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OptiNet2018 | 飞昂通讯毛蔚:混合集成是光电芯片未来方向 产业需携手破题

摘要:在光通讯领域享有重要影响力的OptiNet2018光器件专题会议在北京圆满举办。会上,中国高速光互连收发芯片的领军企业,飞昂通讯科技南通有限公司(WINGCOMM,简称飞昂通讯)作为国内首家实现量产25G/100G高速光互连收发芯片的企业,备受与会专家和企业的关注。飞昂通讯CTO毛蔚博士为大会作了主题为《100G/400G 中国芯的机遇与挑战》的演讲报告,向近200名业界人士介绍光通讯速率升级情况和光电芯片的工艺发展。

  ICCSZ讯(编辑:Aiur) 6月14日,在光通讯领域享有重要影响力的OptiNet2018光器件专题会议在北京圆满举办。会上,中国高速光互连收发芯片的领军企业,飞昂通讯科技南通有限公司(WINGCOMM,简称飞昂通讯)作为国内首家实现量产25G/100G高速光互连收发芯片的企业,备受与会专家和企业的关注。飞昂通讯CTO毛蔚博士为大会作了主题为《100G/400G 中国芯的机遇与挑战》的演讲报告,向近200名业界人士介绍光通讯速率升级情况和光电芯片的工艺发展。

飞昂通讯CTO毛蔚博士

  众所周知,光通讯分为两个部分,一个是以中短距离传输和点对点为特点的光互联,另一个是以长距离和点对多点为特点的光传输。

  在光通讯人士孜孜追求的速率升级过程中,速率周期越来越短,从过去10G部署到25G部署用近15年时间实现,但25G部署到50G、甚至100G部署会加速升级。过去10G/40G光模块芯片有PD、LD、TIA和LDD,采用NRZ调制,25G/100G光模块芯片增加了CDR以满足信号完整性,并沿用了NRZ调制。100G/400G高速时代,受制于光器件带宽,除了PAM4调制已经成为行业共识,DSP的在电路部分的可行性以及III-V与SiPho两种半导体材料的较量,成为困扰当前行业的主要难题。

  CMOS VS SiGe 和III-V vs硅光的争议

  毛博士认为,10G向25G升级对信号完整性有更为严苛的要求,业界在光模块中添加CDR来确保信号完整,也让电路更加复杂。当速率发展到50G,在400G产品中电路是否采用DSP还有很大的争议,光路部分是沿用III-V族还是硅光也是一大争论。400G使用DSP主要是因为其功能强大,把模拟转化为数字信号后再处理数字信号,缺点是功耗很高。DSP使用16nm甚至7nmCMOS工艺制作,这种工艺适合对成本敏感的海量市场,如CPU、GPU、AP、FPGA等,可以通过摊薄降低成本。

  CMOS为表面器件,性能上会受制于Surface Roughness,产生噪音较大影响灵敏度。关键一点,CMOS线性度低,不利于PAM4电路,而功耗方面则因为低Gm,为实现高线性增益需要消耗更大功耗。光模块中传统的TIA和LDD电路均采用SiGe工艺,这种工艺更适用于模拟信号。CMOS是12寸晶圆,适合海量的市场,可通过后期摊薄降低成本,但光模块仅仅是个数百万规模量的市场,摊薄能力较差,而SiGe是8寸晶圆,在成本上更适合于光模块的开发。综合考虑器件带宽和成本因素,SiGe的性价比在130nm之后就超过了CMOS。

  硅光大热下混合集成会是未来主流

  硅光是目前火热的话题,硅光器件可分为有源器件和无源器件,有源器件包括探测器、激光器和调制器,而毛博士介绍了飞昂公司在调制器和探测器方面的设计和理解。调制器经典做法是使用P/N MZI通过调制波导改变相位,两束光经过不同的相位后进行相干就能得到不同幅度的调制。这种调制器的组成,先把光通过1:2的MMI分光成2路,通过两路不同的相位差,再到2:1的MMI合到一起相干,这个调制器工艺在晶圆厂已经比较成熟。探测器采用PIN,结构简单且性能出色,但需要Ge,而非纯Si工艺。

  无源器件包括MMI、AWG、delay、光栅、resonator,coupler和各种光波导等,这些器件形成一个完整的光路。由于物理限制,硅无法取代III-V族制作激光器,在光耦合方面总体有三种方法,一是bonded hybrid laser,直接将III-V族激光器嫁接到晶圆上,这对工艺有很高要求;二是Attached laser,把激光Attached到晶圆的同时对准波导。三是Off-chip laser通过一根光纤,光纤放在晶圆上的一个V槽里,对准波导。毛博士表示,硅光耦合还有很多问题需要探索,例如如何最小化其损耗,如何解决光在TE和TM之间的转换,如何实现量产测试。

  飞昂公司认为Fusion(混合集成)会是未来主流,硅光和集成电路将混合集成在一块芯片上。毛博士介绍了当前混合集成的难题,首先电芯片使用的是BULK衬底,而硅光使用SOI衬底,由于SOI是是一种绝缘体,两者要放在一起的话,等于是要在SOI上既做光路也要做电路,这方面的难点在于SOI衬底是否对电路足够友好。其次,现在光路设计有一套方法,电路设计也有一套方法,光电混合的co-design需要EDA支持。再次,因为光路非常占用面积,而光和电对工艺的先进性要求不一致,怎么做性能跟成本之间的权衡,需要业界继续探索。

  100G/400G中国芯机会 产业需上下齐心

  飞昂通讯目前实现了25G/100G光互联芯片的国产化,公司25G/100G产品采用100% IN-HOUSE测试,每一个DIE都是全速度的光电结合测试。100G/400G中国芯机会方面,毛博士认为行业首先应该关注高端细分领域,根据木桶原理,一个木桶最大水量由最短板决定,中国有很好的ASIC开发能力,但在高速模拟这块做得还不好,特种工艺则更为欠缺。其次,要聆听客户,了解市场需要的东西,而不是盲目追求一些热点。第三,墨菲定律跟摩尔定律一样重要,质量是首位,成败在于细节。第四,行业要增强上下游合作,有助对早期产品开发适应于市场的需求,尤其是定制化产品的开发。

  以前的高端芯片是国外设计、国外制造,现在中国处在自主设计、国外制造阶段,毛博士期待未来能实现中国设计中国制造,在“家门口”流片,这需要大家携手共进,迎难而上。

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