北大教授王兴军：硅光市场将迎迅猛发展，更高集成度是重点

  ICC讯 “科创V计划——燕缘科创大讲堂”由北京大学校友会指导，北京创业投资协会与北大校友“燕缘雄芯”平台、北京大学科技创新校友会联合主办，将每周一个小时线上深度分享，聚焦科创话题，传递科创星火。

  10月23日，“燕缘科创”第26期邀请了北京大学教授、博士生导师、电子学系副主任王兴军，分享了《硅基光电子集成芯片 — 光电融合的核心技术》。

  王兴军，北京大学教授，博士生导师，电子学系副主任，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室副主任，信息与通信研究所副所长。

  以下是直播分享内容概要：

  硅基光电子技术是利用硅或与硅工艺兼容的其他材料，开发以光子、电子为载体的微纳量级信息功能器件，并将它们在同一硅衬底上大规模集成，形成一个完整的具有综合功能的新型芯片单元。

  硅基光电子技术是实现“光电融合”的最佳方法，早在上个世纪60年代就提出，但受限于硅自身发光效率低、无法做成光源的致命缺点，一直没有进展。80年代，美国Soref 教授提出了硅基光电子集成概念，2004年 Intel报道了1Gb/s速率的硅基调制器，2003年后，逐步的研究中发现探测器可以用锗来做，硅基激光源方面用三五族材料来做部分解决了硅本质问题，逐步做到了部分集成。

  2016年，Intel最早做出100G硅光收发器投以商用，之后很多产品以及公司相继出现。现在可以做到400G，未来可能做到1T或者更高。目前主要在数据中心和通讯应用，未来在传感、计算等领域还会有更多的应用。

  硅基光电子学市场应用前景广阔，预估2019年市场有4亿多美金，2025年有40~50亿美金，年增长率约40%。主要应用领域为数据中心光模块、长距光传输模块、光互连、5G光模块、无人驾驶LiDAR、免疫测试、光纤陀螺等。

  目前，硅基光电子集成技术产业链已经相对成熟完整，仿真软件、设计公司、驱动电路、研发线、封测、光器件光模块、设备商、运营商等领域都有相应的一系列公司出现。硅光遵循微电子的脚步发展，产业链逐渐分化，无晶圆厂的产业基础已经形成。相比较，硅光产业成长速度比微电子快2倍，当前专注于硅光IP开发和模块生产、封测的公司已经陆续成立，20年后，硅光产业的成熟度将接近微电子。

  目前，硅基光电子主要应用领域有：

  1. 数据中心方面应用

  我国在部署七大新基建，包括5G基建、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等直接投资将达10万亿元左右，带动投资累积或超17万亿元。

  其中，5G基建和大数据中心投入很大，与硅光有密切联系。大数据中心主要由交换机、服务器以及用于硬件互连的光电子芯片、光模块组成。处理器之间，交换机之间，都要用到光连接，光连接的速度会越来越快。5G应用方面，光电子芯片、光模块是实现5G高速、低延时通信的核心技术，也是5G低成本、广覆盖的关键。

  Alibaba Network & Optics Roadmap

  从阿里的roadmap可以看到带宽从2013年的40G到2019年实现400G，平均每两年翻一番，2023年预计达到1.6T，但新的标准还没有制定下来，还有很多研究价值和空间。

  数据中心方面还有一些比较偏学术的研究方向需要解决，主要包括：电泵CMOS兼容硅基光源问题、Tb/s速率、功耗问题、高速多通道光子集成阵列问题、电光单片集成问题、波导损耗和放大问题、共封装技术等。

  2. 5G通信方面应用

  继数据中心之后的下一个有希望部署硅基收发机的场景为5G前传模块。Intel的100Gbps已经初步应用到5G前传中验证。欧盟地平线2020项目“Teraboard”，针对5G基站之间处理单元，芯片间的高速互联提出了Tbit高速互联集成光电架构。目标实现ASIC处理器芯片间Tbit级高速互联。该架构采用3D TSV封装方式实现光电芯片融合，芯片间互联通路采用PLC多层波导结构。

  3. 光通信方面应用

  目前光通信方面的应用发展方向是超高传输速率的瓶颈突破、长距离传输方案的比较(直接检测/相干检测)与新型材料的硅基光通信系统探索。

  北大张帆老师团队基于单个硅基调制器，可以实现200Gb/s甚至更高的但波长传输速率。

  高速率硅基IQ调制器(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场景中优势明显。2020年初，Acacia宣布出样包括400ZR, OPENZR+和Open ROADM MSA的多种400G 可插拔硅光相干模块，并称将继续扩大相干技术在更短距离中的应用。

  当前的相干产品主要是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这两种封装体积过大，并且功耗问题也很严重。硅光方案的优势主要体现在相干调制以及合分波器件的高度集成化，加上完善的温控设计，可以大幅解决相干产品的缺陷。硅光子集成芯片的规模商用有望使得相干技术降低成本，进而下沉到核心与汇聚层。

  中山大学蔡新伦教授和华南师范大学刘柳教授团队做的新型大带宽、高速片上LN调制器(SiP+LN)，获得70GHz带宽，实现超过100Gb/s速率传输。

  北京大学和UCSB合作基于AlGaAsOI实现新型低功耗、高效率的片上光频梳。在非常小的阈值下实现光梳20μW。

  4. 人工智能方面应用

  深度学习硬件方面遇到很多问题，运算量越来越大，反复运算，能耗速率都会受到制约。光的功耗低，速度快，理论上可以解决深度学习中电的功耗和速率瓶颈。2017年，MIT提出了一种全新的光学神经网络架构，这种架构在理论上，相比于传统的电子设备，可以大大提升计算的速度和功耗。他们将这种光子神经网络应用于一套可编程的纳米光子处理器中，利用光子芯片的全光矩阵乘法实现了这种神经网络架构。

  这种设计的芯片用于语音识别，经过深度学习后，通过对可编程硅光电子芯片的训练，实现了76.7%的语音识别率，实验中识别的准确率可以媲美当前在计算机中利用神经网络算法得到的结果，同时能量消耗和速度性能优于当前的微电子系统。

  2019年，英国牛津大学基于氮化硅微环结构和相变材料，利用波分复用结构实现了全光类脑神经网络，具备监督学习和无监督学习能力。通过对神经网络进行训练，实现了对15个像素点图片的识别。

  5. 其他方面应用

  激光雷达也是硅光有很大发展的方向，光学相控阵方案具有惯性(精度高、可控性好)、宽视角扫描、便于小型化等特点。加利福尼亚大学的Ben Yoo课题组通过 3D集成方案，将发射机中的相控阵及电控模块集成在里一起;MIT的Watts组也报道了基于相干方案的集成相控阵报道;今年，三星电子在CLEO上报道了他们的集成相控阵样片，其中还将片上放大器也集成了上去，能够实现 40m的探测距离。

  光学相控阵方案的激光雷达当前系统层集成主要集中在相控阵及电控模块本身，距离实用还需要在一些关键器件上取得突破。

  除了激光雷达应用，集成光学陀螺仪也是重要的应用 之一。2018年，caltech就报道了目前世界上尺寸最小的光学陀螺仪芯片，它的尺寸是传统MEMS陀螺仪的500分之一，同时可检测的萨格纳克相移也是原来的30分之一。

  在光传感方面，依托成熟的 CMOS工艺，今年许多课题组也报道了许多相关工作，例如溶液气体成分的检测、生物检测、量子自旋态检测等。

  我是在北京大学电子学系区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，北京大学纳光电子前沿科学中心，我们团队大概有30人，主要研究以光子和电子为信息载体的大规模集成芯片和信息系统，实现在各种尺度上的感知、互连和处理，研究内容包括高速硅基光收发芯片和系统，微波光电子芯片与系统，硅基片上光放大器与激光器，硅基传感/二维材料/非线性等新型器件。

  我们已经掌握了几十种硅基光电子单元器件/芯片，以及和光子芯片相配套的微电子芯片的设计、流片和测试的经验。

  从最近两年的OFC和IEDM会议、以及高影响论文情况来看， 国际上硅基光电子发展的趋势是依托于硅基CMOS平台， 大规模的集成化。我国最近几年在微电子和光电子方面加大投入，需要这两个领域真正的协同攻关。硅光的市场将在未来几年迅猛发展，更高的集成度将成为未来十年硅光在数据中心的重点，另外新的应用(传感，量子计算通信，医疗)将不断涌现，成为新的增长点。

  Q&A

  问：英特尔是目前最早商用的么?不知能做到的大规模商用最高速率是多少?听说良率仍然在一半以下?

  答：一些小公司在Intel之前有一些，但是大规模能够提供商用产品的还是Intel，速率是100Gb/s，目前相干最高可以做到400Gb/s。良率确实是个问题，是不是一半以下没有准确的数据，这涉及到波长对准，不同器件工艺、封装等问题，都会有影响。

  问：王老师，您对海信和光迅做的硅光芯片评价如何?

  答：做的挺好的，光模块厂商认为400G是个拐点，未来速度越来越高，硅光的优势才能得以体现，但是也不能说硅光可以完全替代三五族材料，现在国内的问题是，基本上还是依靠国外工艺平台，目前国内也有几个工艺平台在建，希望能解决这个问题。