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硅光子技术在下一代通信网络中的应用

硅光子技术在下一代通信网络中的应用. 陈波 网路研究部. 上篇 前途光明. IT 业的发展趋势 ---- 视频通信. 视频通信 通信需求已从单纯的语音、互联网数据向以视频为主的应用发展：视频点播/IPTV、可视电话、远程教育、远程培训、视频会议/会展、远程医疗、视频游戏、视频聊天等，并以高清、超高清、3D等为未来发展趋势. Application of Silicon Photonics in Next Generation Network.

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硅光子技术在下一代通信网络中的应用

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  1. 硅光子技术在下一代通信网络中的应用 陈波 网路研究部

  2. 上篇 前途光明

  3. IT 业的发展趋势----视频通信 • 视频通信 • 通信需求已从单纯的语音、互联网数据向以视频为主的应用发展：视频点播/IPTV、可视电话、远程教育、远程培训、视频会议/会展、远程医疗、视频游戏、视频聊天等，并以高清、超高清、3D等为未来发展趋势 Application of Silicon Photonics in Next Generation Network • 视频通信所带来的是巨大的通信容量需求：普通高清-2 mb/s， 超高清3D-40mb/s以上；Youtube 每天视频观看量在2011年已达30亿次。在线看高清影视已成人们的生活习惯。视频数据的上传下载及传输对通信系统产生了巨大的压力。

  4. IT 业的发展趋势----云计算 • 云计算 • 将存储与计算服务放到云上，而企业与个人通过高速互联网与云（存储云、计算云、私有云、共有云）相连。 Application of Silicon Photonics in Next Generation Network • 云计算的“端” 、“管”、“云” 是云计算的三个要素，其中的“管”要求高速和持续的互联网通信，使终端设备高速实时地与云服务连接。 • 云计算也带动了数据中心的发展，数据中心规模不断扩大。分析和实践表明，数据中心内部的数据交换流量激增。数据中心内部需要一个大容量和高速的互联网络。 Google 数据中心（外部） Apple 数据中心（内部）

  5. IT 业的发展趋势----物联网 • 物联网 • 以有线和无线为接入手段，将机器、物品和人通过高速互联网络连接，满足生产过程监控、家居/生活监控、指挥调度、远程数据采集与测量、远程诊断等信息化需求 • 应用领域：实时交通智能控制、个人健康管理、农业生产溯源、数字家庭、安全监控、电力管理等 • 2011年，内嵌芯片、传感器、无线射频的“智能物件”已超过1万亿个 • 物联网将产生海量的数据通信需求

  6. IT 业的发展趋势----大数据 • 大数据（Big Data） • 大数据的定义：以互联网、云计算、物联网为基础，进行海量的数据收集、传输，进行深度的数据分析和挖掘，获得人类社会活动的精准信息，以指导国家管理，企业生产、营销，个人生活等活动。 • 互联网用户的每一次点击、每一次留言都透露了用户的意愿。 对海量的视频、图片、文本、短消息深入分析和挖掘，将提供用户对商品及内容服务的取向信息。YouTube、twitter、FaceBook、微博等社交网站的出现，标志着互联网社会化，对社会关系的信息分析和挖掘将提供给社会学研究第一手资料。 • 大数据需要大型数据中心实现实时的海量数据交换和处理，而对通信影响最大的莫过于光互联。

  7. 光通信的发展趋势---指数型的数据通信增长需求光通信的发展趋势---指数型的数据通信增长需求 数据来源：IEEE 802.3 Industry Connections Bandwidth Assessment， July 2012

  8. 光通信的发展趋势---指数型的数据通信增长需求光通信的发展趋势---指数型的数据通信增长需求 • 2012年七月，IEEE 802.3 工作组完成针对工业界对数据通信互联需求的调查报告《Industry Connections Ethernet Bandwidth Assessment》，明确表明需求呈指数型的增长形态。 • 工业界对数据通信和互联需求的领域包括互联网、金融、教育与科技等领域，金融业对数据通信和互联的需求增长最大，年复合增长率（CAGR）为95%。而最大容量的互联网通信（IP）虽然CAGR相对较低，但也在32%以上。平均下来，数据通信互联的需求每两年翻一番。

  9. 速率持续提升 Ethernet： 进入100G时代，4x25G 长途传送： DPQPSK调制的100G相干已开始规模商用 Source: Ethernet Alliance

  10. 市场调查公司Infonetics在2012年4月发布的报告显示，到2016年全球光模块市场将达到33亿美金，其中40G和100G增长强劲。市场调查公司Infonetics在2012年4月发布的报告显示，到2016年全球光模块市场将达到33亿美金，其中40G和100G增长强劲。 • 40G和100G产品将是集成光收发模块发挥优势的领域。 Application of Silicon Photonics in Next Generation Network 数据来源：Infonetics市场调查报告：“10G/40G/100G Optical Transceivers Market Size and Forecast”

  11. 更强！ －更强大的功能（system on chip） 光电器件技术发展主题 更高！ －更高的速率（100G 、400G）， 更高的密度… 更快！ －更快的响应速度：快速（纳秒级）可调激光器、光开关、波长路由、可调滤波、可重构）

  12. 还要更便宜！ 价格秤

  13. 成本的持续降低 •IO 光学器件(光收发模块）占设备比重普遍在50%以上 •越是大量使用的光器件，对低成本的要求越高. •传统光学的材料和组装成本很难进一步降低，特别是多波长系统（WDM）

  14. 更要绿色！ －更低的功耗 光电器件技术发展主题

  15. 持续的功耗降低 Source: Oracle, OIDA 2011 上图列出未来IO所需功耗要求

  16. 光通信的发展趋势---光电子集成技术是必由之路光通信的发展趋势---光电子集成技术是必由之路 • 数据通信与互联的容量呈指数增长，光技术则以增加波长，增加光纤数量，以及提高单波长速率的方式应对。而提高单波长速率的努力在25G以上将愈加困难。在单个模块中增加光纤数量，以及在单根光纤中复用更多波长是必然趋势。如果光模块的技术基础不发生革命性的变革，产业界将面对指数上升的成本，尺寸和功耗，这是产业界不能接受的。 • 虽然现有基于自由空间光学的技术平台能勉强应对现阶段模块形态的需求，但对未来两年后的模块形态已不能支持，更无法支持更高速率和密度的光互连需求。 • 光子集成技术以更小的体积、更小的成本、更低的功耗将领导下一代光模块的技术变革

  17. 光通信的发展趋势---光电子集成技术是必由之路光通信的发展趋势---光电子集成技术是必由之路 光子集成技术 以平面波导为基本平台，将各多种光子器件功能在一个平面光子回路或微小器件中， 实现： ---小尺寸 在一个类似于集成电路的光芯片（mm）上实现几十个至上百个分立光器件的功能 ---低成本 采用大规模集成电路的工艺批量生产，省去了传统工艺的对准等装配工艺 ---低功耗 器件微小，所需要的控制功耗也大幅度降低

  18. 光通信的发展趋势---光收发模块为例 • 10G以下，收发只使用单个波长，光收发模块的关键光学部件TOSA 和ROSA相对简单，采用传统的分立光学部件可满足要求 单波长TOSA和ROSA • 40G以上，收发模块使用多个波长，40G/100G使用4个波长，400G使用8个或16个波长。在4个波长以上，传统的分立光学解决方案将变得十分复杂，光学对准存在极大挑战。分立光学方案可以实现QSFP和CFP的封装形态，但不能满足未来更小模块（CFP2，CFP4，QSFP28）的尺寸需求。 只有光子集成技术才能满足未来高速率光收发模块的需要

  19. 速率提升 400G • 在速率提升的同时，模块形态不断小型化 CFP CFP4 CFP2 100G QSFP28 QSFP+ 40G SFP+ XFP 10G • 40G是一个分水岭，多波长在此引入 SFP SFF 2.5G 封装形态小型化 光通信的发展趋势---光收发模块趋势 更高的速率、高小的尺寸，以及更低的成本与功耗是永恒的需求

  20. OpticalIO 越来越靠近电处理芯片 • 随着速率的提升，电连接的损耗和窜扰变得不可接受 Insertion Loss, Return Loss, and Crosstalk for PCI Express Server Channel(after 1m transmission) • Avago 推出了基于850nm VCSELs 阵列的并行光收发模块---MicroPOD optical transmitter • （ 12-lanes，12 optical fibers， 12.5Gbps for a bandwidth of 150Gbps. • OFC 2012, Altera推出optical FPGA

  21. 光电集成技术：通信领域光电器件最重要的发展方向光电集成技术：通信领域光电器件最重要的发展方向 光电一体集成 随着集成度的提高，持续降低通信系统成本和功耗，大幅度提高容量和密度 • 硅光子及III-V平面波导及器件 • 单一芯片集成有源与无源器件 • 流水线生产 • 硅光子芯片与电学芯片一体化 • 片间及片上光互联/光交换系统 • 统一于大规模集成电路工艺 单片集成 • 平面波导为载体 • 有源与无源器件 独立 • 半自动封装 混合集成 • 分立器件 • 空间光学 • 手工装配 分立器件 2011 2008 2015 2020

  22. 网络对光模块的需求特点 长途传送： ---性能优先：1000Km， advanced modulation formation(DP-QPSK, 16QAM , supper channle) --- 可靠性优先: >20年可靠运行 城域 --- 价格与性能折中：10G， 40G ---长途技术向城域的拓展：城域相干，低成本RODAM ---IP路由器对于容量（密度）的贪婪无止境 接入： --- 成本优先 ---性能也不是很容易（20km传输）

  23. 长途传输 • 100G 相干已成主流趋势，400G 和 1T 将采用高阶调制技术和多载波技术， 如400G采用两载波 DP-16QAM, 而1T有可能采用多载波的Nyquist WDM或OFDM。由于采用相干技术以及DSP数字处理技术，色散补偿的主要功能移到DSP上，相应的光学补偿元件弱化，对光器件的需求集中到transponder上。组成tansponder的主要光电器件发展趋势如下： • 激光器：线宽方面，300-500KHZ 已能满足100G相干系统需要， 而更高阶QAM调制需要更窄的线宽，对400G应用，可能在100KHZ以下；而400G和1T需要的多载波，需要集成的多载波激光源。现在较为成功的100G可调光源采用了Free Space的外腔结构，在集成度上存在限制，未来有可能采用基于无源波导的外腔结构，即满足线宽的需要，又能提高集成度。因此，平面波导集成的窄线宽多波长可调激光器是这一领域的重点研究和发展方向。 • 调制器：100G采用DP-QPSK， 400G采用DP-16QAM调制，1T 采用多载波的高阶调制，简单的趋势就是调制器复杂度加大，集成度要求增高，而传统的铌酸锂体积大，成本高，已难以满足要求。 • 外差相干接受机：需要处理多个载波的两个偏振，传统的Free Space已难实现，基于silica 的PLC已成为100G相干应用ICR的主流平台，未来向更高集成度的InP和硅光平台发展。 Application of Silicon Photonics in Next Generation Network

  24. 长途传送关键光器件 窄线宽可调剂光器、DP-QPSK调制器和集成相干接受机是现在100G相干传送设备的主要光器件， 未来硅光子在这三个方面都有潜在的应用 相干接受机 DP-QPSK调制器 集成可调激光器

  25. 数据通信 • IP对光器件的主要诉求是更高的传输速率和更高的密度。而IEEE 802.3ba所定义的40G和100G标准在长距离下（10km）都使用了WDM技术, 40G采用CWDM，100G采用LAN WDM。未来的400G/1T传输将使用更多的波长。目前基于Free space optics的光学组件勉强满足100G CFP2封装的需求，对于更小的封装如CFP4，QSFP28等将无能为力。以硅光为代表的集成技术将发挥重要作用。 Application of Silicon Photonics in Next Generation Network • 企业网 • 数据中心，校园网，园区网是企业网的主要范畴，而数据中心对光器件特别是光互联器件的需求占据主导地位。VCSEL+多模光纤的应用模式主导了较小规模的数据中心应用，随着规模的扩大，数据中心内互连距离也逐渐扩展到几百米到1公里，乃至2公里，需要更长距离的光模块。另外，即使在同一个数据中心，多种速率的互连需求同时存在，其比例关系与收敛比有关。未来5年内，10G，40G，100G模块会同时存在需求。而基于多波长的低成本WDM技术，如40G Base-LR4, 100G Base-LR4在大于150m的距离上引入。

  26. 数据中心是一个快速发展的市场 现状？---不久前 需要更高的速率和密度

  27. 数据中心光互联需求现状和趋势 • 距离短 • 300m—500m • 多模Vscel 并行模块为主 • 速率演进： • 1G---10G----25G • 有源光缆（AOC）大量应用 • （Lutera的硅光技术首先应用于AOC） • 未来： • ---多模25GVcsel只能传100m以下，需要新的解决方案 • ---海量的连接，减少光纤数量。 • ---海量的收发模块：低成本 • ----新的数据交换方式：光交换?

  28. 密 度 路由器对密度的进入贪婪的需求： 更小的光模块： CFP—CFP2—CFP4， QSFP+ 高密度连接器：12-24-48路MPOconnector

  29. 接 入 • 目前的GPON和EPON已开始大规模商用，10G PON/EPON 也开始部署。 • 40G TWDM-PON • 华为公司也宣布了下一代的40GPON样机（波长堆叠），正在积极推行标准。40G GPON/EPON将使用波长堆叠，在OLT侧将使用4个波长的收发模块，ONU侧需要可调激光光源和可调滤波器，传统的可调激光器技术和可调滤波器技术很难满足成本的需求。 • WDM PON • WDM PON的关键在无色ONU。除了在架构上实现ONU无色外（如采用注入锁定等技术），低成本的可调光源也将大大促进WDM PON的发展。 而在局端，WDM PON需要针对每个用户提供一个波长，高密度的多波长收发模块也有很大的应用空间，这些关键器件都依赖于硅光等集成器件技术的发展。 光通信用光子集成收发模块

  30. 40G TWDM-PON Application of Silicon Photonics in Next Generation Network

  31. 硅光子应用的潜在市场

  32. Distance Unit 100M 10M 100M 10k 100k 1M 随着速率的提升，光互联将在更短的距离上取代传统的铜线，并逐渐进入消费电子领域，市场规模也呈现指数型放大 未来产品 发展空间 SiP 产品初始切入点

  33. 速率、传输媒介和距离

  34. Application of Silicon Photonics in Next Generation Network Silicon Photonics

  35. 硅光子技术的玩家

  36. 硅光子技术的现状---美国 • 美国Intel、IBM、HP等公司，在硅光子集成技术方面已进行了多年的探索和研究 ---Intel 于2010年7月发布基于硅光子的 4x12.5G光收发模块原型 ---IBM、HP 致力于将光子集成技术应用高性能计算机互联，并给出了清晰的路标 Intel 硅光子4x12.5G 光模块 2015 2013 现在 2020 • 硅光子start-up公司Luxtera、Kotura已有产品推出 ---Luxtera推出并行光纤连接的4x10G有源光缆模块 ---Kotura推出基于硅光子的VOA array及4x25G光集成芯片 • Cisco 收购硅光公司lightwire, 瞄准下一代网络所需的突破性技术平台 • Washingtong 大学牵头成立Opsis，以提供研究机构和公司开展硅光子研究的MPW服务

  37. ePIXfab JePPix 集成光电子技术的现状---欧洲 • 欧盟对光子集成技术极为重视，联合了大学、研究机构及企业，在 FP7 (2007–2013)计划中对关键光子技术进行了重点研究， 总投资 €2.10 亿，其中 €1.0亿与光通信的光子集成技术有关，资助了29个研发项目。 • 欧盟资助的Helios poject专注于硅光子集成，从2008年开始，到2012年结束。项目总资金为1200万欧元。 • IMEC与Gent 大学在硅光子方面具有卓有成效的工作，并成立了Spin off公司 Caliopa以进行产业化 • 欧盟牵头，成立ePIXfab，提供产业界使用CMOS Fab以进行基于硅光子技术的产品开发 • 欧盟牵头还成立了JePPIX，提供产业界使用公司和研究所的InP平台以进行InP的光子集成产品开发

  38. 下篇 道路曲折

  39. 市场容量 The Silicon Photonics market is still modest with estimated 2011 sales at $65M, growing to $215M in 2017 (These estimates include all applications such as sales to government and military projects, metrology, medical, sensors, and chips and finished AOCs and transceivers based on silicon photonics technologies.) –We estimate the chip market value to be US$10M in 2011, growing to between $72M - $90M in 2017 ($90M being the optimistic side) It is today a low volume market in terms of dies and wafers. We estimate that ~500,000 chips over 5 years have been shipped, that represents a few thousand 200mm wafers (about 20k 8‟‟ eq.) in 2017. FromYoleSiliconPhotonicsreport

  40. 竞争技术---InP • InP 集成光芯片 作为III-V材料的InP平台是目前唯一可实现有源与无源全集成的芯片平台技术，下图罗列了InP平台在实验室所实现的光电功能

  41. 竞争技术--- Silica PLC • 二氧化硅平面波导（Silica PLC） 目前在AWG、VMUX、splitter， 集成相干技术机等器件中发挥了重要作用 PLC 平面波导结构 PLC AWG 芯片 PLC 集成相干芯片 PLC 功分器芯片

  42. 竞争技术-Vcsel VCSEL （垂直腔面发射激光器）结构与原理 原理 • 两个高反射率的分布布喇格反射镜（p-doped DBR & n-doped DBR ）形成谐振腔，有效腔长一般为11.5λ。 • 增益介质为有源层，相对较薄（几个nm到几十个nm）一般为量子阱结构，激光在此层获得增益。 • 激光在两个反射镜间来回反射，形成驻波。在有源层为驻波峰。

  43. 竞争技术-Vcsel • VCSEL 的优势 波长稳定: 波长由FP腔的有效光程决定，并工作在单纵模条件下。相比之下，Edge-Emitter Laser的波长由增益曲线的峰值决定，由于腔长长，一般在多纵模下工作（FP laser），需要通过特定的选模机制实现单纵模工作，如DFB激光器通过光栅选模，跳模的防止是一个难题。 波长随温度变化小：VCSEL输出波长随环境温度的变化是Edge-Emitter Laser的1/5。VCSEL－0.07nm/°C, FP-Laser－0.35nm/°C. 可靠性高：VCSEL是大面积光输出，输出面上的平均光功率比Edge-Emitter Laser要低得多，工作电流也低，不存在COD（catastrophic optical damage ）, 典型850nmVCSEL的FIT<10。 密度高：VCSEL可得到1D,2D阵列，容易实现>1T/mm^2的数据互联密度。 • VCSEL 的局限 • 输出功率相对较低: 由于VCSEL有源区的厚度相对Edge-Emitter Laser小得多，假使考虑到大面积特性，单个激光器输出光功率在12mw。不能满足长距离传输的功率要求（>10mw）。 • 多横模：虽然VCSEL很容易做到单纵模，但一般为多横模，存在模间色散，不适合长距传输。 • 多波长性差：VCSEL的波长是由谐振腔厚度决定，通常通过外延生长在一个wafe上一次完成，较难在一个wafer上同时做出多个波长，不适合集成的WDM光发射系统（如CWDM， LAN WDM）。 • 长波长性可获得性差：VCSEL的传统波长是850nm, 长波长1310nm, 1550nm正在开发中。 • 窄线宽可获得性差：腔长决定了线宽，VCSEL的腔长为1－3微米，很难获得相干系统所需要的500K线宽需求。 • 更高速速率有待证明：〉25G？ 鉴于以上VCSEL的优势和局限， VCSEL非常适合与多模光纤配合应用于低成本的高密度短距互联

  44. 竞争技术-其它 我很丑，但我的价格很温柔： 我有混血优势： 硅光价格优势与量的关系

  45. 挑 战 • 硅光子应用尚面临的技术挑战: • 光源问题 • 耦合问题 • 热敏感性问题 • 偏振相关问题 • 调制器效率问题

  46. 关键技术突破

  47. 光 源 现在以SOI波导与III-V混合集成为主流；未来GeSi激光器为重点突破口 Flip-chip Hybrid laser (Kotura…) III-Von SOIwaferbonding (UCSB, Aurrion ) GeSi Laser (MIT, in development)

  48. 耦 合 没有一个完美的普适解决方案，可根据应用需求选择如右图所示的三个主流方案 • Polymer ＋inversed taper: • Pros:0.5dB coupling loss • Cons: Need polymer process • Grating coupler: • Pros: completelyCMOScompatible，Easy for making, on chip testing • Cons: 3dB coupling loss, polarization and wavelength sensitive • 3Dtaper: • Pros: 0.5dB coupling loss • Cons: non standard CMOS process

  49. 调制器 调制器是硅光公司重点布局的单元技术，下面给出了Kotura，lightwire和Lutera的技术对比 Kotura: Ge on Si EA modulator using Franz-Keldysh effect Advantage: Large mode field, easy fiber coupling , low power consumption,small size(50um in length) Limitation: absorption type; c-band only now, not easy for 1310 Lightwire(Cisco): Capacitor based sturcture(SISCap), using plasma dispersion effect of silicon Advantage: Large mode field overlap with carrier density lead to low V•L; Phase modulation capable; Low power consumption Limitation: Fabrication relatively complex Luxtera: PIN/PN modulator using plasma dispersion effect of Silicon Advantage: Standard CMOS process, Phase modulation capable Limitation: Relative long MZM (2mm) ; A little bit higher power consumption

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