MACOM亚洲首席科学家：在特定领域，硅光集成将是大势所趋

不久前，《电子工程专辑》有幸采访了MACOM亚洲首席科学家莫今瑜博士，她谈到了目前最热门的100G解决方案，更详细地阐述了她对硅光集成产品的看法，以及遇到的一些挑战。

莫今瑜博士还是MACOM光波事业部的高级总监，以及MACOM深圳光实验室的主要负责人。她在光通信技术领域拥有近20年的经验，在光传输系统、高阶光调制格式、可调半导体激光器、光收发器模块和集成封装模式等方面拥有丰富经验。

图1：MACOM光波事业部高级总监兼亚洲首席科学家莫今瑜博士。

100G是亮点，还会向400G乃至更高速率发展

如今的云数据中心每年需要处理约5万亿千兆字节的数据流量，再加上今年物联网的发展，未来需要处理的数据流量会更大。为了满足这种急速增长的带宽需求，各云数据中心都在迅速向100G光互连过渡，“今年最大的亮点就是100G，未来会逐步迈向200G、400G，甚至是1T。”莫今瑜博士表示。

随着速率的提升，光连接方案需要更高的集成度，她解释说，“拿400G来说，现在有3种实现方法：25G×16;56G×8和100G×4。目前业界比较成熟的方案是25G，如果用25G来实现的话，就需要并联16个通道，这样模块就会很大，而且组装会非常辛苦。”

图2：MACOM在今年光博会上展示的100G、400G光互连模块。

因此，厂商其实更愿意集成度高一点，但集成度高的方案研发技术难度会更大。据莫今瑜博士透露，MACOM目前已经在规划100G×4的光互连解决方案了。

在她看来使用100G×4的光互连解决方案，只需要考虑调制器、TIA和驱动器的带宽是否足够就可以了。

而且在今年的光博会上，MACOM带来了100G单波长解决方案。该方案采用了53Gbaud PAM-4技术，单波长吞吐量可达100G。

100G单波长解决方案是由IEEE认可的方法，可显着降低通常安装在光收发器模块中的光学组件数量，并降低成本。

100G单波长在QSFP光模块中实施，可与现有系统实现即插即用的兼容性，从而加速这项技术在客户领域的部署，避免了在大量部署其最终解决方案前开发交换机和路由器的需要。

硅光集成在特定领域将大放异彩

这几年，硅光子技术在光通信行业是最热门的话题，在有的人眼中，硅光子将是光通信走向集成的唯一选择。但在莫今瑜博士看来，“硅光子并不会取代Ⅲ-Ⅴ族，它只是在特定领域，比如数据中心，优势比较明显，但在其他方面并不一定。”

她将硅光子技术比喻为一个还在成长的青少年，还需要一个成熟和完善的过程，不能指望它一下就超过Ⅲ-Ⅴ族等成熟的技术。

莫今瑜认为，硅光子技术还有许多技术挑战需要克服。

首先是激光器和硅光器件之间如何耦合的问题。因为激光器和硅光器件是不同材料，如果没有设计好，耦合好，长期使用可能会出现性能问题和可靠性问题。

其次是光在硅材料内传输时，损耗比在Ⅲ-Ⅴ族材料中要大。需要考虑使用更大的TIA来驱动，还是采取其他办法来如何克服这个难题。

三是如何做到良率满足要求。

四是硅光器件的可靠性。目前业界比较担心　，硅光器件材料的可靠性到底行不行，有没有进行充分的认证。

据莫今瑜博士介绍，为了克服这些难题，MACOM做出了很多努力，也取得了一些成果。

“MACOM的硅材料和工艺，我们做了充分的可靠性认证，能够满足业界标准，而且还会根据客户的额外要求，来多加一些验证。”她指出。

对硅光子技术的前景，她十分看好，认为在某些特定领域肯定是需要走硅光集成的道路的。

对于MACOM硅光子技术的优势，莫今瑜博士表示，“MACOM在去年的OFC上推出了自己的硅光集成平台，该平台适用数据中心，甚至是国内比较火热的接入网。”

她进一步指出，“这个平台有两个核心技术，一个是非气密性封装，一个是无源耦合。这是目前光通信行业最头疼的两个问题。使用我们的这个平台，可以让模块厂家和封装厂家降低他们的组装工艺难度，以及节省测试时间。”

这主要得益于MACOM拥有的端面刻蚀(EFT)技术和商业规模的制造能力。EFT利用晶圆级制造的成本结构优势，克服了传统切割端面(CFT)技术的固有限制，创造出成本和产能的优势，使面向光模块的激光器制造成本显著降低。

图3：切割面技术与刻蚀面技术比较。

据莫今瑜博士介绍，采用CFT的产品必须将晶圆切割成晶条，来形成激光腔的端面，而EFT方法能够进行晶圆级加工，可基于整个晶圆完成激光器的形成。CFT激光器的晶条级测试成本高昂，并且通常只能在室温下进行，而晶圆级EFT激光器可实现每个激光器全温度范围测试，而且是自动化的，效率极高，可以避免在下游对任何有缺陷的激光器进行封装。

由于CFT激光器的固有特性，导致其容易出现影响光发射精度的缺陷，因此，采用CFT激光器的硅光子集成电路需经过繁琐的装配过程，必须采取主动方式将激光器对准硅芯片：首先将激光器上电，通过物理操作改善光耦合，然后锁定到位。这一过程既浪费时间，又成本高昂。迄今为止，通过CFT能够实现的光耦合效率仅为50%。

而凭借EFT技术，激光器面和硅芯片均通过高精度光刻工艺界定，并且EFT激光 器通过专有的自对准(SAEFT)工艺以标准倒装方式贴装到芯片上，这种工艺同时支持边缘发射和表面发射激光器。这种端到端光刻工艺可确保激光器输出和输入波导定位是精确已知的。这既省去了CFT所需的成本高昂且繁琐的机械对准过程，又可确保高达80%的光耦合效率和器件一致性。

图4：刻蚀面技术工艺过程。

与CFT激光器相比，EFT激光器还具有影响硅光子集成电路尺寸和成本的其它优势。CFT激光器需要通过气密封装，来避免在激光器在潮湿环境下工作引起的性能劣化，这一缺陷是因机械切割及随后为激光器面进行晶条级涂层而引起的。而使用EFT激光器时，可对激光器面进行精确的光刻界定，从而为波导表面和激光器面提供连续的保护覆盖，因此无需气密封装。

由于无需气密封装，EFT激光器可显著降低最终元器件的尺寸和成本，并且允许硅光子集成电路直接位于模块电路板上，从而增大了硅光子可实现的互连密度。

莫今瑜博士承认，目前由于硅光子集成电路的量还没有起来，从芯片成本上来看，与Ⅲ-Ⅴ族芯片成本相当，但由于硅光子集成电路的后续封装，组装工艺等要简单许多，总的光模块成本应该是有很大优势的。随着硅光子集成电路出货量的增大，成本有望进一步降低。

她同时指出，MACOM目前可以分别提供Ⅲ-Ⅴ族器件和硅光子集成电路器件的整套解决方案供客户选择。而硅光子集成电路平台主要针对100G到400G的网络。