实现更高光电整合度 硅光子奠定400G光网路基础

10多年来，包括英特尔(Intel)、IBM、惠普(HP)、甲骨文(Oracle)及思科(Cisco)等前五百大企业皆致力于矽光子学(Silicon Photonics)技术的研发，目前全稳定朝向商业化发展。由于现有技术已无法提供合乎成本效益的解决方案，100G资讯中心(Data Center)可说是矽光子学在近期内最佳的商业化机会。
Ovum认为，100G网路的矽光子技术商业化是迈向400G以上互连的最佳跳板。虽然走向商业化仍是漫漫长路，但做为铜导线的抗衡者，矽光子技术在供应链中破坏市场的力量已渐渐浮现。  

频宽需求驱动光学元件演进  

资讯中心日益扩大，其结构须调整以增进应用装置效能，同时因扁平化网路结构及对于高处理能力与低延迟等需求，使资讯中心内连接量与频宽急遽增加。  

为满足这些需求，资讯中心营运商将从2016年开始朝100G迈进，此举将带来高度光电整合需求，为入门厂商及材料系统(Material System)敞开机会大门。以现有光学元件技术为基础的第一代100G光网路模组尺寸过大，价格也不菲，因此100G网路的出现将会刺激接下来几代技术持续追求小尺寸、低成本。  

过去10年在矽基光学功能工具组(Toolbox of Silicon-based Optical Functions)的研发工作及资讯中心的100G连接，都带来商业化的绝佳机会。光电需要高度整合以提供小封装、低耗能的解决方案，而矽光子学技术即为满足这些需求的理想选择，商业化将能进一步帮助供应商加速制作过程、测试及包装步骤。  

矽光子整合有助发展400G网路  

几乎所有关于矽光子学的讨论都认为低成本是主要驱动力，但设备的效能才是重点。每个进入光学通讯市场的新技术都须祭出超越现有技术的高效能，才能取得广泛应用。100G资讯中心互联量预计将远远不及现有矽基产品，显然无法满足节省成本需求，因此效能应是首要重点，特别是在需要高度整合之时。  

整合对矽光子学而言是强而有力的资产，更对400G网路充满吸引力。针对能提供类似解决方案的现有技术，业界目前正着手解决此问题，其中光电整合将会是矽光子学最重要的资产，此外，虽然100G网路是理想的进入点，但更高层级的整合则需要400G以上网路，这为矽光电技术带来绝佳机会，趁势拉开与现有技术之间的差距。  

矽光子学带来破坏性力量仍需数年才得以浮现。由于设备厂商正逐渐和光学元件供应行垂直整合(思科与Mellanox即为二例)，加上英特尔与意法半导体(ST)等新进积体电路厂商加入，矽光子学对供应链影响已显而易见，但仍须累积才能真正带来破坏性力量。  

随着资料速率的提升，光学取代铜线传导的能力也跟着提升，但对于如此高频宽的互联需求还须经数年积累。所有条件皆已就位，准备满足市场对更高频宽的需求，而矽光子商业化生态系统也开始建立，但这项技术离正式上市部署，还需要一段时间。  

矽光子市场需求热度攀升  

消费者现正追求“随时随地化(Anywhereization)”。Anywhereization是由电信业者TeliaSonera新创之词，代表在任何装置上都能随时随地以低廉价格使用数位媒体。  

除消费者、公司行号、服务供应商，以及众多企业家以外，设备与元件厂商也正全力争取物联网(IoT)的机会，以及供公司行号使用的云端服务。资讯中心和其网路如今处于需求中心，服务供应商因此须提供快速有效的低成本资讯中心连结，这代表资讯中心中将会需要更高频宽、低延迟的矽光子连接。  

Anywhereization概念需要庞大的资讯中心以及网路互连。像是Google、Facebook、IBM和微软(Microsoft)等网路内容供应商(ICP)正带头提供云端服务，以及消费者连结与企业连结；同时AT&T、Verizon及CenturyLink等传统固网通讯服务供应商(CSP)也正进攻相同机会，两者都将在资讯中心上投入资金。  

Anywhereization带动网路设备市场的两项改变：财力雄厚的全新终端客户崛起(如ICP)(图1)，以及提高对资讯中心内外网路连结的重视。


图1　网路供应链架构的改变 资料来源：Ovum
 
CSP是光学零件的传统终端客户，其支出状况预计会一路持平到2016年。相反地，ICP的资本支出会快速成长，且在2017到2018间超越CSP，双方主要投资对象将会是资讯中心及相关设备。  

枝叶主干式架构改善网路连结效能  

此外，Anywhererization增加终端客户、连线及应用系统数量，同样也增加网路连结支出，并使全球开始重视资讯中心。因此ICP正全力优化资讯中心以支援今日的应用装置；同时资讯中心结构正朝扁平化发展，减少延迟并增加总处理能力，并使用视觉化改善伺服器使用率。  

为达到伺服器框架之间无阻隔、低超额连线的状况，采用枝叶主干式(Leaf-and-spine)架构。在这种架构下，群集透过主干的分支连结，传统三层式(Three-tier Hierarchal)架构中的超额状况可大大改善，每次连线都可达到更多连接以及更高频宽(图2)。  


图2　传统三层式架构与枝叶主干式架构 资料来源：Ovum
重新设计伺服器  

资讯中心伺服器结构正进行调整。伺服器是资讯中心最昂贵的设备之一，且有大量冷却需求。为降低成本并改善效能，储存、记忆、转换和计算等伺服器功能现在经分流个别运作。分解式伺服器(Disaggregated Server)有几个降低成本特点。  

一是针对中央处理器(CPU)等设备的区域性冷却功能，协助减少冷却成本。另一个则是不须替换整套伺服器的升级方式。举例来说，在不须调整记忆体或计算能力的前提下改善储存能力。  

思科、英特尔、微软以及戴尔(Dell)等市场领导厂商皆推出模组化伺服器。此外，由Facebook主导的开放运算计画(Open Compute Project)也以模组化伺服器为主轴。英特尔更将此架构延伸，发展出供此应用装置使用的高频宽矽光学互联技术，而如此高速、低延迟、低成本的互联技术将有助于分解式伺服器达到理想成果。  

资讯中心内部连结面临压力  

除资讯中心之间需要更多且更高频宽的连结，终端客户连线以及资讯中心后端营运也有此需求。不过，连接资讯中心的光纤通常量少价昂，因而需要高频宽连线能力，以及足够的传输频谱。  

资讯中心后端营运需要高频宽连结，以支援备分和负载平衡等处理大量资料的程序。资讯中心与其中伺服器被视为一整套资源，高频宽、低延迟的连结可以帮助资讯中心的网路使用者透过以地域区分的不同单位使用资源。  

 资讯中心加速迈向100G网路  
资讯中心下一阶段的资料速率朝100G前进，且所有距离都会受到影响。在此资料速率之下，光学技术最为适合10公尺以上距离。100 G-meters以下的频宽/距离产品(Bandwidth/Distance Product)通常采用铜导线。有鉴于今日100G是透过十组通道，每组以10G传输，预计铜导线将会在小于10公尺的连线长度被大量使用。  

短距互连  

少于1公里的短距互连通常由多模光纤支援，并采用垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)技术。其光纤输出相当特别，与半导体晶片垂直，此特性在晶片阶段就能完成测试，因而能协助降低成本。其他雷射器采边缘发射，使半导体晶片在进行光学测试前，就先行分配到各个雷射器上。  

VCSEL耗能低，可在雷射光与晶片垂直情况下大量输出，也能在平面阵列上产出。  

在支援短距传输的技术中，距离是唯一限制。频宽/距离产品(Bandwidth/Distance Product)是固定不变的，因此随着资料速率提升，距离也会跟着缩短。IEEE标准(10GBase-SR)在10G的传输距离是220公尺，但收发器供应商已将其增至300公尺及400公尺。IEEE 100G标准(100GBase-SR4)距离则是100公尺。供应商可能还会研发出支援数百公尺的产品。  

当资料速率增加时，雷射设计、测试以及可靠性是短距传输面临的其他挑战。这些雷射直接接受调变，并在每次资料速率提升时经过重新设计。  

中、长距离互连  

中、长距离的传输使用单模光纤。资讯中心日益扩大，目前趋势是使用更多单模光纤，不过因收发器要价较多模光纤高，使用单模光纤的互连成本也因此居高不下。  

雷射是收发器和封装中较为高价的设备，将雷射机连接到光纤更是最为昂贵的程序之一，资料透过直接调变、内部调变机或独立于光源的调变机进行编码。  

中传输距离通常由单一波长支援，透过增加资料速率达到更高频宽。  

在40G及100G中，市场转而使用复合单模光纤的多波长雷射，以达到理想传输资料速率。波长分波多工(WDM)是传统长距传输的技术，现在也加入中传输距离的阵营。有了WDM的加持，收发器的尺寸和成本上升速度比预期还快，须要进行光电整合以调降成本、尺寸以及耗能。  

长距传输使用WDM，利用单模可调连续波雷射，资料则利用调变器编码。此时，因有大量资料传输，成本不再是主要考量，而是效能，成本就分散在诸多应用装置与使用者之中。     

对10G的资料速率来说，传输是连续不断的，此外还包括在单一波长使用的振幅调变。然而对短、中、长程传输而言，100G是不小挑战，亟需新技术和方法。以下是其中问题和解决方案。  

克服多通道100G设计　矽光子学应用潜力看俏  

短距需要多模光纤色带，频宽藉此透过各传输25G的四组雷射达成；同样地，当使用多模光纤时，距离会限制在100公尺内。供应商将过去为10G订定的标准向前推进，预计他们也将如法炮制，将光学技术推进到100公尺以上。  

但即使厂商能提供支援此距离的收发器，在10G能达成的300公尺到400公尺距离，在100G或许仍显不足。有鉴于此，Google和亚马逊(Amazon)等ICP正在研发更大的资讯中心，更寻求能够支援500公尺到2公里的解决方案。  

新的互连方式包括平行单模，或是初级波长多工器(CWDM)以及单模光纤的使用。每种方案都需要多通道的数据传输以及单模光纤的使用，也需要光电整合以达到功率消耗和前板密度需求。磷化铟和矽光子学皆为理想解决方案。  

矽光子学研发者偏好使用平行单模方式，使用一条雷射，并将其能量分成四份。调变器能独立编码资料，并在数千公尺的距离传输。单雷射的作法应较使用四组雷射的方式便宜，但平行单模的成本包含了光纤色带以及单模阵列组合，这些都比使用单光纤的成本来得高。  

平行单模被做为主动光纤缆线使用，制造商得以藉此控制光纤连结终端，带来更低成本的产品。要特别注意的是，采用磷化铟也可达成类似结构，但目前尚未出现这样的设计。  

使用初级波长多工器需要四组雷射多路传输进入单模光纤。此解决方案的成本对需要几十公尺的应用设备来说，也许过高，但对于数百公尺的中距传输却相当管用。  

中距传输(1公里至40公里)同样也在100G碰到挑战，此规格需要四组波长以提供频宽。市场期望使用40G QSFP28等相同封装形式的产品，但厂商发现，在此封装形式下，要整合元件并传输长距(10公里)并非易事。目前，索尔思光电(Source Photonics)已成功在此封装形式下示范10公里的效能，其余供应商则提供达2公里的解决方案。  

长距传输(大于40公里)使用相位调变(Phase Modulation)以及同调接收器。发射器中使用四种调变器，而接收器则需要波导管、高速类比数位转换器(ADC)，以及数位讯号处理器(DSP)。发射器和接收器都需要高度整合才能在小封装下，以低成本提供需要的效能。　  

100G资料速率刺激对独立于传输距离的光电整合需求。整合能减少介面、封包，以及互连数，对于缩减产品尺寸、增加可靠度、降低成本、减少耗能方面也有极大影响力。  

光电整合可说是专为支援100G需求所设计。以光电整合见长的市场领导者英飞朗(Infinera)为例，其已成功研发出在每个磷化铟晶片上支援多重10G和100G的产品，且目前推出的产品皆是使用数百光纤功能整合的晶片，以能在每个晶片达成传输以及接收500G的效果。  

虽然磷化铟在雷射、接收光纤路径，以及电路功能方面是很理想的材料系统，但还是有其挑战与限制。举例来说，其晶片的小尺寸(50毫米到75毫米)限制了每个晶片可以制造的装置数量。此外，相较于其他材料系统，磷化铟十分脆弱，在处理过程中很容易破坏，因此需要特别小心，也须配合相关封装技术。  

矽低成本及整合能力受到瞩目  

电子业在过去50年已开始将矽作为光电整合的材料系统。摩尔定律成功预测到每18个月每一晶片容纳的电晶体数量就会增加一倍，这数字代表计算能力的提升。光子学希望能利用矽基设备及程序来提高整合程度并降低成本。  

矽光子学研究和研发在过去10年已有可观进展，并展示出许多光学设备。目前面临的最大挑战是矽基光源。已有许多将磷化铟为主的雷射与矽整合的方法，使得这项技术扩大商转。  

下一阶段资讯中心互联资料速率是400G。矽光子学预计会在400G网路扮演要角，因为其整合和可延展性是此解决方案的关键元素。矽光子学允许三项要素：资料速率、波长分波多工技术、立体阵列。