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北大教授王興軍:硅光市場將迎迅猛發展,更高集成度是重點

摘要:硅基光電子技術是利用硅或與硅工藝兼容的其他材料,開發以光子、電子為載體的微納量級信息功能器件,并將它們在同一硅襯底上大規模集成,形成一個完整的具有綜合功能的新型芯片單元。

  ICC訊 “科創V計劃——燕緣科創大講堂”由北京大學校友會指導,北京創業投資協會與北大校友“燕緣雄芯”平臺、北京大學科技創新校友會聯合主辦,將每周一個小時線上深度分享,聚焦科創話題,傳遞科創星火。

  10月23日,“燕緣科創”第26期邀請了北京大學教授、博士生導師、電子學系副主任王興軍,分享了《硅基光電子集成芯片 — 光電融合的核心技術》。

  王興軍,北京大學教授,博士生導師,電子學系副主任,區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室副主任,信息與通信研究所副所長。

  以下是直播分享內容概要:

  硅基光電子技術是利用硅或與硅工藝兼容的其他材料,開發以光子、電子為載體的微納量級信息功能器件,并將它們在同一硅襯底上大規模集成,形成一個完整的具有綜合功能的新型芯片單元。

  硅基光電子技術是實現“光電融合”的最佳方法,早在上個世紀60年代就提出,但受限于硅自身發光效率低、無法做成光源的致命缺點,一直沒有進展。80年代,美國Soref 教授提出了硅基光電子集成概念,2004年 Intel報道了1Gb/s速率的硅基調制器,2003年后,逐步的研究中發現探測器可以用鍺來做,硅基激光源方面用三五族材料來做部分解決了硅本質問題,逐步做到了部分集成。

  2016年,Intel最早做出100G硅光收發器投以商用,之后很多產品以及公司相繼出現?,F在可以做到400G,未來可能做到1T或者更高。目前主要在數據中心和通訊應用,未來在傳感、計算等領域還會有更多的應用。

  硅基光電子學市場應用前景廣闊,預估2019年市場有4億多美金,2025年有40~50億美金,年增長率約40%。主要應用領域為數據中心光模塊、長距光傳輸模塊、光互連、5G光模塊、無人駕駛LiDAR、免疫測試、光纖陀螺等。

  目前,硅基光電子集成技術產業鏈已經相對成熟完整,仿真軟件、設計公司、驅動電路、研發線、封測、光器件光模塊、設備商、運營商等領域都有相應的一系列公司出現。硅光遵循微電子的腳步發展,產業鏈逐漸分化,無晶圓廠的產業基礎已經形成。相比較,硅光產業成長速度比微電子快2倍,當前專注于硅光IP開發和模塊生產、封測的公司已經陸續成立,20年后,硅光產業的成熟度將接近微電子。

  目前,硅基光電子主要應用領域有:

  1. 數據中心方面應用

  我國在部署七大新基建,包括5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網等直接投資將達10萬億元左右,帶動投資累積或超17萬億元。

  其中,5G基建和大數據中心投入很大,與硅光有密切聯系。大數據中心主要由交換機、服務器以及用于硬件互連的光電子芯片、光模塊組成。處理器之間,交換機之間,都要用到光連接,光連接的速度會越來越快。5G應用方面,光電子芯片、光模塊是實現5G高速、低延時通信的核心技術,也是5G低成本、廣覆蓋的關鍵。

  Alibaba Network & Optics Roadmap

  從阿里的roadmap可以看到帶寬從2013年的40G到2019年實現400G,平均每兩年翻一番,2023年預計達到1.6T,但新的標準還沒有制定下來,還有很多研究價值和空間。

  數據中心方面還有一些比較偏學術的研究方向需要解決,主要包括:電泵CMOS兼容硅基光源問題、Tb/s速率、功耗問題、高速多通道光子集成陣列問題、電光單片集成問題、波導損耗和放大問題、共封裝技術等。

  2. 5G通信方面應用

  繼數據中心之后的下一個有希望部署硅基收發機的場景為5G前傳模塊。Intel的100Gbps已經初步應用到5G前傳中驗證。歐盟地平線2020項目“Teraboard”,針對5G基站之間處理單元,芯片間的高速互聯提出了Tbit高速互聯集成光電架構。目標實現ASIC處理器芯片間Tbit級高速互聯。該架構采用3D TSV封裝方式實現光電芯片融合,芯片間互聯通路采用PLC多層波導結構。

  3. 光通信方面應用

  目前光通信方面的應用發展方向是超高傳輸速率的瓶頸突破、長距離傳輸方案的比較(直接檢測/相干檢測)與新型材料的硅基光通信系統探索。

  北大張帆老師團隊基于單個硅基調制器,可以實現200Gb/s甚至更高的但波長傳輸速率。

  高速率硅基IQ調制器(single lane 200Gb/s (80Gbaud) PAM-6 and 176Gb/s (88Gbaud) PAM-4)

  硅光子芯片在100G,400G及以上的高速短距光通信場景中優勢明顯。2020年初,Acacia宣布出樣包括400ZR, OPENZR+和Open ROADM MSA的多種400G 可插拔硅光相干模塊,并稱將繼續擴大相干技術在更短距離中的應用。

  當前的相干產品主要是100G速率,在光源端采用外部光源加放大器的形式,但是CFP和CFP2這兩種封裝體積過大,并且功耗問題也很嚴重。硅光方案的優勢主要體現在相干調制以及合分波器件的高度集成化,加上完善的溫控設計,可以大幅解決相干產品的缺陷。硅光子集成芯片的規模商用有望使得相干技術降低成本,進而下沉到核心與匯聚層。

  中山大學蔡新倫教授和華南師范大學劉柳教授團隊做的新型大帶寬、高速片上LN調制器(SiP+LN),獲得70GHz帶寬,實現超過100Gb/s速率傳輸。

  北京大學和UCSB合作基于AlGaAsOI實現新型低功耗、高效率的片上光頻梳。在非常小的閾值下實現光梳20μW。

  4. 人工智能方面應用

  深度學習硬件方面遇到很多問題,運算量越來越大,反復運算,能耗速率都會受到制約。光的功耗低,速度快,理論上可以解決深度學習中電的功耗和速率瓶頸。2017年,MIT提出了一種全新的光學神經網絡架構,這種架構在理論上,相比于傳統的電子設備,可以大大提升計算的速度和功耗。他們將這種光子神經網絡應用于一套可編程的納米光子處理器中,利用光子芯片的全光矩陣乘法實現了這種神經網絡架構。

  這種設計的芯片用于語音識別,經過深度學習后,通過對可編程硅光電子芯片的訓練,實現了76.7%的語音識別率,實驗中識別的準確率可以媲美當前在計算機中利用神經網絡算法得到的結果,同時能量消耗和速度性能優于當前的微電子系統。

  2019年,英國牛津大學基于氮化硅微環結構和相變材料,利用波分復用結構實現了全光類腦神經網絡,具備監督學習和無監督學習能力。通過對神經網絡進行訓練,實現了對15個像素點圖片的識別。

  5. 其他方面應用

  激光雷達也是硅光有很大發展的方向,光學相控陣方案具有慣性(精度高、可控性好)、寬視角掃描、便于小型化等特點。加利福尼亞大學的Ben Yoo課題組通過 3D集成方案,將發射機中的相控陣及電控模塊集成在里一起;MIT的Watts組也報道了基于相干方案的集成相控陣報道;今年,三星電子在CLEO上報道了他們的集成相控陣樣片,其中還將片上放大器也集成了上去,能夠實現 40m的探測距離。

  光學相控陣方案的激光雷達當前系統層集成主要集中在相控陣及電控模塊本身,距離實用還需要在一些關鍵器件上取得突破。

  除了激光雷達應用,集成光學陀螺儀也是重要的應用 之一。2018年,caltech就報道了目前世界上尺寸最小的光學陀螺儀芯片,它的尺寸是傳統MEMS陀螺儀的500分之一,同時可檢測的薩格納克相移也是原來的30分之一。

  在光傳感方面,依托成熟的 CMOS工藝,今年許多課題組也報道了許多相關工作,例如溶液氣體成分的檢測、生物檢測、量子自旋態檢測等。

  我是在北京大學電子學系區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室,北京大學納光電子前沿科學中心,我們團隊大概有30人,主要研究以光子和電子為信息載體的大規模集成芯片和信息系統,實現在各種尺度上的感知、互連和處理,研究內容包括高速硅基光收發芯片和系統,微波光電子芯片與系統,硅基片上光放大器與激光器,硅基傳感/二維材料/非線性等新型器件。

  我們已經掌握了幾十種硅基光電子單元器件/芯片,以及和光子芯片相配套的微電子芯片的設計、流片和測試的經驗。

  從最近兩年的OFC和IEDM會議、以及高影響論文情況來看, 國際上硅基光電子發展的趨勢是依托于硅基CMOS平臺, 大規模的集成化。我國最近幾年在微電子和光電子方面加大投入,需要這兩個領域真正的協同攻關。硅光的市場將在未來幾年迅猛發展,更高的集成度將成為未來十年硅光在數據中心的重點,另外新的應用(傳感,量子計算通信,醫療)將不斷涌現,成為新的增長點。

  Q&A

  問:英特爾是目前最早商用的么?不知能做到的大規模商用最高速率是多少?聽說良率仍然在一半以下?

  答:一些小公司在Intel之前有一些,但是大規模能夠提供商用產品的還是Intel,速率是100Gb/s,目前相干最高可以做到400Gb/s。良率確實是個問題,是不是一半以下沒有準確的數據,這涉及到波長對準,不同器件工藝、封裝等問題,都會有影響。

 問:王老師,您對海信和光迅做的硅光芯片評價如何?

  答:做的挺好的,光模塊廠商認為400G是個拐點,未來速度越來越高,硅光的優勢才能得以體現,但是也不能說硅光可以完全替代三五族材料,現在國內的問題是,基本上還是依靠國外工藝平臺,目前國內也有幾個工藝平臺在建,希望能解決這個問題。

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