光子集成（PIC）應(yīng)用前景廣闊

烽火通信 | 曹玲

光子集成（PIC）應(yīng)用前景廣闊

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從市場應(yīng)用看，城域和長途傳送設(shè)備市場在向光子集成的方向發(fā)展,XFP、40G和100G的OTU以及ROADM，包括MUX和DEMUX會成為應(yīng)用的主要領(lǐng)域。

光子集成是近年來光通信產(chǎn)業(yè)的熱門話題之一，是多年來業(yè)界公認的未來發(fā)展方向。但是光子集成技術(shù)提出30多年來，從業(yè)界的商用情況看整體仍舊處于初級階段，還沒有達到規(guī)模商用的條件，究其原因還是受制于光子集成技術(shù)本身的限制和供應(yīng)鏈的單一、不成熟性。本文從光子集成的驅(qū)動力、技術(shù)實現(xiàn)方式、市場應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)鏈幾個角度說明目前光子集成的現(xiàn)狀和進展。

光子集成應(yīng)用四大驅(qū)動

當(dāng)前光子集成應(yīng)用的主要驅(qū)動力來自于以下四個方面。

數(shù)據(jù)中心互聯(lián)需求

云計算的深入推進給數(shù)據(jù)中心帶來新機會的同時，也給光通信產(chǎn)品提出了新的需求。這種新需求表現(xiàn)為數(shù)據(jù)中心內(nèi)互聯(lián)應(yīng)用對低成本和低功耗的需求。在采取超高速方式互聯(lián)時，通常距離要求并不高，對于光系統(tǒng)的線路性能要求遠遠弱于干線和城域應(yīng)用，但是對于光口密度、成本和功耗則比較敏感。

干線超大容量傳輸需求

100G波分系統(tǒng)開發(fā)初期，某些廠家提出10X10G的集成方案，沒有獲得廣泛支持，但是隨著400G和1T需求的顯現(xiàn)，對于板卡的小尺寸和高密度也提出了迫切的需求。

運營商在城域應(yīng)用的現(xiàn)實需求

某些運營商由于歷史原因，在城域范圍以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)到縣一級的運營部門缺乏維護力量，同時也缺乏機房資源，希望能夠?qū)鹘y(tǒng)波分的一些光層功能進行集成，提高設(shè)備集成度，降低占地面積和功耗，便于維護。在這種場景下，傳輸距離要求不高，可以在光的線路系統(tǒng)性能和易用性方面做折衷考慮以滿足現(xiàn)實需求。

光系統(tǒng)自身發(fā)展的需求

目前波分系統(tǒng)大量采用的分立器件堆疊方式，不僅板卡體積大，而且板卡之間需要大量的光纖連接，可靠性低。當(dāng)需要增加波道的時候，通常需要重新調(diào)整多個光層的模擬參數(shù)使得系統(tǒng)達到性能最優(yōu)，對于系統(tǒng)開通和運維都比較麻煩。

總的來說，光子集成是由成本驅(qū)動，為了滿足市場對更低功耗、更高密度和更高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠖霈F(xiàn)的。

光子集成技術(shù)逐步落地

光子集成的分類方式有多種。比較常見的方式是根據(jù)集成的元器件功能是否相同分為水平集成和垂直集成。水平集成指的是將多個同樣功能的光元器件集成在一個襯底上，從而縮小體積。垂直集成是將不同的光元器件集成在一起，從而實現(xiàn)多個功能的集成。從材料選擇上講，水平集成更容易實現(xiàn)。隨著光元器件功能和元素的增多，對材料的限制也越多，不同的元器件越多，對于單一材料的限制就越嚴重，實現(xiàn)的難度也越大。

按照實現(xiàn)集成的技術(shù)方式分類，可以分為單片集成（Monolithic Integration）和混合集成（Hybrid Integration）。其中單片集成指的是在單一襯底上實現(xiàn)預(yù)期的各種功能?；旌霞芍覆捎貌煌牟牧蠈崿F(xiàn)，而后將這些不同的功能部件固定在一個統(tǒng)一的基片上。一般來講，水平集成比較適合采用單片集成方式，垂直集成比較適合采用混合集成方式。但是業(yè)界的長期目標(biāo)還是單片集成。

目前在光子集成領(lǐng)域，各種技術(shù)和實現(xiàn)方式的爭論已經(jīng)過去，從事光子集成的廠家都開始采用越來越務(wù)實的做法來集成產(chǎn)品，比如在InP上應(yīng)用激光器集成比較好，考慮以盡可能高的密度來減少這種昂貴材料的成本。而調(diào)制器在GaA材料上或者LiNbO3鈮酸鋰上效果很好。又比如無源波導(dǎo)的復(fù)雜路由，直接耦合到光纖，在硅波導(dǎo)上做比較容易。但是高密度要求不同的材料，例如SiN和半導(dǎo)體材料，而這些材料容易導(dǎo)致高損耗和串?dāng)_。XFP適合單片集成，激光器、波長可調(diào)、半導(dǎo)體放大器、功率監(jiān)視、調(diào)制等功能需要不同的材料合成到InP材料上。但是最終實現(xiàn)的方式還是取決于廠家的能力和應(yīng)用考慮。例如JDSU和Santur都是采用單片和混合集成方式。SEI、JDSU和Oclaro都是采用XFP作為單片集成產(chǎn)品。而Neophotonics、NTT和U2T用混合集成來做相干接收。Infinera則是采用基于InP材料的集成。

光子集成的潛在應(yīng)用領(lǐng)域

由于光子集成的功能多，密度高，產(chǎn)品一致性要求非常高，特別是采用單片集成方式時要求更為苛刻，導(dǎo)致光子集成產(chǎn)品的成品率低，成本居高不下，限制了大規(guī)模應(yīng)用。

從市場應(yīng)用看，城域和長途傳送設(shè)備市場在向光子集成的方向發(fā)展,XFP、40G和100G的OTU以及ROADM，包括MUX和DEMUX會成為應(yīng)用的主要領(lǐng)域。在波分設(shè)備接口上，除了Infinera以外均沒有采用集成方式的。直到40G和100G的復(fù)雜調(diào)制格式的出現(xiàn)，伴隨著可調(diào)XFP的10G模塊的出現(xiàn)才開始在波分接口上出現(xiàn)集成技術(shù)的應(yīng)用。目前的客戶側(cè)光模塊大部分沒有采用集成技術(shù)。但是對于40G和100G特別是后續(xù)的400G/1T的收發(fā)模塊正在采用集成技術(shù)以達到理想的端口密度要求。對于波分系統(tǒng)線路部分的EDFA和色散補償?shù)绕骷?，還沒有集成的需求，都是采用多信道并行的方式。從網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍看，城域的應(yīng)用會先于干線和長途系統(tǒng)。

從客戶的角度看，確實光子集成可以帶來很多好處。但是總體看來，在100G領(lǐng)域，采用光子集成的發(fā)展勢頭并不明顯，系統(tǒng)設(shè)備制造商會等到400G或者1T時才會考慮大量采用光子集成技術(shù)。

實際上光子集成是個比較寬泛的詞，處于產(chǎn)業(yè)鏈上的公司都有各自的理解和實現(xiàn)方式，但是因為帶寬增長和數(shù)據(jù)中心以及運營商對于高密度、低功耗和體積的驅(qū)動下，大家達成一致的是需要采用多種光子集成的方法以滿足不同的應(yīng)用需求。烽火通信一直對PIC技術(shù)進行跟蹤和研究，也已經(jīng)應(yīng)用PIC技術(shù)到光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中，以降低功耗，降低運維成本，提高系統(tǒng)可靠性，提升端口密度。但從目前的研究分析看，光子集成技術(shù)成品率低，價格昂貴，產(chǎn)業(yè)鏈微弱和單一的現(xiàn)狀并沒有根本改變，規(guī)模商用仍有待時日。