日本NTT | 数据通信和电信领域硅基光电子技术的进展

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引言

硅基光电子技术在电信和数据通信行业已成为变革性技术，实现了光学和电子组件在硅平台上的前所未有的集成。本文探讨了NTT创新器件公司在硅基光电子领域的最新发展，重点说明了这项技术如何重塑下一代网络和计算系统的连接解决方案[1]。

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硅基光电子的发展历程

光电子技术与电子技术在硅平台上的融合代表了近年来最重要的技术进步之一。硅基光电子利用半导体行业成熟的制造基础设施，同时提供光通信的高速、低功耗优势。随着数据速率持续呈指数级增长，特别是在人工智能和云计算应用中，传统的铜线互连在带宽、功耗和传输距离方面面临根本性限制。

光电子融合(PEC)的出现对解决这些挑战具有核心作用。NTT创新器件开发了一个全面的路线图，说明了光学和电子组件从长距离电信到芯片级互连的逐步集成。这一战略愿景包括多代技术，从面向长距离、城域和数据中心互连应用的PEC-1开始，逐步发展到更集成的解决方案，如PEC-2、PEC-3，最终实现面向芯片间通信的PEC-4。

图1：光电子融合(PEC)路线图显示了从较长距离应用到较短互连的演进，以及从2025年到2032年相应的技术实施。

自2022年11月ChatGPT推出以来，光通信市场动态发生了重大转变。在这一人工智能突破之前，行业内新速度节点的采用相对缓慢，100G/通道PAM4技术已达到成熟并优化功耗效率。然而，人工智能应用的爆炸性增长大大加速了对更高带宽的需求，200G/通道技术正在迅速部署，并且400G/通道光学和电气接口的讨论也正积极进行中。

图2：比较ChatGPT在2022年11月推出前后的市场趋势，显示人工智能计算需求推动了高速光接口的加速采用。

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面向电信的硅基光电子

电信网络比数据中心应用需要更高的带宽、更远的传输距离和不同的波长带。在这里，使用16QAM等先进调制格式的相干通信变得必不可少。相干光收发器的演变说明了硅基光电子集成的变革性影响。

早期相干系统类似于大型"盒子"设备，光学和电子组件分别组装在基板上。这些体积庞大的实现方式在尺寸、速度和功耗方面面临基本限制。硅基光电子与先进数字信号处理器(DSP)的集成使得更紧凑的实现方案成为现实，提供更高的性能和更低的功耗。

图3：相干光收发器从体积庞大的分立实现到紧凑集成解决方案的演变，展示了通过硅基光电子集成在尺寸、速度和功率效率方面的显著改进。

这种技术演变在比较2002年的第一个40G原型系统与当前的400G商业产品时得到了生动的展示。第一代40G相干系统需要完整的设备机架和复杂的光纤布线，而现代400G相干解决方案适合仅长8厘米的小型可插拔形态。这种显著的小型化是通过7纳米相干DSP芯片与硅基光电子相干光学组件(COSA)的紧密集成实现的。

图4：比较第一代40G相干原型(2002年)和当前400G商业产品(2021年)，展示了硅基光电子集成实现的显著尺寸减小。

NTT创新器件开发了诸如400G COSA(相干光学组件)等创新产品，这是全球首款用于相干通信的光纤尾纤BGA(球栅阵列)封装器件。这种紧凑的器件将硅基光电子与驱动器和TIA组件集成在一个仅10.5 x 13.5 x 2.2毫米³的封装中。BGA封装允许与其他电子组件一起使用标准SMT(表面贴装技术)回流过程组装。

图5：400G相干光学组件(COSA)，展示了全球首款光纤尾纤BGA封装，将硅基光电子与电子组件集成在紧凑形态中。

为实现更高的数据速率，NTT开发了800G相干共封装解决方案，该方案利用相同的光纤尾纤BGA封装方法，同时将DSP放置在同一基板上。这种集成在封装基板中嵌入了高速模拟线路，以有效处理800 Gbps传输的扩展带宽要求。该封装提供足够的带宽，3dB带宽超过65GHz，这通过电光(EO)和光电(OE)响应测量得到了证明。

图6：800G相干共封装解决方案在同一基板上集成DSP，具有嵌入式高速模拟互连，用于高效带宽处理。

展望未来，NTT正在积极开发1.6T相干解决方案。这一下一代技术面临多种技术挑战，包括用于更高波特率的DSP设计、高速模拟IC开发，以及关于最佳光学技术平台的问题。虽然硅基光电子在当前数据速率下已证明有效，但可能需要替代材料或混合集成方法来满足1.6T相干通信的雄心勃勃的性能目标。

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面向数据通信的硅基光电子

数据中心互连应用比电信有不同的要求，更加强调成本效益、功率效率和高体量可制造性。该领域的两个关键发展是光电共封装(CPO)和推向400G/通道接口。

随着数据速率的提高，光学互连的基本优势变得越来越明显。电气与光学连接的比较表明，电气接口的功耗随传输距离呈指数增长，特别是在更高频率下。在20GHz时，PCB板距离仅20-30厘米的电气互连的功耗变得过高，而光学连接不论距离如何都保持一致的低功耗。

图7：不同传输距离和频率下电气和光学互连功耗比较，展示了光学解决方案在高带宽应用中的明显优势。

光电共封装(CPO)代表了系统架构的根本转变，将光学引擎放置在靠近交换ASIC的位置，以最小化电气走线的长度。这种方法已从传统的前面板可插拔(FPP)光学发展到近封装光学(NPO)，现在发展到真正的共封装解决方案。CPO的主要动机是实现更低的成本和功耗，特别是对于高基数交换系统。

图8：光学互连架构从前面板可插拔到近封装光学再到共封装解决方案的演变，说明了光学与交换ASIC的渐进式集成。

NTT创新器件开发了CPO解决方案，与传统可插拔光学相比提供了显著的功率节省。他们的方法使用线性驱动光引擎，配合专为共封装应用优化的XSR(超短距离)SerDes，以及高效液冷。他们的设计采用带有LGA插座接口的微型光学引擎，与永久焊接的解决方案相比，在可测试性和可修复性方面提供了关键优势。

图9：NTT的共封装光学实现，展示了首个原型和开发中的先进形态，具有带LGA插座接口的可拆卸光学引擎。

对于未来的400G/通道应用，PAM4调制在O波段的带宽要求达到约112GHz，为光学组件带来了重大技术挑战。NTT概述了三种满足这些严格规格的潜在方法：

• 从硅基光电子转向独立的薄膜铌酸锂(TFLN)或磷化铟(InP)解决方案，这些解决方案提供经过验证的性能，但在可扩展性和尺寸方面面临问题。
• 利用硅基光电子作为集成薄膜铌酸锂或磷化铟组件的平台，可能提供良好的整体性能和可扩展性，尽管集成技术尚未完全确立。
• 最大化纯硅基光电子性能，这将提供最可扩展且可能成本最低的解决方案，尽管面临硅的物理限制带来的挑战。
  
  

图10：比较400G/通道光学解决方案的不同方法，评估硅基光电子与替代材料平台和混合集成策略。

OFC 2025的最新演示展示了硅基光电子在更高数据速率下的有希望的结果，使用硅基光电子调制器实现320 Gb/s PAM4传输。这一成就表明，即使在400G/通道应用所需的极高带宽下，纯硅基光电子解决方案可能确实证明可行。

图11：使用硅基光电子调制器演示320 Gb/s PAM4传输，显示将硅基光电子扩展到更高带宽应用的潜力。

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未来展望与行业合作

硅基光电子技术的持续进步需要协作的行业生态系统。NTT创新器件强调建立稳定和开放的硅基光电子开发生态系统的重要性，定期交流关键主题，如晶圆级封装、异质材料集成和2.5D/3D封装方法。

随着数据速率继续增加和带宽需求呈指数增长，特别是由人工智能应用驱动，硅基光电子将在电信和数据通信基础设施中发挥越来越核心的作用。光学和电子组件的渐进式集成有望提供下一代网络所需的性能、功率效率和密度，从长距离电信到先进计算系统中的芯片级互连。