光集成是高速光通信器件發(fā)展的必由之路

　　1 前言

　　隨著互聯(lián)網的持續(xù)快速發(fā)展，各種新業(yè)務層出不窮，特別是IPTV、無線視頻等業(yè)務的飛速發(fā)展導致網絡容量迅速增長。NEC預計到2015年，每個家庭用戶的需求將超過200Mb/s。為了應對流量爆炸式增長帶來的巨大壓力，光纖接入由于高的傳輸速率已逐漸成為寬帶接入網市場的主流技術和發(fā)展趨勢。但在寬帶光纖接入方面，我們國家的網絡建設水平、寬帶網絡普及率與發(fā)達國家相比存在較大差距。日本2010年光纖到戶數已達到2000萬，普及率約30%，韓國光纖接入的普及率為近60%，而我國同期的數據不到5%。這將嚴重影響我國“寬帶中國”戰(zhàn)略的有效實施。人們對更高速光網絡的渴望，推動著整個光通信行業(yè)的蓬勃發(fā)展，也強有力的推動著包括光電器件技術在內的諸多核心技術的自主研發(fā)和創(chuàng)新突破。

　　與此同時，光通信市場競爭越來越激烈，在國內外先進設備制造商的競爭中，通信設備要求的體積越來越小，接口板包含的接口密度越來越高。傳統(tǒng)的激光器和探測器分離的光模塊，已經很難適應現代通信設備的要求。為了適應通信設備對光器件的要求，40Gb/s、100 Gb/s光模塊正向高度集成的小封裝發(fā)展。高度集成的光電模塊使用戶無須處理高速模擬光電信號，縮短研發(fā)和生產周期，減少元器件采購種類，減少生產成本，因此也越來越受到設備制造商的青睞。從LFF封裝的300PIN到SFF 300PIN封裝，今后可能會到可熱插拔CFP、CFP2、QSFP+等封裝形式。

　　隨著模塊的封裝尺寸越來越小，性能要求越來越高，以往用分立器件能實現的功能，現在必需要用集成的器件來完成。再者，集成光電器件如果能實現批量化生產，能降低設備和整個光網絡在單通道的成本和功耗，推動“綠色”的實現。最后，光電集成技術的進步將深刻改變國內光電行業(yè)的發(fā)展路徑，改變過去依靠人工成本和價格戰(zhàn)的老路，推動光電產業(yè)升級、提高企業(yè)的核心競爭力。

　　國內器件商在積極同國外先進器件供應商在集成化器件上競爭的同時，也在積極的謀求互相合作，包括有源和無源器件供應商間的合作，激光器、探測器和集成電路芯片供應商間的合作等等，這必將帶動整個產業(yè)鏈的良性循環(huán)與發(fā)展。所以，光集成是光器件發(fā)展的必由之路。

　　近些年來，光電器件的專業(yè)化程度在不斷深化，正對不同的應用場景，光電器件供應商也需從成本敏感度、成品率等方面進行產品的領域劃分。目前，光器件的應用可大致分為傳輸網、數據中心網和接入網三個主要的領域，傳輸網和數據中心網中的器件集成化尤其獲得人們的關注。雖然應用場景和內在的器件技術有所不同，但是光集成都顯現出蓬勃的生命力和廣闊的發(fā)展前景。

　　2 光傳輸網中的光集成

　　光傳輸網主要應用于城市內主要光節(jié)點、城市間甚至更長距離的光通信。光傳輸網中的核心光器件也可分為線路側和客戶側兩類。相對而言，這些器件的特點是對成本不太敏感、需要性能穩(wěn)定、單通道速率高、功耗小等。

　　以100G 光傳輸網為例，100G高速光通信技術將是未來數年光通信領域的熱點之一，其市場規(guī)模呈現出逐年遞增的態(tài)勢。國際標準化組織IEEE、ITU-T和OIF等關于100GbE、OTU4等相關規(guī)范計劃已于2010年6月制定完成，目前業(yè)界普遍認為，2012~2013年將是100G系統(tǒng)逐步規(guī)模部署的時期，與此相關的新產品需求也將迎來一個快速的增長期[1]。在中國，2012年是100G網絡技術的測試年，中國電信在年初啟動100G測試，中國移動又在年中展開100G現網測試，烽火、上海貝爾、華為、中興等廠家均參與了兩項測試，這意味著中國100G商用已經提上運營商網絡規(guī)劃日程。

　　2.1 100Gb/s線路側的集成DP-QPSK光發(fā)射機器件

　　100Gb/s DP-QPSK發(fā)射機原理圖如圖1所示，其中發(fā)射機由兩個平行的50G QPSK調制器組成，實現50G的IQ信號分別調制到兩個偏振正交的光載波上，再通過偏振復用器把X軸和Y軸光信號實現正交極化(偏振)復用。光信號每個正交偏振光載波上的信號實際為25Gbaud QPSK信號，其信號帶寬只有25G，因此可以利用25G光電子器件實現。

　　傳統(tǒng)的100G 線路側光模塊中的光調制器、偏振合束和分束器均是分立元件，在模塊中采用盤纖的方式將各個分立器件連接起來，因此整個模塊的體積較大且難以縮小。NTT公司的研究小組采用混合集成的方式將基于鈮酸鋰(LiBbO3)的調制器和基于硅上二氧化硅波導的偏振分束、合束器集成在一個芯片上[2]。LiBbO3材料具有較大的電光系數，是調制器的理想材料。硅上二氧化硅波導工藝較成熟，波導的偏振控制相對簡單。通過調整波導折射率差，二氧化硅波導即可實現同LiBbO3調制器一樣的模場尺寸，通過無源對準即可實現兩者的光耦合，制作工藝不僅簡單，而且充分利用了兩種材料的特性制作出性能優(yōu)異的集成芯片和器件。利用該技術可以將相干調制格式提高到更高階的16QAM、64QAM等，而不需要大的工藝改動。

圖1 100Gb/s DP-QPSK發(fā)射機原理圖

圖2 基于PLC和LiNbO3混合集成的光發(fā)射芯片

　　2.2 100Gb/s 客戶側的光發(fā)射和光接收集成器件

　　100G客戶側光模塊的標準主要由IEEE標準組織制定，其協(xié)議是IEEE802.3ba，在該協(xié)議中，基于100GBASE-LR4 標準的光模塊擁有最大的市場。

　　100G客戶側光模塊的原理框圖如圖3所示。在發(fā)射部分，輸入進模塊的10路10Gb/s差分電信號通過碼速轉換芯片的處理，輸出4路25Gb/s高速電信號，4路高速電信號輸入進混合集成TOSA，完成光電轉換和四路光信號波分復用功能;在接收部分，接收的光信號輸入進混合集成ROSA，混合集成ROSA完成波分解復用和光電信號轉換，輸出4路25Gb/s高速電信號。4路25Gb/s高速電信號經過碼速轉換芯片，輸出10路10Gb/s差分電信號?？刂平涌谕瓿赡K的功能控制和模塊參數上報。

圖3 100G 客戶側光模塊原理框圖

　　下一代100G 客戶側光收發(fā)模塊—CFP2的體積將減小到目前的三分之一，功耗將減小為當前的一半，傳統(tǒng)的分立光電器件已難以滿足這種需求，基于集成技術的4×25Gb/s光發(fā)射組件TOSA和光接收組件ROSA應運而生。NTT的研究小組利用單片集成和混合集成技術分別實現了小型化的TOSA[3]和ROSA[4]器件，如圖4和圖5所示。

　　單片集成的4×25Gb/s光發(fā)射芯片實現了激光器(LD)、電吸收調制器(EA)和背光探測器(MPD)和多模干涉耦合器MMI合波器的單片集成。該芯片基于銦磷(InP)基的多量子阱材料，由于不同元件的波導和電學結構不同，利用到了選擇區(qū)域外延(SAG)和端面耦合(Butt-couping)等多種材料生長技術。在器件結構上，采用在芯片上部架設GSG傳輸線的方式，減少了金絲打線的長度，減少電學寄生效應，實現了電學信號高速傳輸。雖然單片集成的芯片和器件具有無可比擬的小尺寸，但由于InP波導的損耗較大，加上1分4 MMI固有的6dB插損，整個器件的輸出光功率不高，與100GE-LR4的光功率要求還有一段距離。

圖4 基于單片集成技術的TOSA芯片和器件技術

　　4×25Gb/s ROSA器件采用了陣列式4路雪崩光電探測器APD和1×4 硅上二氧化硅AWG芯片混合集成的方式。InP基的APD芯片具有高帶寬、低暗電流、工作電壓較低的特點，可針對AWG輸出波導的間距，較容易制作成探測器陣列。雖然由于折射率差較小的原因，硅上二氧化硅基的AWG芯片通常尺寸較大，但由于其工藝成熟(已實現大批量生產)，所以利用其作為波長分束器，具有成本低、成品率高、光損耗小的特點。作為波長分束器，AWG芯片的理想通帶輸出光譜應為箱型，這可以通過在AWG輸出端采用寬波導也即多模波導來實現，較寬的輸出波導也利于同探測器的光耦合。由于探測器芯片的光敏面較大，在同AWG芯片耦合時1dB耦合容差可達到±5um，因此利用無源對準即可實現較高的耦合效率，見圖6所示。

圖5 基于混合集成技術的ROSA芯片和器件技術

　　如果利用混合集成技術制作光發(fā)射芯片，也即用硅上二氧化硅AWG芯片作為波長合波器同激光器芯片實現混合集成，則對光耦合的要求非常高。模擬結果表明，采用波導直接對準的方式，激光器和AWG芯片的1dB耦合容差小于±1um，為滿足批量生產要求，工藝容差應控制在±0.5um，如圖7所示。如此高精度的光耦合，可以通過高精度的倒裝焊工藝實現，但通常滿足要求的貼裝設備非常昂貴。

圖6 探測器芯片同AWG芯片的光耦合容差

圖7 激光器芯片同AWG芯片的光耦合容差

　　3 數據中心光網中的光集成

　　隨著數據通信和互聯(lián)應用等對帶寬的要求越來越大，人們越來越重視數據中心及高性能計算應用的帶寬和密度。在獲取40Gb/s帶寬性能時銅互連面臨著巨大的挑戰(zhàn)，它們的功率和尺寸要求無法有效應用于更高帶寬。因此，大家都在逐漸轉向使用可以處理更高帶寬的光互連，以便獲取更長的流程長度、消耗更少的功率、提高電磁噪聲抗擾度并提供比銅解決方案更靈活的布線管理。

　　相對于傳統(tǒng)的光傳輸網對各類協(xié)議和波長的嚴格規(guī)定，數據中心光網中對器件波長的分配和傳輸距離并沒有嚴格的規(guī)定。下一代數據中心的特征主要有：非標準、單模光纖、1km傳輸、同帶寬、低成本和低功耗。

　　針對數據中心的數據速率和傳輸距離的要求，機架內部互聯(lián)將以10G SFP+ SR模塊為主，同一排機架間互聯(lián)則包括AOC系列(40G Quadwire，100G Cwire)和可插拔系列(40G QSFP+和100G CXP)，數據中心的樓樓之間和樓層之間將全采用插拔系列(10G SFP+ LR， 40G QSFP+ LR4, 100G CFP LR4， 100G CFP DWDM)。

　　當前數據中心網用光模塊的結構類型多為40G QSFP+。從傳輸距離上看，數據中心光網中的光器件可分為短距離傳輸和長距離傳輸兩種。

　　短距離的40G-SR4 QSFP+通常采用850nm 面發(fā)射激光器VCSEL陣列芯片和探測器陣列芯片作為發(fā)射和接收芯片，通過多模帶狀光纖實現光模塊間的對傳，如圖8所示。由于VCSEL激光器的寬光譜和多模光纖較大的彎曲損耗，該光模塊的傳輸距離通常只有100m-150m。由于VCSEL和PD芯片均為面型，為實現同多模光纖的耦合，可以有光路彎折和電路彎折兩種解決方案。為避免電路彎折引入的較大電學損耗，實現單通道10G傳輸，光路彎折的方案更為理想。器件結構上，VCSEL陣列芯片通過高精度貼裝的方式，實現同聚合物反射鏡的混合集成。采用優(yōu)化反射鏡和耦合透鏡的位置和通光孔徑，可以實現VCSEL芯片和多模光纖間較高的耦合效率。

圖8 40G QSFP+光模塊和器件技術

　　長距離的40G-IR4/LR4 QSFP+器件也有較大的市場，隨著數據中心規(guī)模的不斷擴大，基于VCSEL的光模塊難以滿足300m以上的傳輸距離要求。從器件成本上看，多模光纖的成本一直居高不下，且其MPO接口相對于單模光纖的LC接口，在維護和安裝上的劣勢也較明顯。

　　在長距離QSFP+集成器件中，基于硅光子學的集成器件由于其基于CMOS工藝的低成本、大批量生產、低功耗、單片集成等優(yōu)勢，成為目前長距離數據中心光網中最有前景的解決方案。

　　伴隨著高性能硅基光電器件在各個領域的突破，硅基光電集成芯片也已經從呼之欲出發(fā)展到了可以實現商業(yè)化的水平。美國Cornell大學的Lipson小組制作了硅微環(huán)諧振腔調制器與鍺波導探測器集成的光的傳輸鏈路，該系統(tǒng)實現了3 Gbps的數據傳輸率。相較于已有的基于MZI調制器的收發(fā)模塊，最顯著的優(yōu)勢是結構緊湊和功耗低：微環(huán)半徑僅為6μm，系統(tǒng)整體長度僅250μm;總的能量損耗只有~120fJ/bit。在2008年IV族光子學會議上，美國Luxtera公司[]報道了他們的單片集成4×10Gb/s WDM光收發(fā)器[5]，如圖9所示，整個芯片是在Freescale的130nm SOI CMOS工藝線上制作而成，除了光源是通過光纖外接之外，光波導、光調制器、波分復用器、Ge探測器等都被集成到了同一芯片上。另外Intel公司也報道了一種的硅光子集成光發(fā)送模塊，該芯片中包含有8路高速調制器和波分復用/解復用器，單個芯片的總數據傳輸速率達到200 Gbps[6]。2010年，IBM公司也開發(fā)出了基于130 nm CMOS技術制備的波分復用光收發(fā)回路芯片，實現了硅基光電器件的單片集成[7]，如圖10所示。該芯片包括電學的振蕩器、放大器、驅動電路，光學的波導、耦合器、濾波器、探測器、調制器、光開關。該芯片可以實現50 路光信道，每路信道20 Gbps的光收發(fā)，即1 Tbps的光收發(fā)功能，而面積僅有5×5 mm2，其集成度提高了近10倍。硅基光電集成芯片的迅猛發(fā)展必將把硅光子學的發(fā)展推向新的高度。

圖9 Luxtera的4×10G 硅基單片集成器件

圖10 IBM公司研發(fā)的硅基單片集成回路芯片

　　4 結束語

　　光通信器件是光纖通信系統(tǒng)的基礎與核心，同時也是發(fā)展的關鍵，是光纖通信領域中具有前瞻性、先導性和探索性的戰(zhàn)略必爭高技術，代表了光通信技術領域的水平和能力。光電子器件行業(yè)產品種類繁多、基本環(huán)節(jié)專業(yè)化分工的特點使行業(yè)市場的細分成為可能，由于各企業(yè)所掌握的技術特長不一樣，不同的企業(yè)在不同的細分領域其競爭地位也不相同。

　　全球化的競爭格局已經形成，隨著國內光電子器件廠商研發(fā)能力、生產工藝的提高，再加上產品的成本優(yōu)勢，國內企業(yè)加大了出口的力度，國外通信系統(tǒng)設備廠商也增加了對國內光電子器件產品的采購力度。與此同時，國外通信系統(tǒng)設備廠商為了降低成本，近年來也紛紛把生產和研發(fā)基地向中國大陸轉移，這也帶動了中國大陸光電子器件市場的需求。

　　我國的通信光電子產業(yè)經過30多年的發(fā)展，在全球通信光電子器件行業(yè)中占據了重要地位，到目前為止，我國的通信光電子器件產業(yè)規(guī)模已經占據全球份額的15%以上。但是，大多數器件都集中于中低端，面對系統(tǒng)向智能化和高速化方向的快速發(fā)展，處于中低端的中國的光電子企業(yè)發(fā)展必然受到影響，唯一的出路即是發(fā)展更具有核心競爭力的高端器件。目前，集成器件技術的發(fā)展也正在經歷從科研到產業(yè)化的轉化期，國內的光器件企業(yè)一定要抓住這樣一個戰(zhàn)略機遇期，走上良性發(fā)展的康莊大道。

　　參考文獻

　　[1]Andrew Schmitt, The fast approaching 100G ara, Infonetics research white paper, Junly, 2011

　　[2]Akimasa Kaneko, et al, Compact integrated 100Gb/s optical modulators using hybrid assembly technique with silica-based PLCs and LiNbO3 devices, OThN3, OFC 2009

　　[3]Shigeru Kanazawa, et al, A compact EADFB laser array module for a future 100-Gb/s Ethernet transceiver, Journal of selected topics in quantum electronics, Vol.17, No.5, 2011

　　[4]Yoshiyuki Doi, et al, Compact ROSA for 100-Gb/s (4×25 Gb/s) Ethernet with a PLC-based AWG demultiplexer, NW1J.5, OFC 2013

　　[5]T. Pinguet, et al, Monolithically integrated high-speed CMOS photonic transceivers, IEEE 5th International Conference on Group IV Photonics, 2008, FB1: 362-364

　　[6] Ansheng Liu, et al, 200 Gbps photonic integrated chip on silicon platform, IEEE 5th International Conference on Group IV Photonics, 2008, FB3: 368-370

　　[7] William Green, et al, CMOS integrated silicon nanophotonics: enabling technology for exascale computational systems, Invited talk at SEMICON, Tokyo, 2010

　　作者簡介

　　周亮，中科院半導體研究所博士畢業(yè)，現任武漢光迅科技股份有限公司工程師、項目負責人，主要負責集成光電芯片研發(fā)和高速器件封裝方面的研究。參與完成了多項國家“973”項目，參與多項國家“863”項目和湖北省科技創(chuàng)新重點項目。發(fā)表國內外論文10多篇，申請國家專利4項。

　　徐紅春，華中科技大學光學系碩士畢業(yè)，現任武漢光迅科技股份有限公司教授級高級工程師、技術部經理，武漢郵電科學研究院碩士生導師，武漢市科技局科技決策咨詢專家，主要從事光電子器件方面的研究，參與多項國家“863”項目。2004年，獲得湖北省人民政府科技進步獎三等獎;2006年，獲得第十一屆武漢市自然科學優(yōu)秀論文二等獎;2012年榮獲湖北省人民政府科技進步獎一等獎，中國通信學會科學技術獎三等獎，并獲得湖北省自然科學優(yōu)秀論文一等獎。發(fā)表國內論文40余篇，國外論文1篇，申請中國專利9項，參與起草光通信行業(yè)和國家標準10多項。

　　余向紅，華中科技大學電信系碩士畢業(yè)，武漢光迅科技股份有限公司分管研發(fā)和技術副總，從事技術開發(fā)及技術管理工作約22年。2007年，“10千兆以太網用小型化熱插拔光收發(fā)器件及模塊”項目獲得中國電子學會科學技術獎二等獎，2008年，獲得湖北省人民政府科學技術獎二等獎，2012年，獲得湖北省人民政府科學技術獎一等獎，中國通信學會科學技術獎三等獎。起草行業(yè)標準3項，參與多項國家“863”項目、電子信息產業(yè)發(fā)展基金項目、國家電子信息產業(yè)振興和技術改造項目等;主持完成了“DWDM系列光發(fā)射模塊開發(fā)”項目、“GBIC系列光收發(fā)模塊開發(fā)”項目;主持完成了“PDS產品開發(fā)系統(tǒng)”管理項目。