光通信未來方向:矽光子現狀及前景解讀

自1958年集成電路問世之後，基於矽材料的CMOS集成電路已經在計算、通信、生物醫療、數字娛樂、智能家居等各行業發揮著不可或缺的作用，是現代社會的信息化「大腦」。而以光為信息載體的光纖通信網絡也承載了全球通信數據容量的90%以上，成為信息社會的「主動脈」。如今，矽光子學開始走進光纖通信行業，正在影響光纖通信產業的走向，改變信息技術的未來。

矽光子技術，即利用CMOS微電子工藝實現光子器件的集成製備，該技術結合了CMOS技術的超大規模邏輯、超高精度製造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢。矽材料不僅是集成電路最普及的材料平臺，還具備優異的光學性能。矽波導對波長1.1～1.6um的光近乎無損透明，可較為理想地兼容光通信現有技術與器件，為釐米至千公裡級的光通信提供了高集成度的解決方案。業界認為矽光子是當今ASIC中最具發展前途的技術領域，是一種能夠解決長技術演進與成本矛盾的顛覆性技術。

近十年來，基於矽光平臺的光調製器、光探測器、光開關和異質雷射器被相繼被驗證，部分器件性能甚至超越傳統III-V和PLC平臺，為大規模光子集成奠定了基礎。隨後，在業界多家微電子與光通信知名企業的共同推動下，矽基光互連、光傳輸、光交換的商用化器件與方案被相繼推出。接下來OFweek光通信網編輯為您盤點矽光子技術的最新進展情況：

1、愛立信牽頭項目研製出矽光子交換機

日前，由愛立信牽頭的IRIS項目已研製出矽光子交換機，在一塊晶片上容納成千上萬的電路。

第一塊晶片現處於測試和參數化階段，如取得成功，將是業界的重大突破，為在單個晶片上集成新一代光纖系統鋪平道路。

矽光子技術中，矽作為超高速傳送和交換數據的微型光學介質，可減少功耗和空間佔用，並增加容量，從而降低運營成本。

作為歐盟第七框架計劃（FP7）研發領域的具體目標研究項目（STREP）之一，IRIS項目由愛立信與歐洲委員會聯合創建，旨在利用矽光子技術，創建高容量和可重構WDM光交換機，實現在單個晶片上整體集成電路。

該類晶片可通過集成大量功能，如高速傳輸、交換、以及在同一晶片實現互聯互通等，幫助網絡運營商提升網絡性能，增加節點容量，滿足未來5G網絡和雲計算的需求。

矽光子技術已經應用於屢獲殊榮的愛立信超大規模數據中心系統HDS 8000，藉助光學互連，HDS 8000可為數據中心運營商帶來許多裨益，例如降低總擁有成本。

愛立信義大利比薩公司的研究人員已經製作並提交了所有相關專利的申請。

該項目由愛立信（義大利）牽頭，其他成員包括意法半導體（義大利）、法國原子能署電子暨資訊技術實驗室（法國）、CNIT（義大利）、特倫託大學（義大利）、瓦倫西亞理工大學（西班牙）、維也納工業大學（奧地利）和電子通信研究院（韓國）。

2、IBM矽光子2秒傳完整張藍光

藉助一種稱之為「矽光子」的技術，來自IBM研究院的工程師們有望解決困擾計算機行業多年的數據傳輸瓶頸問題。

光纖具備超高速數據傳輸能力。這一材料能夠將矽光子與傳統晶片技術聯繫起來。在數據傳輸方面，光纖較銅纜而言無論在速度上還是距離上都具有極大優勢，但由於成本高昂，只有在需要跨越不同建築物、城市或大陸的場合才會採用。

通過一種稱之為「多路復用」的技術，IBM的研究員演示了如何使晶片通過單根光纖收發4種不同顏色的紅外光信號。

目前，單一鏈路的傳輸速率為每秒25Gb，4路一起最高為100Gbps。在這一速度下，一張藍光碟片中容量為25GB的電影只需兩秒即可傳輸完畢。

來自IBM研究院的一位高管表示，大數據和雲端服務的日益普及對計算能力產生了極大的需求，而矽光子技術的大規模商用將會使得半導體行業能夠滿足這一需求。

IBM研究院矽光子部門經理威爾·格林（Will Green）表示，採用四路復用技術能夠將數據中心的光纖成本降低50%。

3、美開發出迄今最小分光器

美國猶他大學的工程師在研製比現有機器快數百萬倍的下一代計算機和行動裝置方面邁進了一大步：他們開發出了迄今最小的超緊湊型分光器，可將光波劃分為兩個獨立的信息通道。這個新裝置使製造利用光而非電子來計算和傳輸數據的矽光子晶片更接近現實。

「光是你可以用來傳遞信息的最快的事物，」猶他大學電氣和計算機工程副教授拉傑什·梅農說，「但這些信息必須被轉換為電子才能進入你的筆記本電腦。而這種轉換會讓速度變慢。」

網際網路依靠光子攜帶信息通過光纖網絡，一旦一個數據流抵達家庭或辦公室終端，光子必須先轉換為電子，路由器或計算機才能夠處理信息。如果數據流在計算機的處理器內保持光的形態，就可能消除這個瓶頸。梅農說：「我們的願景是用光來完成這一切。計算速度最終可提高數百萬倍。」

為此，研究人員在矽晶片上創建了一個更小型的、看起來有點像條形碼的極化分光器，可將引導入射光拆分為二。之前的這種分光器大小超過了100×100微米，而梅農的團隊採用了新算法來設計分光器，使其尺寸縮小到2.4×2.4微米，相當於人類髮絲寬度的五十分之一，已經接近物理尺度的極限，這使得單一晶片上集成的分光器數量有望達到數百萬個。

新型分光器的潛在優勢並不止於提高計算機的處理速度。其設計使用的是現有的製造矽晶片的工藝，因此生產成本更低。此外，由於光子晶片「運送」的是光子而不是電子，內置這種技術的行動裝置，如智慧型手機或者平板電腦，將比現在能耗更低、電池壽命更長、產生的熱量更少。

矽光子學可顯著提高機器的能力和速度，比如用於超級計算機、數據中心的伺服器以及無人駕駛汽車和無人機專用的可檢測碰撞的計算機，並最終「走向」家用電腦和行動裝置，改善從遊戲到視頻流等應用程式。目前英特爾和IBM等公司均在著力研發首個矽光子學超級計算機，但其仍將使用保持部分電子學的混合處理器。梅農認為，他的分光器有望在三年內應用於這些計算機，而對連接速度要求更高的數據中心也可能很快採用這項技術。

4、Intel富士通攜手：矽光子伺服器誕生

富士通通過與Intel的大力合作，已經成功打造並展示了全球第一臺基於Intel OPCIe(光學PCI-E)的伺服器，而其中的核心技術就是Intel苦心研發多年的矽光子(Silicon Photonics)。

富士通使用了兩臺標準的Primergy RX200伺服器，各自增加一個Intel矽光子模塊，以及一顆Intel專門設計的FPGA晶片。後者負責必要的信號調製工作，通過MXC連接器將PCI-E協議以光信號的形式傳輸到擴展盒中。

擴展盒裡同樣有矽光子模塊、FPGA晶片負責接收工作，還有兩個Xeon Phi協處理器和兩塊固態硬碟。

這種設計的美妙之處在於，協處理器和固態硬碟在RX200伺服器看來就如同在內部主板上，而不是外接設備。考慮到光速高達30萬千米每秒，而幾米長數據線上的傳輸延遲也可以忽略不計(每米5納秒)，這就帶來了四個好處：

1、隨意擴充伺服器的存儲容量。固態硬碟、機械硬碟隨便選，唯一的閒置就是擴展盒的體積。

2、增強CPU計算能力。外部的XeonPhi協處理器搭配內部的Xeon E5處理器，計算能力可以輕鬆劇增，而在標準1U機架內幾乎不可能同時放入Xeon Phi。

3、改善散熱。伺服器內部散熱壓力大大減輕，可以降低運行溫度，或者使用更高規格的硬體。

4、提升散熱密度。也就是每立方米空間內所要排出的熱量。

不過，Intel、富士通均未披露會何時將這種伺服器投入商用。

Intel多年前就在矽光子技術上取得了重大突破，建立起全球首個集成雷射器的端到端矽基光數據連接，證明未來計算機可以使用光信號替代電信號進行數據傳輸。

IBM之後很快也披露了自己的「CMOS集成矽納米光子」技術，通過將電子、光學設備融合在同一塊矽片上，實現了晶片間通信從電信號到光脈衝的進化，不過Intel質疑這種做法會存在效率問題，矽光子才是未來。

簡單地說，Intel更像是在現有矽半導體技術的基礎上增加光通信模塊，IBM則力圖一步到位直接整合CMOS、光子。

矽光子技術發展現狀

雖然光子計算的研究沉寂了，但科研單位並未放棄將光線引入晶片世界的努力。很快人們發現用光通路取代電路來在矽晶片之間傳輸數據是很有潛力的應用方向：光信號在傳輸過程中很少衰減，幾乎不產生熱量，同時可以輕鬆獲得恐怖的帶寬；最重要的是在矽晶片上集成光學數據通道的難度不算太高，不像光子計算那樣近乎幻想。於是從21世紀初開始，以Intel和IBM為首的企業與學術機構就開始重點發展矽晶片光學信號傳輸技術，期望有朝一日能用光通路取代晶片之間的數據電路。

以雷射代替電路傳遞數據的技術對普通人來說並不陌生，音頻設備常見的光纖數字接口就是一個典型例子。如今城市新建寬帶網絡已經普遍使用光纖取代了銅纜，大大提升了網絡的接入帶寬。光信號技術有很多優勢，但傳統光學數據設備的體積龐大，難以應用在晶片級的信號網絡中。矽光學技術的目標就是在晶片上集成光電轉換和傳輸模塊，使晶片間光信號交換成為可能。使用該技術的晶片中，電流從計算核心流出，到轉換模塊通過光電效應轉換為光信號發射到電路板上鋪設的超細光纖，到另一塊晶片後再轉換為電信號。

把複雜的光電轉換模塊縮小到納米尺寸，同時還要能用半導體工藝製造不是容易的事情。雖然實驗室中早有成果，但成品的良率和成本一直難以令人滿意。另一方面，2004年後串行數據電路技術飛速發展，PCIe、QPI、HyperTransport等總線技術提供的帶寬達到很高的水平，也降低了業界對矽光學技術的潛在需求。

直到兩年前，業界發現傳統的銅電路已經接近物理瓶頸，繼續提高帶寬變得越來越困難。同時雲計算產業卻對晶片間數據交換能力提出了更高的要求：數據中心、超級計算機通常會安裝數以千計的高性能處理器，可這些晶片的協同運算能力卻受到晶片互聯帶寬的嚴重製約。例如一顆Xeon CPU從與自己直接連接的內存中讀取數據的帶寬高達每秒40G字節，但如果是從另一顆Xeon晶片控制的內存中讀入資料，帶寬就會下降一半甚至三分之二。單顆晶片的性能越強、互聯的晶片數量越多，較低的互聯帶寬就越容易成為性能提升的障礙。銅電路不僅帶寬提升困難，功耗和發熱也不可小視，業界對矽光學技術的需求已經到了迫在眉睫的程度。

幸運的是，經過十餘年的研究矽光子工藝終於到了大規模實用化的程度。Intel和IBM的相關技術現在離產業化只有一步之遙。矽光學技術不僅能大幅提高晶片互聯帶寬，還遠比傳統的銅電路節省能源和散熱需求，對雲計算產業意義重大。雖然在商業化初期使用該技術的晶片成本會很高昂，但習慣了售價數千乃至數萬美元的處理器的客戶並不會在意每塊處理器幾百美元的成本提升。晶片間信號通路改用光路後，大量晶片的聯合計算性能會成倍增長，同時總體能耗明顯下降，大大提高了伺服器集群的效率。

未來前景

在Intel和IBM兩大巨頭的推動下，矽光學技術很快就會在數據中心、超級計算機領域普及。不過在消費級產業這項技術很難有用武之地：智能設備和PC本來就沒那麼多晶片，自然也用不上高大上的晶片間光信號傳輸。新技術將更多以間接的形式影響我們的生活：未來雲計算平臺的性能快速增長可以為普通用戶提供更快更好的信息服務，背後的功臣之一就是矽光學技術。在半導體工藝達到物理極限，革命性的新計算機尚未出現之前，矽光學技術將負責填補空缺，儘可能延續摩爾定律。