By: Jim Theodoras (HG Genuine), Ana Gonzalez (EPIC) & Antonio Raspa (EPIC)

本文最初發(fā)表于 2021 年 9 月版。

PIC 雜志邀請(qǐng)以太網(wǎng)聯(lián)盟（Ethernet Alliance）和歐洲光子學(xué)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（EPIC—The European Photonics Industry Consortium），共同探討互聯(lián)網(wǎng)接入、下一代光子集成技術(shù)，以及以更低成本提供不斷提升的服務(wù)水平的壓力，將如何塑造我們溝通、工作甚至生活的未來(lái)。如果說(shuō)疫情從商業(yè)角度教會(huì)了我們什么有價(jià)值的東西，那就是我們不僅能夠而且必須能夠遠(yuǎn)程運(yùn)行整個(gè)世界。簡(jiǎn)而言之，要做到這一點(diǎn)，我們都需要：帶寬。

以太網(wǎng)持續(xù)不斷地向前發(fā)展，超越當(dāng)前的 400 Gb以太網(wǎng)速率，邁向更遠(yuǎn)的未來(lái)。一如既往，前進(jìn)的道路上布滿(mǎn)了挑戰(zhàn)的雷區(qū)，需要全球科技公司網(wǎng)絡(luò)的共同努力才能克服。以太網(wǎng)聯(lián)盟（EA）和歐洲光子學(xué)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（EPIC）正攜手將行業(yè)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者聚集在一起，推動(dòng)下一代以太網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)。

每一代新的以太網(wǎng)都在各方面有所提升，但每一代都期望每比特的成本（價(jià)格、功耗、外形尺寸或 “空間”）更低。難題在于如何在復(fù)雜性不斷增加的情況下實(shí)現(xiàn)更低的成本。復(fù)雜性存在隱性成本，而且這不是線(xiàn)性關(guān)系。從 1 個(gè)通道增加到 4 個(gè)通道，成本不一定是 4 倍，而可能高達(dá) 42 倍，即 16 倍。那么，如何實(shí)現(xiàn)這一不可能的任務(wù)呢？

更快、更寬、更復(fù)雜

在光通信中，要實(shí)現(xiàn)更快的速度，有以下幾種途徑：直接提高速率（更高的比特率）、拓寬通道（更多的信息通道）或增加調(diào)制復(fù)雜度（提高波特率）。這三種方法通常結(jié)合使用。從 100 Gb 以太網(wǎng)升級(jí)到 400 Gb 以太網(wǎng)是一個(gè) 4 倍的跨越。在電域方面，通過(guò)將總線(xiàn)寬度從 4 通道加倍到 8 通道，并使用 PAM4 調(diào)制將有效比特率加倍來(lái)實(shí)現(xiàn)。在光域方面，通過(guò)將比特率提高 2 倍，并通過(guò)轉(zhuǎn)向 PAM4 調(diào)制使有效比特率提高 2 倍來(lái)實(shí)現(xiàn)。超過(guò) 400 吉比特每秒的信息速率將至少需要再提高 2 倍。

●提高速度

一種選擇是直接將比特率加倍?，F(xiàn)有的光調(diào)制技術(shù)已逐漸力不從心，難以滿(mǎn)足單通道速率超過(guò) 50 Gbaud 所需的奈奎斯特帶寬。許多 EPIC 成員公司正在引領(lǐng)提高調(diào)制器帶寬的潮流，涉及使用能夠長(zhǎng)期滿(mǎn)足行業(yè)新要求的新材料。

例如，Lightwave logic 開(kāi)發(fā)的使用電光聚合物構(gòu)建高速調(diào)制器。Lightwave Logic Inc. 首席執(zhí)行官 Michael Lebby 表示：“電光（EO）聚合物可以提供比當(dāng)前半導(dǎo)體解決方案更高的速度和更低的功耗，實(shí)現(xiàn)光的極快速切換 —— 類(lèi)似于我們觀(guān)看基于 LCD 的顯示器（如電視）時(shí)所看到的情景，只不過(guò)速度比 LCD 快得多?！薄斑@些聚合物材料已被用于開(kāi)發(fā)馬赫 - 曾德?tīng)栒{(diào)制器，該調(diào)制器以低驅(qū)動(dòng)電壓水平運(yùn)行，速度超過(guò) 100GHz，這意味著原始光學(xué)器件性能比當(dāng)今現(xiàn)有的調(diào)制器技術(shù)提高了 2-3 倍。聚合物還具有可添加性和與硅光子學(xué)、磷化銦等集成光子學(xué)材料兼容的優(yōu)勢(shì)，這可以提升這些平臺(tái)的性能。”

Polariton Technologies 的電光調(diào)制器依靠等離子體激元開(kāi)發(fā)調(diào)制器，其速度比當(dāng)前光子調(diào)制器快 10 倍以上（實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)下 500GHz 的世界紀(jì)錄）。Polariton Technologies 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Claudia H?ssbacher 表示：“Polariton 調(diào)制器比傳統(tǒng)光子調(diào)制器緊湊 100 倍以上，速度快 10 倍，能效更高。”“我們技術(shù)的關(guān)鍵是光與金屬表面電子的耦合（表面等離激元極化子，簡(jiǎn)稱(chēng) SPP）。在我們的等離子體調(diào)制器中，這些強(qiáng)約束的 SPP 與電光材料相互作用。緊密的約束使得器件尺寸僅為幾十微米，實(shí)現(xiàn)了密集集成。由于器件體積小，電容也小，從而提高了帶寬。這樣，我們可以保持調(diào)制格式簡(jiǎn)單，并最大限度地減少高功耗的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）。”

Lumiphase 利用鈦酸鋇（BTO）材料增強(qiáng)行業(yè)領(lǐng)先的硅光子學(xué)平臺(tái)，該材料可實(shí)現(xiàn)超過(guò) 70GHz 的高速調(diào)制器，使用壽命超過(guò) 10 年，光損耗降低 10 倍?；?Lumiphase 平臺(tái)的收發(fā)芯片非常容易以經(jīng)濟(jì)高效的方式大規(guī)模擴(kuò)展。Lumiphase 聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事 Lukas Czornomaz 表示：“除了明顯的速度優(yōu)勢(shì)外，BTO 的使用還能實(shí)現(xiàn)極低的插入損耗，這減少了對(duì)光放大器或強(qiáng)大激光器的需求，同時(shí)確保了可靠的可靠性指標(biāo)。”“BTO 使我們能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)通信、電信、計(jì)算和傳感市場(chǎng)對(duì)快速、超緊湊、低功耗和經(jīng)濟(jì)高效的光控制引擎的需求。”

●拓寬通道

另一種選擇是拓寬通道。正如從 100 吉比特以太網(wǎng)躍升至 400 吉比特以太網(wǎng)（在一種變體中）包括將電通道從 4 個(gè)增加到 8 個(gè)（增加了 2 倍）一樣，在光域方面也可以這樣做，以快速實(shí)現(xiàn) 800 吉比特 / 秒的信息速率。然而，這并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。將光學(xué)系統(tǒng)中的組件數(shù)量加倍，困難和費(fèi)用不一定會(huì)加倍，反而可能呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。目前具有 4 個(gè)并行顏色通道的 400 吉比特以太網(wǎng)光學(xué)前端已接近使用當(dāng)前在光學(xué)平臺(tái)上組合分立元件的技術(shù)所能制造的極限。市場(chǎng)壓力正推動(dòng)每比特傳輸?shù)墓鈱W(xué)信息成本下降，超過(guò) 400 吉比特以太網(wǎng)的任何技術(shù)都需要每比特成本更低，而不是更高。

行業(yè)越來(lái)越意識(shí)到，超過(guò) 400 吉比特以太網(wǎng)的任何技術(shù)都至少需要一定程度的光子元件晶圓級(jí)集成 —— 有時(shí)也稱(chēng)為光子集成電路（PICs）。這些可以簡(jiǎn)單到在一個(gè)普通的硅平臺(tái)上有 4 個(gè)調(diào)制器，也可以復(fù)雜到在磷化銦晶圓上有一個(gè)完整的相干光學(xué)前端。

通過(guò) PICs 提高容量的一個(gè)例子是 PASSION 發(fā)射器基本模塊，它在單個(gè)硅光子芯片中集成了 40 個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）和 100-GHz 間隔復(fù)用器，使用大規(guī)模光子集成實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊高達(dá) 2 Tbit/s 的容量。該模塊是開(kāi)發(fā)基于模塊化方法的創(chuàng)新型可切片帶寬 / 比特率可變收發(fā)器（S-BVT）的基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)多太比特傳輸，顯著降低成本和功耗。PASSION 采用低成本、高能效的光源 —— 即德國(guó) VERTILAS 公司的單模磷化銦 VCSEL，工作在 C 波段。這些光源具有高調(diào)制帶寬（約 20 GHz），并使用 PAM-4 或其他多載波調(diào)制格式（如 DMT）直接調(diào)制，每個(gè) VCSEL 至少可實(shí)現(xiàn) 50 Gbit/s 的容量。四個(gè)模塊可以通過(guò)溫度調(diào)諧，在 0 到 75 GHz 的范圍內(nèi)，以 25 GHz 的間隔交錯(cuò)排列，獲得一個(gè) 160-DWDM 通道超級(jí)模塊，總?cè)萘扛哌_(dá) 8 Tbit/s。

此外，通過(guò)利用偏振分復(fù)用（PDM）并結(jié)合兩個(gè)偏振正交的相同超級(jí)模塊，可以實(shí)現(xiàn) 16 Tbit/s 的容量。此外，使用多芯光纖或光纖束的空分復(fù)用可使每條鏈路實(shí)現(xiàn)超過(guò) 100 Tbit/s 的容量。

然而，當(dāng)談到單片集成時(shí)，磷化銦（InP）技術(shù)將推動(dòng)下一代相干網(wǎng)絡(luò)成本優(yōu)化的革命。荷蘭 EFFECT Photonics 公司就是一個(gè)例子，該公司開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)完全集成的相干 PIC，針對(duì)可插拔相干收發(fā)器，用于邊緣和城域 / 接入網(wǎng)絡(luò)，可裝入最小的模塊：QSFP28 和 QSFP-DD。主要應(yīng)用是多速率相干 100-600G 以及低功耗短距離模式（10-200 km）和高 OSNR（2000-8000）模式。

EFFECT Photonics 首席技術(shù)官 Tim Koene 表示：“單片集成允許將激光器、調(diào)制器、探測(cè)器、分束器和網(wǎng)絡(luò)濾波器等所有功能單片集成在單個(gè)芯片中?！薄斑@項(xiàng)技術(shù)允許為城域接入和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用進(jìn)行批量生產(chǎn)擴(kuò)展。”

PICs 的挑戰(zhàn)

作為科學(xué)家和工程師，我們喜歡關(guān)注如何在各種類(lèi)型的半導(dǎo)體晶圓上創(chuàng)建和集成光學(xué)功能的物理原理，但 PICs 的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)是如何測(cè)試它們。對(duì)于分立光學(xué)元件，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單地將測(cè)試儀連接到每個(gè)元件來(lái)測(cè)試激光功率、背反射容限、合色器 / 分束器通帶、調(diào)制器 Vpi 和帶寬、光電二極管響應(yīng)度等。然而，一旦這些功能中的一個(gè)或多個(gè)集成到晶圓上，測(cè)試參數(shù)就變得更加困難。等到 PIC 集成到最終產(chǎn)品中再進(jìn)行功能驗(yàn)證在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。性能不佳的光學(xué)元件需要在生產(chǎn)過(guò)程的早期被發(fā)現(xiàn)，通常甚至在整個(gè)晶圓被切割成單個(gè) PIC 之前。

許多 EPIC 成員公司專(zhuān)注于 PICs 的晶圓級(jí)測(cè)試。晶圓級(jí)測(cè)試不僅僅是購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)獨(dú)特的測(cè)試機(jī)器。測(cè)試策略必須在 PIC 設(shè)計(jì)過(guò)程的早期選擇，并納入測(cè)試特性。

開(kāi)發(fā)高精度自動(dòng)化工具的公司，如 Ficontec（羅博特科(SZ:300757)子公司）、Aifotec、Tegema 和 IMS-NL，正與開(kāi)發(fā)測(cè)試工具的公司，如 Roodmicrotec、Exfo 和 Quantify Photonics 合作，開(kāi)發(fā)晶圓級(jí)測(cè)試。像 Photonics42 這樣的公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了定制的專(zhuān)有工具能力，用于晶圓級(jí)測(cè)試：探針卡、儀器和測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模塊化和多通道探測(cè)、自動(dòng)化軟件。

Jenoptik 的新型 UFO Probe?技術(shù)面向微電子領(lǐng)域晶圓級(jí)測(cè)試的半導(dǎo)體設(shè)備和工藝市場(chǎng)。該技術(shù)基于一種對(duì)光子集成電路進(jìn)行光學(xué)探測(cè)的概念，對(duì)晶圓探測(cè)器中的對(duì)準(zhǔn)公差不敏感。因此，光電探針卡可與市售晶圓探測(cè)器配合使用，并確保測(cè)試光子集成電路的相應(yīng)高吞吐量。

自動(dòng)化制造和對(duì)準(zhǔn)。

隨著光通道數(shù)量的增加和向 PICs 的轉(zhuǎn)變，帶來(lái)了另一個(gè)挑戰(zhàn) —— 電氣和光學(xué)精確對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間和成本。大多數(shù)電路仍保留在 PIC 襯底之外，位于 PIC 的邊緣或下方。無(wú)論是鍵合線(xiàn)還是凸點(diǎn)鍵合，都需要非常精確的對(duì)準(zhǔn)。

PICs 的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)非常具有挑戰(zhàn)性。單個(gè)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)可能很快消耗成本、時(shí)間和功率預(yù)算，因?yàn)閮蓚€(gè)元件必須在 6 個(gè)自由度內(nèi)對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于 PICs，可能需要進(jìn)行數(shù)十次對(duì)準(zhǔn)。PICs 目前主要有兩類(lèi)：集成激光器的和外部激光器耦合到晶圓的。兩者最終都需要將輸出耦合到并行光學(xué)帶狀光纖中。

像 Ficontec 和 ASM AMICRA 這樣的公司開(kāi)發(fā)的機(jī)器提供高精度的芯片鍵合機(jī) / 倒裝芯片鍵合機(jī)，支持 ±0.3μm@3s 的放置精度。需要進(jìn)行的光通道和對(duì)準(zhǔn)數(shù)量增加的一個(gè)副作用是激光功率正在增加。為了補(bǔ)償額外的耦合和波導(dǎo)損耗，PIC 設(shè)計(jì)人員只是簡(jiǎn)單地增加其光源激光功率。然而，這是一種自我挫敗的策略，因?yàn)殡S著對(duì)激光器的驅(qū)動(dòng)力度加大，激光器通常出現(xiàn)的問(wèn)題只會(huì)增加，而且耦合損耗可能很快超過(guò)激光驅(qū)動(dòng)功率。更好的解決方案是直接解決耦合損耗問(wèn)題。

幾家 EPIC 成員公司擁有改善晶圓和 PIC 結(jié)構(gòu)上光耦合的新方法，例如 Vanguard Automation，該公司提供基于 3D 納米打印技術(shù)的自動(dòng)化多芯片封裝機(jī)器和工藝，在降低整體封裝成本的同時(shí)創(chuàng)建低損耗連接。

Multiphoton Optics 提供使用雙光子聚合技術(shù)的 3D 直接激光寫(xiě)入設(shè)備，這是一種無(wú)掩模直接激光寫(xiě)入技術(shù)。

Nanoscribe 提供雙光子灰度光刻系統(tǒng)，旨在通過(guò)一步制造實(shí)現(xiàn)具有出色形狀精度的超光滑微光學(xué)元件，并具有巨大的設(shè)計(jì)自由度。

保證可靠性

從 400 吉比特以太網(wǎng)邁向未來(lái)的任何技術(shù)都伴隨著復(fù)雜性的大幅提升。無(wú)論是分立的還是集成的，光學(xué)平臺(tái)還是 PICs，硅還是磷化銦，所有潛在的解決方案都將比以往任何時(shí)候都更加復(fù)雜。確保如此復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的唯一方法是老化測(cè)試（burn-in）。與性能測(cè)試一樣，在制造過(guò)程中越早進(jìn)行產(chǎn)品老化測(cè)試越好。

集成技術(shù)有可能使光學(xué)器件的早期老化測(cè)試變得困難，甚至不可能。理想情況下，任何晶圓級(jí)集成的器件都應(yīng)在晶圓級(jí)進(jìn)行老化測(cè)試。與性能測(cè)試一樣，晶圓級(jí)老化測(cè)試需要從設(shè)計(jì)的第一天起就有一個(gè)策略，并在設(shè)計(jì)中包含支持功能。

EPIC 有幾家成員公司在如何規(guī)劃和執(zhí)行集成光學(xué)器件和 PICs 的晶圓級(jí)老化測(cè)試方面具有專(zhuān)業(yè)知識(shí)，如 Yelo 和 Aehr，致力于開(kāi)發(fā)測(cè)試和測(cè)量設(shè)備。

結(jié)論

每一次新的以太網(wǎng)速度跨越都始于困惑，因?yàn)樯弦淮馁Y深人士會(huì)思考達(dá)到當(dāng)前水平有多難，他們的錦囊妙計(jì)已因努力而耗盡。但作為一個(gè)行業(yè)，當(dāng)我們開(kāi)始這項(xiàng)最新的努力時(shí)，如果我們共同努力，將我們所有的技術(shù)都用于解決手頭的問(wèn)題，下一代以太網(wǎng)將成為現(xiàn)實(shí)。