1965年英特尔创始人之一戈登.摩尔发表了一个著名的论断:当价格保持不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目大约每隔18~24个月增长一倍,性能也将提升一倍,这便是举世闻名的摩尔定律。

摩尔定律在更高的数据传输要求前已不再适用,随着晶体管体积越来越小,电布线的解决方案有其自身极限——提高传输速度时,耗电量会急剧增加,传输距离变得非常短,同时也会遇到信号延迟变大、传输带宽小、信号间串扰大的问题。
新材料?Ⅲ-Ⅴ族和硅基材料哪家强?
石墨烯甚至黑磷等都是很有前景的材料,而当前拥有较为成熟产业链的新材料主要是Ⅲ-Ⅴ族和硅基材料。

作为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体之一,磷化铟(InP)具有
耐辐射性能好、
光子领域:波长为1000nm以上的发射和探测能力;
射频领域:高频RF应用中的高速和低噪声性能。
InP半导体激光器主要是边发射激光器,主要是以下两种类型:
可实现速率在25G及以下,传输距离在10千米以内,适用于数据中心、城域网及接入网。
EML
但是由于InP材料的高成本和与CMOS工艺不兼容的缺陷,InP受到了硅基材料的挑战。基于晶圆和标准化的CMOS工艺,硅基材料不仅具有高调制带宽(>30GHz)的技术特性,在器件尺寸、集成规模和成本方面也具有相当的优势。

目前硅基材料还无法在片上集成激光器,因此只能通过外部光源、贴装光源、混合集成、异质集成等方式,这些方式也带来了散热设计、耦合封装系统损耗大等挑战。
尽管硅光材料拥有一定的先天缺陷,业界还是认为硅基材料可以取代传统的磷化铟方案,尤其是在高速光通信模块的研究领域。
大量科研人员进行了探索,比如:硅掺GeSn, 硅掺Er, 硅纳米颗粒等。当前量子点激光器可能是一个重要的硅基光源解决方案。
硅基材料的一个重要特点就是可以实现高密度、大规模的集成,这对光通信模块的生产效率提升至关重要。
相比于传统分立式器件,硅基工艺不再需要依次封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件,硅光体积大幅减小,材料成本、芯片成本、封装成本均有望进一步优化,同时,硅光技术可以通过晶圆测试等方法进行批量测试,测试效率显著提升。
目前光模块主要应用领域为电信和数据中心信息传输。受益于流量的持续高速增长,以及5G密集组网等新需求的显现,光通信领域对光模块的需求量稳步增长,同时光模块处于10G向100G、100G向400G升级的迭代周期,高速产品的价值不断提升。
硅光材料用于相干光模块的前景
目前出货的硅光模块产品主要分为两大类:
? 数据中心的100G QSFP28 PSM4
引入硅光技术后,调制器和无源光路可以高度集成,大幅节约了芯片成本(光模块中40%是光芯片成本,其中20%左右的激光器成本节约3/4)。
? 100G CWDM4硅光方案
当前的相干产品主要是100G的速率,在光源端采用外部光源+放大器的形式,但是CFP和CFP2这两种封装体积是在太大,并且功耗问题也很严重;硅光方案的优势主要体现在相干调制以及合分波器件的高度集成化,加上完善的温控设计,可以大幅解决相干产品的缺陷。
由于400G技术的要求,需要应用单通道56G或112G速率,但是目前的NRZ技术很难突破单路56G传输速率,主要原因在于56G/112G信号的通道损耗和反射引入代价太大,同时对通道Cross-Talk(串扰)的容忍性极大降低。
目前业界普遍的看法是: 100G时代,硅光技术对并行方案——100G PSM4产品有一定影响;而到了400G时代,硅光在500m距离的400G DR4具有显著优势,长距离则要用到EML调制或者相干技术。
硅光技术以其悠久的研究历史和出色的产业链正成为400G高速光模块的革命起点,与传统的磷化铟方案相比,硅基材料具有与CMOS工艺兼容、易大规模集成的固有优势。
由于电芯片面临的技术瓶颈,当前相干模块有下移至30km到80km的DCI应用场景的趋势;与III-V族材料相比,硅基技术当前的困境在于光源难以在片上集成,因此像COBO等联盟更偏向于光电混合集成。
部分内容引用自:
2. 天风证券《光通信仅土壤,消费需求才是未来》