北邮张磊：不同光模块解决方案需要找到合适应用场景

5月11日消息（艾斯）在今日由CIOE中国光博会与C114通信网联合推出的大型研讨会系列活动——“2023中国光通信高质量发展论坛”第四期“光芯片与高端器件技术研讨会”上，北京邮电大学研究员张磊就未来光模块和光芯片的需求和发展情况进行了详细介绍与趋势分析。

他表示，根据不同的应用场景（温度范围、速率、传输距离），将需要不同的光模块解决方案。无论是硅光、铌酸锂还是III-V化合物半导体，都需要找到合适的场景。

光模块是实现5G低成本、广覆盖的关键要素

根据工信部统计数据，2022年我国累计建成开通5G基站超过230万个。而光模块是5G网络物理层的基础构成单元，广泛应用于无线及传输设备，其成本在系统设备中的占比不断增高，部分设备中甚至超过50-70%，是5G低成本、广覆盖的关键要素。除了5G对光模块的需求外，数据中心、光接入网对光模块的需求也非常大。

张磊谈到，IMT-2020(5G)推进组在《下一代5G承载光模块》和《 5G承载与数据中心光模块》等白皮书中提到，要加速高速率芯片和低成本光模块研发，并且提升承载设备的差异化方案兼容性。早在2018年的白皮书中，就提出了对5G承载的光模块对光芯片的需求。

他指出，5G有一个比较特殊的应用场景，那就是在前传当中，需要把光模块放在室外，所以对工作温度要求的范围比较高，要求达到工业级（-40~85℃），这对光芯片的设计和长期工作是一个比较大的挑战。采用“商业级激光器芯片+制冷封装”对芯片要求低，但功耗和成本高。“直接采用工业级激光器芯片”，封装简单、功耗和成本低，但25GBaud工业级激光器芯片供应渠道有限。

上述白皮书在2018年曾呼吁，5G光模块存在数千万量级的巨大需求，而我们国家当时的研发与国外存在1-2代的差距，所以需要加快对更高速率、更长距离、更宽温度范围和更低成本的光模块研制。

不过，据张磊介绍，来到2023年之后，我国在25G、50G光模块的量产方面已经达到与国外齐头并进的水平。在100G单波和400G、800G方面我国也已有研发力量的投入，与国外差距不大。在核心光电子芯片方面，不管是传统的化合物半导体还是新型的硅光，我国与国际上都没有明显的差别。

三种光芯片实现平台的技术

张磊介绍说，集成光芯片概念的提出与激光器、光纤是同一个年代，都是在上世纪60年代。与集成电路相比，光子芯片的实现材料平台相对较多，这些平台具有不同的特点，有的适合做有源器件，有的适合做无源器件，而这当中有一个比较重要的参数是“折射率差”，折射率差会非常大地影响芯片设计。

他表示，在硅光（SiP）里面，这个折射率差非常大，所以硅光的器件可以做得很小，弯曲半径可以做到10微米以下，所以硅光最大的特征就是它的集成度。硅材料的获得较为容易，其工艺可以继承微电子的工艺，这些都使得它具有低成本的优势。硅光材料折射率差大，除了可以使集成度更高之外，另一个好处是比较容易控制偏振态，很容易做到偏振旋转、偏振复用。

“同时，折射率差大也存在两个坏处，一是侧壁粗糙带来的损耗大；二是模场直径小，与光纤耦合困难。另外两个硅光比较大的限制是材料本身带来的：间接带隙难发光；以及中心反演对称，难电光调制。”

张磊谈到，硅光子芯片工艺与CMOS工艺对比相对简单得多。目前亚洲与欧洲的硅光MPW工艺普遍为8英寸+180nm/130nm工艺节点（AMF、IMEC、CompoundTek、IMECAS、CUMEC、上海工研院），硅波导极限尺寸在100nm左右，损耗在1.5至3dB/cm；美国硅光工艺线普遍采用12英寸+90nm或更先进节点（AIM、GlobalFoundries），且可集成CMOS电路单元。

第二种光子芯片实现技术是近几年刚出现的一种技术——薄膜铌酸锂（LNOI）。张磊称，铌酸锂作为光子晶体有几十年的历史，但是薄膜铌酸锂这一工艺是在2010年以后由我国山东济南晶正科技公司研制出来。薄膜铌酸锂调制器的优势包括：体积小、稳定性好、带宽大、传输速率高、功耗小、CMOS驱动电压兼容、可实现光集成。根据相关试验研究结果，酸锂调制器与InP调制器的带宽要远大于硅光调制器。

第三种光子芯片实现平台则是目前主流的III-V化合物半导体平台，也即InP光子集成平台。它的特点是所有单元都能做，但是由于其折射率差没有硅大，所以器件比较大，损耗也相对比较大，但功能相对齐全。

国内外产品与研发现状

在硅光方面，张磊介绍了福建泉州宏芯公司，其样品涵盖从100G CWDM4、200G FR4到400G DR4和400G FR4、800G，其中部分产品已经量产。另外是武汉国家信息光电子创新中心，利用NOEIC商用标准硅光工艺平台，实现包覆式PIN结型的锗硅电吸收调制器，能同时提高调制效率和带宽，具有紧凑的尺寸 (1×20μm2)，并且实现了3 dB带宽大于110 GHz及148 Gbit/s NRZ和280 Gbit/s PAM-4速率光信号产生，这两项指标均是国际最高水平。此外他还介绍了香港中文大学以及思科（Acacia）与中国移动研究院在硅光方面的最新研究成果。

在铌酸锂技术方面则介绍了国内的宁波元芯公司，其波导传输损耗可以做到0.23dB/cm，其薄膜铌酸锂调制器带宽可以做到67GHz。在化合物半导体平台方面，张磊重点介绍了infinera推出的1.6Tbps单片集成InP PIC，集成了4个可调激光器，器件封装后的带宽可达到50GHz。

他强调，不同的应用场景（温度范围、速率、传输距离），需要不同的光模块解决方案。硅光、铌酸锂、化合物半导体需要找到合适的场景。“SiP光模块带宽与损耗受限，需要更多的电芯片辅助（预加重、预失真、数字信号处理）。LNOI光模块有自主可控的基底材料，目前没有规模化的代工厂，可靠性与良率待验证。而III-V方案目前仍然是光模块主力方案，在800G、Tbps及CPO后，可能需要与SiP配合。”

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