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重大突破!国内首款1.6Tb/s硅光互连芯片研制成功

12月27日消息,来自国家信息光电子创新中心消息显示,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联合国家信息光电子创新中心(NOEIC)、鹏城实验室,在国内率先完成了1.6Tb/s硅基光收发芯片的联合研制和功能验证!

要知道,在超级计算、人工智能、5G等新兴技术蓬勃发展,全球数据交换需求爆发式增长的当下,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。在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。

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(以太网联盟预测2023年后数据速率将达到1.6TE)

此次国内首款1.6Tb/s硅光互连芯片在NOEIC完成研制,不仅实现了我国硅光芯片技术向Tb/s级的首次跨越,更为我国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。

1.6Tb/s 硅基光发射芯片

1.6Tb/s 硅基光接收芯片

200Gb/s PAM4硅基光调制器发射眼图

200Gb/s PAM4硅基光探测器接收眼图

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。

5G提速,光模块市场需求倍增

OFweek维科网注意到,随着5G概念的深入落地和场景布局越来越多,基站数量也在逐步上升。从基站建设的角度来看,光模块的的需求会随着5G组网进程的推进而得到释放,尤其是在下游应用对网络环境产生巨大需求后,市场对于光模块和硅光芯片的呼声也越来越高昂。

众所周知,在现代通信产业中,光通信技术是构建通信网络的主流选择,“快”是光通信技术的最大特点。因为在光通信中,信号是以光的形式在网络内进行传播,但使用信号的终端却以电作为信息传递的媒介。因此,光模块就成为了实现两种信号转换,打通整个网络“任督二脉”的关键部件。

当然,从本质上来说,光模块的技术原理就是光电信号转换,通过发送端和接收端两个端口的连接模块,其中发送端把电信号转换成光信号,通过光纤传送后,接收端再把光信号转换成电信号。

在光模块的整体架构上,主要由光电子器件、功能电路和光接口等组成。其中光电子器件包括光发射器件(TOSA)和光接收器件(ROSA),核心结构分别为激光器和探测器。在光模块发送端输入一定码率的电信号,经TOSA中的驱动芯片处理后,驱动激光器发射出一定频率的调制光信号,通过光纤传输后到达另一光模块的接收端,由探测器转换为电信号后,经跨阻放大器和限幅放大器后输出相应码率的电信号。

光模块作为光通信产业中不可或缺的一个环节,其需求量在稳步放大。就目前市场行情来看,特别是数据中心市场上,即使是100G模块也存在供不应求的情况,而10G和40G模块仍然有存量需求,之前的订单积压仍然在出。随着5G应用落地普及,需求上行带动了400G光模块走入商用,更是让800G和1.6Tb级网络成为行业技术创新突破的焦点。尤其是当下从事硅光研究的公司,颇受资本市场的青睐。

巨头环伺,硅光芯片都有哪些玩家

据了解,硅光芯片技术自1969年由贝尔实验室提出以来,就一直受到厂商的广泛关注。IBM、Intel、Sun Microsystems( 后 并 入 Oracle)、NTT/NEC 等公司均设立独立硅光子部门并投入大量资源,和学术界一起对硅光子产业进行深入研究,硅光子产业一触即发。

国外玩家当中,以IBM以IBM为例。2015年IBM就对外展示了一款号称完全整合的分波多任务CMOS硅光子芯片。该芯片的4个laser信道分别以25Gbps的速度在芯片上运作,是以锗光学探测器以及光学解多任务器,将之融合为单一100Gbps电子信号,在需要时进行处理;该电子信号能以干涉仪调变四道芯片外的laser,成为在芯片边缘外行进的光脉冲。

另外一位硅光芯片先行者是Intel,上世纪90年代末Intel就开了一个平面光电路公司,不过却在2004年将该业务悄悄关闭。直到Intel宣布他们的Light Peak技术(后来演变成苹果的 Thunderbolt)能够让高速光链接降到平价。在2015年,Intel推出了一款全新硅光子产品,这个采用内置混合集成激光器+硅调制器的方案可以在数据中心的数据传输过程中提供极大速率。据了解,这款产品不仅价格较低,生产过程也比较容易,该技术有望改善数据中心的数据交换瓶颈问题。

国外还有一家比Intel更早的硅光芯片玩家,如今已被思科收购的lextura。lextura成立于2001年,是全球第一家提供光子器件解决方案的公司。Luxtera的CMOS光子器件都是由CMOS电子学工艺集成,体积比传统的光子器件更小。他们和台积电合作开发的技术可以相比其他硅光方案提供翻倍的性能和四倍的传输能力,支持光互联能力与CMOS电芯片的全面集成,并可以进一步降低功耗和成本。在此之前,Luxtera和Intel一直在用激进定价策略对标以打开光模块的市场缺口。

国内入局硅光芯片的重要玩家也不少,其中之一就是华为。华为本身就是国内通信行业的领头羊,早在2013年就通过收购比利时硅光芯片公司Caliopa加入了战场,后来又收购了英国光子集成公司CIP。

除了华为以外,烽火科技也设立了子公司光迅科技专门研发光通信芯片,其芯片自给率达到95%。不过集中在中低端层面。此外,烽火通信投资的飞思灵公司也专注于光通信系统设备及光模块器件所需的芯片研发设计等。

除了通信厂商以外,还包括了激光巨头华工科技、家电巨头海信,以及新起之秀索尔思光电、易飞扬、海特高新等等。总体而言,全球硅光芯片格局分布中,高端芯片主要还是被掌握在在美国、 日本等企业手里,国内高端硅光芯片自给率依然不足,严重依赖进口。

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