国内首款1.6Tb/s硅光互连芯片研制完成

本文由半导体产业纵横综合整理

近日，国家信息光电子创新中心（NOEIC）、鹏城实验室、中国信息通信科技集团光纤通信技术和网络国家重点实验室、武汉光迅科技股份有限公司，在国内率先完成了1.6Tb/s硅基光收芯片的联合研制和功能验证，实现了我国硅光芯片技术向Tb/s级的首次跨越。

据介绍，研究人员分别在单颗硅基光发射芯片和硅基光接收芯片上集成了8个通道高速电光调制器和高速光电探测器，每个通道可实现200Gb/s PAM4高速信号的光电和电光转换，最终经过芯片封装和系统传输测试，完成了单片容量高达8×200Gb/s光互连技术验证。

该工作刷新了国内此前单片光互连速率和互连密度的最好水平，展现出硅光技术的超高速、超高密度、高可扩展性等突出优势，为下一代数据中心内的宽带互连提供了可靠的光芯片解决方案。

随着超级计算、人工智能、5G等新兴技术的蓬勃发展，全球数据交换需求爆发式增长，光收发模块市场已达千亿。目前，国际上400G光模块进入商用部署阶段，800G光模块样机研制和技术标准正在推进中。

2021年12月13日，针对1.6T光接口的MSA(Multi-Source Agreement，多源协议)行业联盟宣布成立，宣告1.6Tb/s光模块将成为下一步全球竞相追逐的热点。然而，1.6Tb/s光芯片在速率、集成度、封装技术等方面都具有极高挑战，国际上还没有明确和完善的解决方案。

以太网联盟预测2023年后数据速率将达到1.6TE

1.6Tb/s 硅基光发射芯片

1.6Tb/s 硅基光接收芯片

200Gb/sPAM4硅基光调制器发射眼图

200Gb/sPAM4硅基光探测器接收眼图

此前，国际上也仅有英特尔在2020年展示了1.6Tbps的光子引擎，基于英特尔硅光平台上设计和制造，可提供四个400GBase-DR4接口。

 硅光市场迎来发展机遇

目前，传统光模块主要采用 III-V 族半导体芯片、高速电路硅芯片、光学组件等器件封装而成，本质上属于“电互联”。而随着晶体管加工尺寸的逐渐缩小，电互联将逐渐面临传输瓶颈，在此背景下，硅光子技术填补了技术应用的缺位。

传统的信号传输是电信号，基于硅芯片的光子学技术通过光波导传输数据，而非传统集成电路中用铜互连线传输电信号。

也就是说，硅光技术的核心理念是“以光代电”：采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中。

硅光子集成技术以硅和硅基衬底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作为光学介质，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件（包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等），并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理，以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。

在硅片上用光取代传统铜线作为信息传导介质，大大提升芯片之间的连接速度，能够实现更高的数据速率，也不存在电磁干扰问题，同时达到降低芯片功耗的目的。

根据新思界产业研究中心发布的《2021-2025年硅光模块行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，预计2021-2025年，全球硅光模块市场将以两位数的增速增长，到2025年市场规模将达到58亿美元左右。

2020年，全球硅光模块市场普及率较低，仅为15%左右，在5G与数据中心行业拉动下，预计到2025年其市场普及率将达到45%左右，其中，在高速光模块市场中占有率更高，将达到60%以上。

在海外市场中，硅光模块行业参与者主要有英特尔、思科、Acacia、Mellonax、SiFotonics等，这些企业起步较早，技术水平先进，在全球市场中处于领先地位。

在我国市场中，硅光模块生产企业主要有华为、中际旭创、光迅科技、亨通光电、博创科技等，与国外企业相比，这些企业起步较晚，但发展迅速，现阶段已经陆续推出硅光模块产品，但产品性能与质量与国外产品相比还存在一定差距。

国家信息光电子创新中心一直致力于推动高端光电子芯片的技术演进、国内首产和产业转化。近年来，在超高速光收发芯片技术上获得持续突破，相继研制出一系列新型的超100Gbaud硅光调制器和探测器成果，先后在Nature Communications、IEEE JSSC、ECOC PDP、ACP PDP上发布，并入选“中国光学十大进展”、“中国半导体十大研究进展”，面向Tb/s光模块作出了充分的技术储备。