9月16日消息（水易）9月16-18日，第23屆中國光博會在深圳開幕。大會期間召開的“光電子芯片集成技術(shù)與應(yīng)用論壇”上，中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所高級工程師吳冰冰詳細(xì)介紹了光電子芯片器件集成技術(shù)發(fā)展態(tài)勢及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展。

5G+數(shù)據(jù)中心時代，新型業(yè)務(wù)及應(yīng)用驅(qū)動數(shù)據(jù)流量增長，掀起光電子芯片器件及模塊行業(yè)新浪潮。吳冰冰指出，在此背景下，光電子芯片及器件整體呈現(xiàn)“高速率”、“集成化”、“低成本”發(fā)展趨勢，目前業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)包括800Gb/s技術(shù)、硅光集成技術(shù)以及CPO技術(shù)。

800G備受關(guān)注，核心光電芯片器件有待成熟

目前，400Gb/s已完成多種距離規(guī)格和不同實(shí)現(xiàn)方案的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并在數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)中逐步走向規(guī)模部署。800Gb/s標(biāo)準(zhǔn)化成為熱點(diǎn)，國內(nèi)外多個標(biāo)準(zhǔn)化組織競相開展。IEEE802.3、800G Pluggable MSA、100G Lambda MSA和IPEC均已啟動800Gb/s相關(guān)規(guī)范，聚合產(chǎn)業(yè)力量，對800G應(yīng)用場景、接口規(guī)格等進(jìn)行定義。

吳冰冰表示，8×100Gb/s直調(diào)直檢技術(shù)方案可優(yōu)先實(shí)現(xiàn)400Gb/s向800Gb/s平滑演進(jìn)，預(yù)計將2021~2022年進(jìn)入市場。100m及以下傳輸距離，多模方案力爭突破VCSEL激光器速率極限，以硅光和DML為代表的單模方案迅速發(fā)展；硅光如成品率進(jìn)一步提升，有望部分取代EML在500m應(yīng)用場景中成為主流，2km應(yīng)用場景多方案并行；10/20/40km等更長傳輸距離和更多波長通道會導(dǎo)致更大的色散，基于更窄波長間隔的nLWDM成為800Gb/s中長距的候選方案之一。

未來3~4年，當(dāng)交換速率達(dá)102.4Tb/s時，單通道200Gb/s將迎來實(shí)際需求。吳冰冰指出，單通道200Gb/s是800Gb/s直調(diào)直檢模塊的理想架構(gòu)，是1.6Tb/s實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，可能存在QSFP-DD800、QSFP224、OSFP、CPO不同封裝形式。目前，500m、2km傳輸距離存在PSM4和CWDM4技術(shù)方案；10km距離有LWDM8、nLWDM8（400GHz）方案在研。

除了直調(diào)直檢方案外，基于90+GBaud的800G相干已有產(chǎn)品推出；基于16QAM的800G相干需100+GBaud芯片器件，器件有效帶寬75GHz ，尚未實(shí)際量產(chǎn)；波道寬度將為150GHz，若實(shí)現(xiàn)單纖80CH傳輸，需占用C++和L波段，波長方案尚未確定。相干方案下沉，除高帶寬光電芯片器件外，還需更簡化、低功耗/成本/時延的DSP，以及低成本激光器等支撐。預(yù)計基于16QAM的800Gb/s相干光模塊將于2023~2024年進(jìn)入市場。

吳冰冰進(jìn)一步指出，隨著速率提升至800Gb/s，相干技術(shù)方案在80km傳輸距離基礎(chǔ)上，進(jìn)一步向10/40km更短距離延伸。同時，非相干方案也在努力向長距拓展，兩種方案在應(yīng)用場景中出現(xiàn)“相遇”。未來不同方案在“相遇”場景的需求占比將與核心芯片器件成熟程度、以及單位比特率成本等因素密切相關(guān)。

III-V族與硅光并行發(fā)展，硅光發(fā)展勢頭良好

光電子芯片及器件整體呈現(xiàn)“高速率”、“集成化”、“低成本”發(fā)展趨勢。硅光子自提出以來，以其低功耗、高速率、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)勢，被認(rèn)為將解決信息網(wǎng)絡(luò)所面臨的功耗、速率、體積等方面的瓶頸。不過，吳冰冰指出未來III-V族與硅光集成并行發(fā)展，硅光發(fā)展勢頭強(qiáng)勁的局面。

目前，硅光設(shè)計方面，2.5D和3D多芯片集成熱度增加，速率、功耗、可靠性、集成度方面優(yōu)勢明顯；同時，國外EPDA軟件在傳統(tǒng)EDA的基礎(chǔ)上融合光學(xué)仿真與PDK，發(fā)展迅速。硅光制造方面，以代工為主，先進(jìn)工藝已達(dá)45nm節(jié)點(diǎn)。

與此同時，硅光技術(shù)初步成熟，除光源外的無源、有源器件，如分束器、復(fù)用/解復(fù)用器、調(diào)制器等已初步成熟，進(jìn)入可規(guī)?；a(chǎn)階段。為解決光源問題，硅光集成芯片通常采用混合集成方案，靈活度高，前期工藝成本低，但光電芯片之間的鍵合會引起寄生效應(yīng)，后期封裝成本較高。

吳冰冰指出，硅光產(chǎn)品能夠助力光模塊尺寸與成本降低。電信場景，硅光技術(shù)助力相干模塊尺寸與成本降低，相關(guān)研究積極推進(jìn)；數(shù)據(jù)中心場景，硅光技術(shù)如成品率進(jìn)一步提升，在100Gb/s PSM4短距和400/800Gb/s高速應(yīng)用中的優(yōu)勢將日益凸顯。

CPO成為重要發(fā)展方向，需構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)

隨著數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量快速增長，交換機(jī)容量、端口密度和速率、功耗等均面臨挑戰(zhàn)，CPO成為重要發(fā)展方向。據(jù)了解，CPO是把交換芯片（或XPU）ASIC和光/電引擎（光收發(fā)器）共同封裝在同一基板上，引擎盡量靠近ASIC，以最大程度地減少高速電通道損耗和阻抗不連續(xù)性，從而可以使用速度更快、功耗更低的片外I/O驅(qū)動器。

吳冰冰介紹，目前主流的有兩種技術(shù)方案和應(yīng)用場景。一是基于VCSEL的多模方案，30m及以下距離，主要面向超算及AI集群的短距光互聯(lián)；二是基于硅光集成的單模方案，2公里及以下距離，主要面向大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光互聯(lián)。

不過，吳冰冰指出，伴隨著VCSEL的調(diào)制速率的提升，芯片可靠性下降，在56GBaud速率，還沒有穩(wěn)定可靠的大規(guī)模集成VCSEL陣列，因此基于VCSEL陣列方案的多路并行光互連的研究大幅減少。而硅光集成方案具有無需氣密封裝、高帶寬、易集成等優(yōu)勢，預(yù)計基于硅光集成的CPO將成為CPO主要技術(shù)方案。

目前包括CPO JDF、OIF、COBO、IPEC、CW-WDM MSA等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)組織都在開展對共封裝光學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化研究。

“關(guān)于何時在產(chǎn)業(yè)中開始應(yīng)用光電合封技術(shù)，業(yè)界尚未給出明確的答案。”吳冰冰指出，在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，3.2T CPO光引擎才是光電合封技術(shù)的突破口，速率提升至單波長200G時，使用光電合封技術(shù)才有明顯的意義。

當(dāng)然，CPO還有許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題需進(jìn)行突破，例如如何選擇光引擎的調(diào)制方案、如何進(jìn)行架構(gòu)光引擎內(nèi)部器件間的封裝以及如何實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)可行的高耦合效率光源耦合。吳冰冰表示，光電合封技術(shù)的未來發(fā)展涉及光源設(shè)計、封裝形式、以及連接方式等多方面的技術(shù)進(jìn)行輔助，業(yè)界各方、多平臺應(yīng)加大合作，推動共性技術(shù)協(xié)同，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康良性發(fā)展。

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