2024年LEAP技术大会于3月4日至7日举行。通信和信息技术部长Abdulla Al-Swaha称,将在三天内见证 119亿美元的投资,超过去年的 90 亿美元。
博创科技首次亮相800G:
市场唯数不多的已经研发量产400G硅光产品,目前爆量出货腾讯。
硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料的下一代技术,利用现有的CMOS工艺开发和集成光学器件。硅光子学的核心思想是“光代电”,即使用激光束代替电子信号进行数据传输。硅光子技术将硅光子模块中的光学和电子元件集成到一个单独的微芯片中,使光信号处理和电信号处理深度集成,最终实现了真正的“光纤连接”。
为什么重点关注硅光模块!!
一、硅光模块与传统光模块的区别
1、普通光模块主要采用III-V族半导体芯片、高速电路硅芯片、光学组件等器件封装而成,其发展路径遵循摩尔定律,在本质上属于“电互联”。而硅光模块是采用硅光子技术的光模块,将光学器件与电子元件集成到一个独立的微芯片中,实现真正意义上的“光互联”。
相比于普通光模块,硅光模块具有低功率、低成本、高集成、高速率等优势。硅光模块是采用光电子技术的光模块,硅光子技术基于硅和硅衬底材料,利用现有的COMS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。
基于CMOS制造工艺进行硅光模块芯片集成是硅光模块与普通光模块最大的区别所在。如今5G核心骨干网的核心层接口速率从100G/200G提升至200G/400G,达到了硅光技术的最佳应用场景(400G),无论是成本还是效率来说,硅光市场拥有更大的市场空间。
2、硅光技术将实现光模块瓶颈突破,助推硅光模块市场后续快速增长硅光技术具备高速率、低功耗、集成度高等突出优势,更适用未来更高速光模块的生产。
3、硅光技术集成度高可解决速率瓶颈。未来800G甚至1.6T硅光模块将逐步成为市场主要产品,由于单通道光芯片速率瓶颈问题,多通道的PAM4电调制方案将不可或缺。而电调制带来的损耗较大,要求传统方案光模块内部激光器、调制器等器件更加紧凑,激光器芯片处于裸露状态,受环境损耗的可能性大幅度提升。另外通道数的增加导致器件数量增加,器件集成复杂度和工作温度提升带来的问题都具备较大挑战性。而硅光技术通过高度集成能很好解决以上问题。
二、市场前景
硅光模块已经在数据通信、智能手机、光纤通信、云计算等领域得到广泛应用。热门行业前景:
1. AI芯片
人工智能的快速发展,推动了AI芯片的需求。硅光模块在AI芯片中,可以充分的发挥其高集成度、高数据处理能力和低成本优势,有望成为AI芯片的一个重要组成部分。
2. 自动驾驶
自动驾驶技术依赖于高速、高带宽的数据通信,而硅光模块能够满足这一需求,不仅能够提供更加高效和安全的数据传输,还可以实现车联网,进一步提高车辆的智能化。硅光模块能够实现在车内设备之间、车内设备和城市基础设施之间、车辆之间等方向进行高速、稳定的数据发送和接收,从而实现自动驾驶技术的实现。
3、硅光模块市场将实现快速增长,目前市场中以100G CWDM4、PSM4和相干DWDM硅光模块为主,部分企业400G领先,后续800G甚至1.6T硅光模块将是硅光技术切入的重要入口。
硅光模块市场领先企业主要为海外企业,中国企业也加速布局,博创科技早于2020年就已经研发出400G硅光模块,有望在未来形成竞争力。
硅光子学基础
硅光子技术将高速光模块的关键光子元件和功能集成到硅衬底中,可以使用标准的商业晶圆制造厂制造。硅光子学的技术开发主要集中在构建和验证光学组件和设计,这些组件和设计可用于硅晶圆厂以生产集成在单个芯片中的光子系统。光模块在发送侧将电信号转换为光信号,并在接收侧将光信号转换为电信号。我们可以通过跟踪进出设备的光来突出光模块的关键光学组件。为了接收光,必须有一个到硅片的耦合接口,它可以通过光栅耦合器垂直穿过芯片顶部,或者通过边缘耦合的硅片侧面。波导引导光通过芯片,基于硅的光电探测器检测光并将信号转换到电域,由设备的电子部分解释。在发射端,激光产生的光被引导到芯片中,然后需要将光调制到携带信息的信号连接器中。光最终耦合出芯片并进入光纤。从那里它可以通过标准接口进入光模块外部的光纤线缆。
*光源不直接集成在光芯片中,光源下方的光栅耦合器将光耦合到芯片中,整个光芯片也使用无源光子元件来引导和操纵光从历史上看,光器件一直是分立的,并且基于硅以外的衬底,例如磷化铟或砷化镓。事实上,同一组件的不同供应商甚至可能使用不同的工艺。但是,如果每个组件都可以在相同的硅工艺中构建,则可以设计和制造完全集成的光学芯片,以利用CMOS制造工艺的成熟度和规模。光芯片可以与处理电信号的电子芯片紧密配对和集成。下图显示了一个100Gbps光模块的示例,整个光模块功能包含在单个芯片组中。当需要以极高的规模生产光器件时,这一点的价值就变得显而易见了。 硅光优势
制造效率和自动化
减少手动或定制流程有助于提高工厂产量。硅光子为涉及高通量工艺和资本设备的光学器件提供高度自动化的制造流程。如前所述,光子晶圆本身是在与电子晶圆相同的商业半导体工厂中加工的。将光器件集成到一个完整的模块中还可以利用电子行业的标准流程。主要的组装和测试步骤可以在晶圆级进行,因此该过程可以高度自动化并每小时输出许多单元。通过利用晶圆级能力,利用这种生产流程扩大产能并生产数百万个光模块变得比以往任何时候都更容易实现。并且大规模生产领先的光模块(数据速率从100G到400G甚至更高)能够在数据中心内大规模采用。
随着一般光器件,更具体地说是硅光器件,在越来越短的范围内被采用,随着整体部署量转化为更大的规模经济,体量将呈指数级增长并获得更多收益。这种良性循环,以及高速数据中心光学的民化,使得硅光子成为一个特别值得关注的领域。
晶圆级测试和模块良率
硅光子在不同的层面上带来了额外的好处:可靠性和可重复性。光器件的设计过程遵循与传统“无晶圆厂”电子公司非常相似的工作流程。通过定义光器件的设计并将其编译到光器件库和设计套件中,最终设计可以完全定义,然后由晶圆厂蚀刻到硅中。与可能受后续模块组装步骤影响的传统光器件相比,这导致性能的可变性要小得多。硅晶圆厂使用的光刻和晶圆蚀刻的成熟度允许组件具有明确的精度和可重复性。这意味着统计模型和仿真可以帮助在材料构建之前的设计过程中预先了解和全面确定光模块的性能。当然,可以构建和测量物理组件以证实仿真结果的准确性。通过这种方式,通常可以在产品生命周期的早期检测和纠正与设计相关的问题。一旦设计完成,硅光子还有另一个独特的优势。在将光器件切割成单个芯片或组装成模块之前,可以对它们进行晶圆级测试。这带来了几个重要的好处。如果有任何部件故障,可以在构建过程的早期检测到它们;可以映射坏芯片并防止与其他模块一起构建,从而避免通过仅使用已知的好芯片来浪费其他组件。这对整体收益率具有积极影响,这种高度可测试的制造流程和可重复的设计性能有助于提高设备的可靠性。
规模经济
对于硅芯片设计,大部分艰苦的工作都放在了产品的研发和设计阶段。一旦在芯片设计和封装上投入资金,硅就可以重复有效地冲压出来。随着数量的增加,设计过程的前期固定开销可以划分为越来越多的单元。随着光模块在整个数据中心市场的扩展,基于硅光子的光器件将受益于体量曲线的上升,高速光器件将在市场上变得更广泛。
与电子产品集成
虽然硅光子的主要应用是在可插拔光模块中,但与电芯片和ASIC的更紧密集成正在积极发展,未来研究方向是更紧密地将光器件与交换机ASIC集成,当前的交换机系统具有从交换机芯片到带有可插拔光学端口的前面板的长电迹线。随着信号越来越快,从交换机到前面板的布线变得困难,功耗和散热是系统设计人员面临的重大障碍。如果光器件可以更紧密地与ASIC集成,那么交换机硅和光学I/O之间的电气走线长度将被最小化,因为信号不再传输到前面板。