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        SiFotonics先进硅光集成芯片技术在5G和DC中的应用前景

        摘要:3月22日,在成都市双流5G产业创新联盟大会暨5G产业发展论坛上,作为国际硅光子器件与集成芯片开创者与领导者之一的SiFotonics Technologies首席运营官于让尘(Ryan Yu)博士介绍了国际硅光子产业发展,并分享SiFotonics在硅光器件和集成技术领域的创新,以及先进检测技术为基础的硅光集成芯片在5G无线传输及大型数据中心的应用前景。

        ICCSZ讯 3月22日,在成都市双流5G产业创新联盟大会暨5G产业发展论坛上,作为国际硅光子器件与集成芯片开创者与领导者之一的SiFotonics Technologies首席运营官于让尘(Ryan Yu)博士介绍了国际硅光子产业发展,并分享SiFotonics硅光器件和集成技术领域的创新,以及先进检测技术为基础的硅光集成芯片在5G无线传输及大型数据中心的应用前景。

        在三月举行的光通讯业年度盛会OFC2019, “硅光子”再次成为热门词汇,并引领其它业内热门话题,如”5G””数据中心””400G”, “PAM”,”QAM” “相干”等等。

        通过过去十多年的努力,硅光集成技术规模商用已开始开花结果。例如半导体业龙头Intel推出的数据中心应用100G CWDM4,将混合激光器(LD)集成在硅平台上,产品已经规模部署,在过去12个月中实现出货100万只。相干硅光技术代表Acacia将相干技术和硅光技术有效结合,其100G相干产品已经发布。另一家硅光公司Luxtera被思科收购,他们硅光产品以数据中心应用的100G PSM4收发器最为知名,该产品将一个激光器用四种方式连至四个调制器,并混合集成了LDD/TIA/CDR IC,该产品出货也已经到百万级別。

        SiFotonics 公司成立于2007年,其创始团队由MIT硅光研究机构成员组成,经过有十几年的耕耘积累了丰富的知识产权,SiFotonics拥有多项锗硅器件及集成芯片专利。在硅光芯片技术成为热门的今天,拥有丰富的知识产权将成为核心竞争力。公司从创办开始,就确定与头部硅半导体代工厂建立结盟投资关系,这对公司开发专有的锗硅光集成制程奠定坚实的基础。

        SiFotonics经过多年努力,已经开发出业内领先的硅光集成基础原件”图书馆”,包括低损波导,光耦合器,偏振旋转、分离器等被动组件,先进的光探测雪崩二极管,高速调制器,及可调衰减器等主动组件。这些组件可以根据应用需求排列组合成特定的”光电专有芯片”。

        举例说明,SiFotonics开发的32/64GBaud相干收发一体单芯片整合集成了多于一百个分立器件,成为100G 到400G相干收发的核心引擎,这种高集成度是三五族望尘莫及的。

        在可见的未来,5G网络的布建涵盖从前传、中传、后传、城域及数据中心等端到端的整体建设,面临挑战。传输速率的大幅提升包括5G前传从10G提升到25G,甚至100G;数据中心从100G升级到400G. 伴随传输速率提升带来的传输距离的挑战,也面临成本和功耗的压力。运营商面临流量大增但每用户营收增长缓慢的矛盾,特别是中国所提倡的提速降费对运营商而言是一件非常有挑战的政策,如何降低$/Gbit是运营商的重要考虑因素。 功耗是运营成本的重要因素,数据中心更是功耗龙头。据统计,全球数据中心已占世界总功耗的3-4%,加上超大型数据中心数量不断增加,功耗已超400TW。

        随着光网络各节点传输速率大幅提升,光纤损耗链路预算面临物理限制。传统的光探测二极管技术已捉襟见肘,更先进的探测技术如雪崩二极管及相干探测成为必须。

        SiFotonics”十年磨一?!笨⒊龅恼喙柩┍蓝芫哂杏乓斓男阅?。这种”自带放大功能”的先进光探测器有宽阔的适用光谱,涵盖850nm, 1310nm 及1550nm波段;其增益频宽积性能已超越三五族材料;器件已在8寸硅量产线运行生产,成本也更具竞争力。与三五族相比,锗硅雪崩二极管做硅光芯片集成也俱先天的优势。

        先进的雪崩二极管有诸多应用。首先可以在高速率下提升传输距离。比如25G前传可以增加到廿公里以上。这项应用已在韩国5G前传率先规模商用。中传的50G可增加传输到40公里。4x25G的100G ER Lite 可传30km以上。最新应用在400G LR4多源协议标准将传输距离从2公里提升到10公里。另外一个应用是用探测端多余的链路预算来减少发射端功率:每3dB可减半发射激光功率。这个好处可延伸到用接收增益来减少需要的激光器数量,特别是多通道应用,如400G DR4。

        针对功耗节省,SiFotonics做了一个粗略估算。全球光网应有十亿只光收发???。每只激光器按平均半瓦计,若转移3dB光功到接收端,节省一半的激光器功耗,全球可节省250MW, 按每度电10美分,每年可节省2亿美金!未来400G以上光??楣母?,达10瓦,总功耗及电费的节省更为可观。

        ”三流公司做产品,二流公司做市场,一流公司做标准”。SiFotonics 积极参与业内领先的标准化工作,比如100G Lambda MSA 正在热烈讨论的沿用4x100G支持400G 10公里应用。诸多提议中有分别建议增加发射功率,或分一半一半分别增加发射功率及接收灵敏度以解决链路预算,最后以维持发射功率,增加接收灵敏度方案胜出做为指标书基线下一步讨论定案,并准备向IEEE标准提案定标。这项新标准为先进雪崩二极管开辟了新用途?!?

        最近SiFotonics已推出业内领跑的单波100G雪崩二极管接收器。经测试,在标准纠错误码线上可以达到额外的3dB的増益。这项结果给单波100G增远应用提供坚实的技术基础,可以扩展到400G 10km, 甚至未来800G的应用。

        现代大型数据中心由数万到数十万台服务器通过多层高速交换机联网。从端口速率而言,业内云计算大客户如亚马逊已经开始从100G向400G 切换。2019年是400G ”元年”。SiFotonics 已推出4x100G 收发一体单芯片,可用于400G DR4, FR4. 加上最新的单波100G 雪崩二极管阵列,可以支持400G LR4 10km 应用。至此,SiFotonics 全系列硅光芯片可以支持400G 从500米到10Km的全系列应用,为400G大规模商用做好准备。

        大型数据中心互联也正在经历从100G到400G切换。因为大带宽长距离需求(多以4T 起跳), 密波分相干检测成为主流技术选项。

        SiFotonics 开发的硅光芯片集成了所有相干收发光电功能,可以支持32GBaud 与64GBaud及QPSK与16QAM调制,涵盖100G, 200G 与400G 相干传输应用,通过与新一代7nm CMOS DSP组合,可以为大型数据中心互联及5G城域应用提供”引擎”芯片。

        传统相干技术因其复杂调制及高成本三五族器件而局限于长途干线传输应用。硅光集成芯片规模商用有望突破传统瓶颈,使大批量广泛应用于数据中心互联及5G回传汇聚城域光网络成为可能。

        小结一下:SiFotonics开发的锗硅光芯片已开始在端到端的5G光网络得到应用,可覆盖从5G前传25G,中传50G,回传100G/200G中用到的雪崩二极管芯片,城域数据中心互联的100G-400G相干芯片,及大数据中心內部互联的400G硅光芯片。

        随着大型互联网公司数据中心的高速发展,己经成为超高速光通讯业的主要驱动力。2018年数据中心用100G光收发??橐殉磺?,Arista预测400G光??榻?022年超上一千万只,这种每三年就完成新一代速率切换已成”新常态”。有个别大型数据中心甚至已开始酝酿800G前期产品预研,有可能在2020-2021投入商用。这种高频速率切换主要是由高集成度带来的单位比特成本降低。硅光集成芯片及先进探测将是降低成本,功耗的主要推手。

        随着端口速率逼超800G, 进一步消减功耗成本有可能要打破可插拔??榈拇扯ㄊ?。业内已开始探讨交换路由芯片直接与端口光电收发芯片混合集成的可能性与前景。到1.6T世代,面板可插拔??榭赡芟?,代之以硅光收发集成芯片,及可灵活放置的激光光源阵列。先进探测器如雪崩二极管也会更加有用:可以用3dB的接收增益来减少一半的激光数量,同时降低成本功耗。

        总结:硅光集成芯片在5G及数据中心大有用武之地,并在1.6T世代可能成为”必需品”。先进检测技术如雪崩二极管和相干技术助力传输更远,功耗更低,单位比特成本更低。这些先进技术硅光集成将成为业內主流。传统倚重发射技术而轻检测的定式将被打破,进而取得收发并举的平衡。

        讲师简介

        于让尘博士现任SiFotonics 首席运营官。在加入SiFotonics之前十年,于博士任 Oplink (被Molex 并购) 业务发展副总裁兼光电解决方案事业部总经理,他是推动100G PAM4技术被广泛采用的领导者之一,也是100G Lambda MSA的市场推广联席主席,后者已在加速成为100G及400G+光网络新一代行业标准。加入Oplink之前,于博士曾任索尔思光电 (Source Photonics) 全球副总裁,及飞博创(其被MRV并购后改名为索尔思光电)副总裁。他还在Agility Communications及SDL (都被JDSU并购)任高级管理职位。于博士拥有宾西法尼亚大学固体物理学博士,和北京大学物理学学士学位。

        内容来自:讯石光通讯咨询网
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        关键字: SiFotonics 硅光
        文章标题:SiFotonics先进硅光集成芯片技术在5G和DC中的应用前景
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