V)材料實現,因此所有矽光子解決方案都至少需要多個裸片。關鍵在於將解決方案正確劃分到不同的裸片上,而不是進一步的整合,他表示。

「我們相信,最佳解決方案最終會是將數位內容和類比前端(AFE)進行單片整合,而矽光子和雷射仍然保持各自的製程——這就是我們用Topanga(該公司在OFC2018上的展示設備)演示過的方法。」Rickman表示。

Topanga是一款12埠100G乙太網路交換機,預裝了全部12個100G收發器(圖5)。它採用的1.2Tbps乙太網路交換機ASIC是該公司自主設計,具有第三層路由功能,以及多個類比前端,用於所有48×25Gbps電通道。ASIC與矽光子IC封裝在一起,實現基於平行單模光纖的光介面。光功率採用外部雷射模組來提供,將PIC直接安裝在CMOS裸片附近,可最大限度地縮短高速電通道的長度,從而簡化設計並降低功耗(圖6)。

20190701EDNNT31P5 圖5 Rockley Photonics在OFC2018上展示了其Topanga 12埠100G乙太網路交換機。(圖片來源:Rockley Photonics)

20190701EDNNT31P6 圖6 Rockley Photonics的封裝內光學平台可以將收發器(紫色)安裝在ASIC(灰色)附近。(圖片來源:Rockley Photonics)

Rickman表示,在Rockley的封裝內光學想法流行起來之前,有種可能的中間解決方案是對類比前端和矽光子PIC採用單獨的裸片,將它們組裝到同一個封裝中,同時提供標準的電氣介面,來實現與協力廠商交換機晶片的互通。Rockley用其LightDriver產品推行這種方案,用於為包括資料中心連接、消費類感測器和光達在內的多個領域提供交換機相容(switch-agnostic)平台。該公司在OFC2019上展示了使用該平台的收發光學元件(TROSA),如圖7所示。未來構建在這個平台上的系統可能會在系統級上再做最佳化——可能其數位ASIC的整合度將會更高,或者會對電氣互連進行最佳化,Rickman表示。

20190701EDNNT31P7 圖7 使用Rockley Photonics的矽光子平台進行資料通訊的收發光學元件。(圖片來源:Rockley Photonics)

Rickman還指出,由於光的特性,矽光子與高階CMOS節點並不相容,因此與整合化的宣傳相悖。「大多數製造矽光子晶片組的公司都來自傳統的微電子產業,它們使用過去但尚未得到驗證的策略來利用現有的矽CMOS晶圓代工廠和製程。」他談道,「問題在於光子和電子的性能有很大不同,因此,針對電子而最佳化的CMOS節點不一定能成為光子光路高度最佳化的最佳選擇。」

因此有幾個實際考慮因素。矽光子需要採用SOI CMOS製程,其尚未達到與標準CMOS相同的先進節點,而且標準的製程流程尚未實現某些所需的特定工序。此外,要想用矽片製作高速調變器,波導必須縮小到亞微米尺寸,這遠小於其所通過的光波長。在這樣的微小尺寸下,傳播損耗將會增加,效率會降低。

「重要的是要記住,光子元件比電晶體還要大。」Rickman表示,「把7奈米(nm)裸片上寶貴的空間都用來實現光子光路,那麼晶片上所剩下可用來實現高速數位內容的空間就少之又少,我們認為這種方法在經濟上行不通。雖然Rockley的平台完全能夠生產標準CMOS衍生製程流程中所有的可能功能元件,但它的一個優勢是能夠為光子最佳化解決方案提供所有元件、設計功能和材料系統。」

Rockley於2017年與中國光纖電纜製造商江蘇亨通光電成立合資企業,使其技術實現了商業化。亨通投資4,200萬美元建立這家合資公司,目的是為市場提供低功耗、高性價比的收發器。亨通今年初按照交易計畫,又對Rockley的E輪融資投資3,000萬美元。

「這家合資公司目前在提供100G市場所用產品方面進展順利,這將有助於推動中國電信和資料中心市場方面的業務。」Rickman表示,「最近我們宣佈了擴大我們的合作關係,這樣這家合資公司也能夠採用Rockley的LightDriver技術構建400G DR4收發器。這類產品將於年底開始發貨,借此我們將會擴大我們在中國乃至世界其他地區的影響力。」

經過數十年的研發,矽光子正在全球各地的晶圓廠中上量,資料中心的連接和前傳也將借此實現重大改進。或者,正如Otte所說,「矽光子已步入黃金時代。」

(參考原文: Silicon Photonics Reaches Prime Time,by Sally Ward-Foxton)