北大教授王興軍：硅光市場(chǎng)將迎迅猛發(fā)展，更高集成度是重點(diǎn)

  ICC訊 “科創(chuàng)V計(jì)劃——燕緣科創(chuàng)大講堂”由北京大學(xué)校友會(huì)指導(dǎo)，北京創(chuàng)業(yè)投資協(xié)會(huì)與北大校友“燕緣雄芯”平臺(tái)、北京大學(xué)科技創(chuàng)新校友會(huì)聯(lián)合主辦，將每周一個(gè)小時(shí)線上深度分享，聚焦科創(chuàng)話題，傳遞科創(chuàng)星火。

  10月23日，“燕緣科創(chuàng)”第26期邀請(qǐng)了北京大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、電子學(xué)系副主任王興軍，分享了《硅基光電子集成芯片 — 光電融合的核心技術(shù)》。

  王興軍，北京大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，電子學(xué)系副主任，區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，信息與通信研究所副所長(zhǎng)。

  以下是直播分享內(nèi)容概要：

  硅基光電子技術(shù)是利用硅或與硅工藝兼容的其他材料，開發(fā)以光子、電子為載體的微納量級(jí)信息功能器件，并將它們?cè)谕还枰r底上大規(guī)模集成，形成一個(gè)完整的具有綜合功能的新型芯片單元。

  硅基光電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“光電融合”的最佳方法，早在上個(gè)世紀(jì)60年代就提出，但受限于硅自身發(fā)光效率低、無(wú)法做成光源的致命缺點(diǎn)，一直沒(méi)有進(jìn)展。80年代，美國(guó)Soref 教授提出了硅基光電子集成概念，2004年 Intel報(bào)道了1Gb/s速率的硅基調(diào)制器，2003年后，逐步的研究中發(fā)現(xiàn)探測(cè)器可以用鍺來(lái)做，硅基激光源方面用三五族材料來(lái)做部分解決了硅本質(zhì)問(wèn)題，逐步做到了部分集成。

  2016年，Intel最早做出100G硅光收發(fā)器投以商用，之后很多產(chǎn)品以及公司相繼出現(xiàn)?，F(xiàn)在可以做到400G，未來(lái)可能做到1T或者更高。目前主要在數(shù)據(jù)中心和通訊應(yīng)用，未來(lái)在傳感、計(jì)算等領(lǐng)域還會(huì)有更多的應(yīng)用。

  硅基光電子學(xué)市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，預(yù)估2019年市場(chǎng)有4億多美金，2025年有40~50億美金，年增長(zhǎng)率約40%。主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)閿?shù)據(jù)中心光模塊、長(zhǎng)距光傳輸模塊、光互連、5G光模塊、無(wú)人駕駛LiDAR、免疫測(cè)試、光纖陀螺等。

  目前，硅基光電子集成技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)相對(duì)成熟完整，仿真軟件、設(shè)計(jì)公司、驅(qū)動(dòng)電路、研發(fā)線、封測(cè)、光器件光模塊、設(shè)備商、運(yùn)營(yíng)商等領(lǐng)域都有相應(yīng)的一系列公司出現(xiàn)。硅光遵循微電子的腳步發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈逐漸分化，無(wú)晶圓廠的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)已經(jīng)形成。相比較，硅光產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)速度比微電子快2倍，當(dāng)前專注于硅光IP開發(fā)和模塊生產(chǎn)、封測(cè)的公司已經(jīng)陸續(xù)成立，20年后，硅光產(chǎn)業(yè)的成熟度將接近微電子。

  目前，硅基光電子主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

  1. 數(shù)據(jù)中心方面應(yīng)用

  我國(guó)在部署七大新基建，包括5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等直接投資將達(dá)10萬(wàn)億元左右，帶動(dòng)投資累積或超17萬(wàn)億元。

  其中，5G基建和大數(shù)據(jù)中心投入很大，與硅光有密切聯(lián)系。大數(shù)據(jù)中心主要由交換機(jī)、服務(wù)器以及用于硬件互連的光電子芯片、光模塊組成。處理器之間，交換機(jī)之間，都要用到光連接，光連接的速度會(huì)越來(lái)越快。5G應(yīng)用方面，光電子芯片、光模塊是實(shí)現(xiàn)5G高速、低延時(shí)通信的核心技術(shù)，也是5G低成本、廣覆蓋的關(guān)鍵。

  Alibaba Network & Optics Roadmap

  從阿里的roadmap可以看到帶寬從2013年的40G到2019年實(shí)現(xiàn)400G，平均每?jī)赡攴环?023年預(yù)計(jì)達(dá)到1.6T，但新的標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有制定下來(lái)，還有很多研究?jī)r(jià)值和空間。

  數(shù)據(jù)中心方面還有一些比較偏學(xué)術(shù)的研究方向需要解決，主要包括：電泵CMOS兼容硅基光源問(wèn)題、Tb/s速率、功耗問(wèn)題、高速多通道光子集成陣列問(wèn)題、電光單片集成問(wèn)題、波導(dǎo)損耗和放大問(wèn)題、共封裝技術(shù)等。

  2. 5G通信方面應(yīng)用

  繼數(shù)據(jù)中心之后的下一個(gè)有希望部署硅基收發(fā)機(jī)的場(chǎng)景為5G前傳模塊。Intel的100Gbps已經(jīng)初步應(yīng)用到5G前傳中驗(yàn)證。歐盟地平線2020項(xiàng)目“Teraboard”，針對(duì)5G基站之間處理單元，芯片間的高速互聯(lián)提出了Tbit高速互聯(lián)集成光電架構(gòu)。目標(biāo)實(shí)現(xiàn)ASIC處理器芯片間Tbit級(jí)高速互聯(lián)。該架構(gòu)采用3D TSV封裝方式實(shí)現(xiàn)光電芯片融合，芯片間互聯(lián)通路采用PLC多層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

  3. 光通信方面應(yīng)用

  目前光通信方面的應(yīng)用發(fā)展方向是超高傳輸速率的瓶頸突破、長(zhǎng)距離傳輸方案的比較(直接檢測(cè)/相干檢測(cè))與新型材料的硅基光通信系統(tǒng)探索。

  北大張帆老師團(tuán)隊(duì)基于單個(gè)硅基調(diào)制器，可以實(shí)現(xiàn)200Gb/s甚至更高的但波長(zhǎng)傳輸速率。

  高速率硅基IQ調(diào)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場(chǎng)景中優(yōu)勢(shì)明顯。2020年初，Acacia宣布出樣包括400ZR, OPENZR+和Open ROADM MSA的多種400G 可插拔硅光相干模塊，并稱將繼續(xù)擴(kuò)大相干技術(shù)在更短距離中的應(yīng)用。

  當(dāng)前的相干產(chǎn)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這兩種封裝體積過(guò)大，并且功耗問(wèn)題也很嚴(yán)重。硅光方案的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在相干調(diào)制以及合分波器件的高度集成化，加上完善的溫控設(shè)計(jì)，可以大幅解決相干產(chǎn)品的缺陷。硅光子集成芯片的規(guī)模商用有望使得相干技術(shù)降低成本，進(jìn)而下沉到核心與匯聚層。

  中山大學(xué)蔡新倫教授和華南師范大學(xué)劉柳教授團(tuán)隊(duì)做的新型大帶寬、高速片上LN調(diào)制器(SiP+LN)，獲得70GHz帶寬，實(shí)現(xiàn)超過(guò)100Gb/s速率傳輸。

  北京大學(xué)和UCSB合作基于AlGaAsOI實(shí)現(xiàn)新型低功耗、高效率的片上光頻梳。在非常小的閾值下實(shí)現(xiàn)光梳20μW。

  4. 人工智能方面應(yīng)用

  深度學(xué)習(xí)硬件方面遇到很多問(wèn)題，運(yùn)算量越來(lái)越大，反復(fù)運(yùn)算，能耗速率都會(huì)受到制約。光的功耗低，速度快，理論上可以解決深度學(xué)習(xí)中電的功耗和速率瓶頸。2017年，MIT提出了一種全新的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這種架構(gòu)在理論上，相比于傳統(tǒng)的電子設(shè)備，可以大大提升計(jì)算的速度和功耗。他們將這種光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于一套可編程的納米光子處理器中，利用光子芯片的全光矩陣乘法實(shí)現(xiàn)了這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

  這種設(shè)計(jì)的芯片用于語(yǔ)音識(shí)別，經(jīng)過(guò)深度學(xué)習(xí)后，通過(guò)對(duì)可編程硅光電子芯片的訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了76.7%的語(yǔ)音識(shí)別率，實(shí)驗(yàn)中識(shí)別的準(zhǔn)確率可以媲美當(dāng)前在計(jì)算機(jī)中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得到的結(jié)果，同時(shí)能量消耗和速度性能優(yōu)于當(dāng)前的微電子系統(tǒng)。

  2019年，英國(guó)牛津大學(xué)基于氮化硅微環(huán)結(jié)構(gòu)和相變材料，利用波分復(fù)用結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全光類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具備監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)能力。通過(guò)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了對(duì)15個(gè)像素點(diǎn)圖片的識(shí)別。

  5. 其他方面應(yīng)用

  激光雷達(dá)也是硅光有很大發(fā)展的方向，光學(xué)相控陣方案具有慣性(精度高、可控性好)、寬視角掃描、便于小型化等特點(diǎn)。加利福尼亞大學(xué)的Ben Yoo課題組通過(guò) 3D集成方案，將發(fā)射機(jī)中的相控陣及電控模塊集成在里一起;MIT的Watts組也報(bào)道了基于相干方案的集成相控陣報(bào)道;今年，三星電子在CLEO上報(bào)道了他們的集成相控陣樣片，其中還將片上放大器也集成了上去，能夠?qū)崿F(xiàn) 40m的探測(cè)距離。

  光學(xué)相控陣方案的激光雷達(dá)當(dāng)前系統(tǒng)層集成主要集中在相控陣及電控模塊本身，距離實(shí)用還需要在一些關(guān)鍵器件上取得突破。

  除了激光雷達(dá)應(yīng)用，集成光學(xué)陀螺儀也是重要的應(yīng)用 之一。2018年，caltech就報(bào)道了目前世界上尺寸最小的光學(xué)陀螺儀芯片，它的尺寸是傳統(tǒng)MEMS陀螺儀的500分之一，同時(shí)可檢測(cè)的薩格納克相移也是原來(lái)的30分之一。

  在光傳感方面，依托成熟的 CMOS工藝，今年許多課題組也報(bào)道了許多相關(guān)工作，例如溶液氣體成分的檢測(cè)、生物檢測(cè)、量子自旋態(tài)檢測(cè)等。

  我是在北京大學(xué)電子學(xué)系區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心，我們團(tuán)隊(duì)大概有30人，主要研究以光子和電子為信息載體的大規(guī)模集成芯片和信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在各種尺度上的感知、互連和處理，研究?jī)?nèi)容包括高速硅基光收發(fā)芯片和系統(tǒng)，微波光電子芯片與系統(tǒng)，硅基片上光放大器與激光器，硅基傳感/二維材料/非線性等新型器件。

  我們已經(jīng)掌握了幾十種硅基光電子單元器件/芯片，以及和光子芯片相配套的微電子芯片的設(shè)計(jì)、流片和測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)。

  從最近兩年的OFC和IEDM會(huì)議、以及高影響論文情況來(lái)看， 國(guó)際上硅基光電子發(fā)展的趨勢(shì)是依托于硅基CMOS平臺(tái)， 大規(guī)模的集成化。我國(guó)最近幾年在微電子和光電子方面加大投入，需要這兩個(gè)領(lǐng)域真正的協(xié)同攻關(guān)。硅光的市場(chǎng)將在未來(lái)幾年迅猛發(fā)展，更高的集成度將成為未來(lái)十年硅光在數(shù)據(jù)中心的重點(diǎn)，另外新的應(yīng)用(傳感，量子計(jì)算通信，醫(yī)療)將不斷涌現(xiàn)，成為新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

  Q&A

  問(wèn)：英特爾是目前最早商用的么?不知能做到的大規(guī)模商用最高速率是多少?聽(tīng)說(shuō)良率仍然在一半以下?

  答：一些小公司在Intel之前有一些，但是大規(guī)模能夠提供商用產(chǎn)品的還是Intel，速率是100Gb/s，目前相干最高可以做到400Gb/s。良率確實(shí)是個(gè)問(wèn)題，是不是一半以下沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，這涉及到波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)，不同器件工藝、封裝等問(wèn)題，都會(huì)有影響。

  問(wèn)：王老師，您對(duì)海信和光迅做的硅光芯片評(píng)價(jià)如何?

  答：做的挺好的，光模塊廠商認(rèn)為400G是個(gè)拐點(diǎn)，未來(lái)速度越來(lái)越高，硅光的優(yōu)勢(shì)才能得以體現(xiàn)，但是也不能說(shuō)硅光可以完全替代三五族材料，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的問(wèn)題是，基本上還是依靠國(guó)外工藝平臺(tái)，目前國(guó)內(nèi)也有幾個(gè)工藝平臺(tái)在建，希望能解決這個(gè)問(wèn)題。