硅光，行业颠覆者or推动者？( 三 ) _芯片

三
硅光的应用领域和发展方向
云计算、物联网(IoT)、流媒体视频、5G迫使数据中心呈指数级增长且对整个通信网络在能耗，时延，安全可靠等方面有新的诉求。所有这些因素都是硅光产业化的一个转折点。硅光，有望带来一波新的芯片、模块、系统，以满足对更快、更多数据的日益增长的需求。
与传统的电路和系统相比，硅光系统利用光传输更多的数据，效率更高，传输速度更快，同时能耗低。硅光技术提供了一种解决方案，使数据中心内部和之间的带宽传输显著提高和更有效。与通过铜线传输电信号的系统相比，基于光通讯的系统使用光在光纤线路上传输数据更快、更有效。同时多电平脉冲幅度调制（PAM4），先进的光学调制格式，如正交幅度调制（QAM）和正交频分复用（OFDM），以及相干检测技术提高了频谱效率。硅光的覆盖范围从短距离芯片到芯片到局域网(LANs)和广域网（WANs）超过 100 公里的传输距离。对于电信领域，硅光技术增加了在相同光纤线路上传输的数据量，而不需要扩展光纤电缆。对于距离通常小于 80 公里的数据中心互连，硅光承载了更高的容量和更有效的数据传输。
随着新技术的不断发展，硅光子学技术将使半导体、芯片、光学元件和整个数据系统的新设计成为可能。这些新的光学元件将比传统的电子系统提供更高的带宽、更高的功率效率和更快的速度。
图 8：硅光的应用领域
在目前来看，大部分的硅光模块是应用于数据中心和城域骨干网领域，占比几乎超过 90% 以上。而随着 5G 规模商用的临近，仅 5G 前传就有约 5000 万只 25G/50G 光模块的需求，5G 对传输速率，超低延时、高稳定性是最基本的要求，这些无疑都是硅光技术最擅长的领域。
业内普遍也认为硅光技术的高度集成特性在对尺寸更加敏感的消费领域将会存在更大需求，比如智能传感、智能驾驶、激光雷达、量子通信等领域有很大的发展空间。
但是由于整个产业链还处于发展早期，整体出货量低，无法实现 CMOS 大规模生产带来的成本效应，也无法支撑良率提升和生产制造工艺的优化。在成本，功耗和性能上，与传统光模块产品相比并未显示颠覆性优势。但是整体光模块行业以每年 10%的年复合增长率扩张，硅光的份额也水涨船高，逐步有提升。
硅光的优势是集成化，那么终极目标是不是就是把目前光模块中的有源器件，无源器件，电路都集成在一起呢？在 2018 年 OFC 上看到亨通洛克利展出的一款硅光芯片：激光外置，在交换芯片上集成了光收发的功能，相当于把光模块与交换机芯片的距离无限拉近在一起。
图 9：源自OFC 2018 亨通洛克利展示
Co- 固然有很多好处，正如在 2019 年 OFC 的 PIC指出的那样：
“它可以实现电路和光路部分分立的高速，高带宽设计，通过集成连接器和光路部分的组合可以实现自动化大规模生产，多通道扩容并能使用到电封装中先进的电路和散热封装技术。”
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图 10：源自在 2019 年 OFC 的 PIC的演讲稿
但还应考虑到 Co- 后将面临的重重测试验证挑战，首当其冲的就是信号完整性和电源完整性问题，集成度超高以后还需考虑到测试时的探测问题，模块的散热问题以及整合测试等：
结束语
虽然硅光芯片产业面临着诸多困难，但不可否认它广阔的市场前景。现在所面临的一系列技术问题，正在慢慢得到解决。国内首款商用“100G 硅光收发芯片”取得的突破性进展，预示着芯片层面的“光进铜退”将是大势所趋，硅光技术实现规模商用化未来可期。一些主流公司纷纷开始通过各种方式布局硅光子芯片、器件，一是可预见到的市场机会，二是也需要优化自身产品结构，从而形成竞争优势。然而面临产量，良品率，生产工艺等至关重要的问题，我们也会发现硅光并不是颠覆者，也许在未来的 5-10 年间，它会和 III-V 共存相当长的一段时间，但是硅光对于推动光通信行业发展的巨大影响力却是毋容置疑的。