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深入分析首款采用英特尔独特的激光器集成技术的硅光子芯片

微迷网 ·2019-03-22 21:32·微迷网
阅读:2018

深入分析首款采用英特尔独特的激光器集成技术的硅光子芯片

深入分析首款采用英特尔(Intel)独特的 激光器 集成技术的硅光子芯片

在20世纪中期,半导体产业刚兴起时便有人提出过在硅材料上制作波导等光学结构的想法,但这一领域的真正启动始于20世纪80年代末 至90年代初SOREF Richard和REED Graham等人的一系列早期工作。硅光子领域的基础是硅半导体生态系统,而这个基础则决定了硅光子发展的各个里程碑处处呈现出集成电路(IC)的技术发展和影响的影子。

硅光子的真正产品化是在2010年之后,突出表现为一系列通信系统公司对硅光子初创公司的高价收购。在这期间,有更多的初创公司出现,这些新创立的公司大多把目光瞄准了异军突起的数据中心市场,但目前仅Luxtera有稍具规模的产品销售(产品详情:《MOLEX(Luxtera)硅光子芯片》)。当前的产业化阶段和行业特点对初创公司的发展有着十分严峻的挑战。

目前硅光子较为成功的产品主要应用在数据中心和相干传输两个领域(产业详情:《硅光子技术及市场趋势-2018版》)。从实用主义角度出发,我们认为各种利用了各级别硅半导体工艺和生态系统的、有价值的光芯片产品都可称为硅光子产品。另外,我们还认为其他材料体系(如砷化镓(GaAs)等)仍有其存在的必要性,磷化铟(InP)为基础的光芯片并不会消失或被替代,尤其是在目前硅光子仍极度依赖高性能的InP 激光 器的情况下。在未来相当长一段时间里,硅光子和InP产品都将不断继续进步并互为补充。

值得注意的是:这一轮数据中心的兴起,硅光子并不是唯一的受益者。事实上,使用传统的InP加微光学耦合方案的公司,在数据中心指标降低的情况下,由于其积累多年的技术储备和量产经验,是目前获益最多的。硅光子方案已形成产品的主要竞争者Luxtera和Intel目前以激进的定价为主要武器,并皆以此为机会积累硅光子产品量产经验以面对未来增产和其他可能出现的市场。

在短短几年时间内,英特尔(Intel)就已成为基于硅光子技术的光纤收发器第二大供应商。英特尔之所以取得成功,是因为其在技术瓶颈方面付出了很多努力,例如利用晶圆键合工艺将InP芯片和硅(Si)晶圆集成。这种InP-Si异质混合集成技术在封装方面有很大优势,因为基于InP的激光器材料使用“芯片-晶圆(Die-to-Wafer)键合”,在后端工艺前集成在硅光子晶圆上,解决了后面耦合的问题。

深入分析首款采用英特尔独特的激光器集成技术的硅光子芯片

传统InP方案 vs. 硅光子+InP激光器方案

在最近这一轮数据中心光通信模块采购大潮中,100G 4通道28G小封装可插拔光模块(QSFP28)是最引人注目的产品,也是硅光子真正形成量产的产品,这类产品主要有两类:用于500m以下的4通道并行单模(PSM4)方案和用于2km的粗波分复用(CWDM)方案。这些方案也是未来200G/400G甚至更高速的应用中的基础,有相应的解决方案提议。

据麦姆斯咨询报道,英特尔于2016年推出支持100G通信的硅光子4通道可插拔收发器,计划在2019年下半年将400G产品投入量产。在“第44届欧洲光通信会议(ECOC 2018)”上,英特尔发布了针对5G无线通信的新型100G硅光子收发器。本报告拆解分析了英特尔100G PSM4 QSFP28光纤收发器,它是一款小型、高速、低功耗产品,用于数据通信应用的光互联。

深入分析首款采用英特尔独特的激光器集成技术的硅光子芯片

英特尔100G PSM4

英特尔100G PSM4 QSFP28光纤收发器包含两个独立的模块,每个模块拥有多颗芯片。拆解其中的发射器,我们可以发现:以倒装芯片形式,通过键合技术将多个InP激光器和CMOS芯片集成在主硅片上。硅基光子集成回路(PIC)芯片包含4个马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器,同时使用一个激光器作为光源给4个调制器供直流光。PIC芯片同时集成锗硅光探测器(PD),并一般把4进4出的8个光纤接口做成光栅耦合阵列和光纤阵列块一次性耦合,减少封装步骤。

深入分析首款采用英特尔独特的激光器集成技术的硅光子芯片

英特尔100G PSM4 QSFP28光纤收发器拆解与逆向分析

本报告对英特尔100G PSM4 QSFP28光纤收发器进行详细的逆向分析,包括硅光子芯片、TIA电路、马赫-曾德尔驱动电路、MACOM电路和锗硅光探测器等,并给出成本分析和价格预估。此外,报告还介绍了两个光纤耦合器、聚焦透镜和隔离器,并估算了它们的价格。最后,我们还将英特尔的产品与Luxtera的硅光子产品进行了对比分析。

深入分析首款采用英特尔独特的激光器集成技术的硅光子芯片

InP 激光二极管 - 硅光子芯片(样刊模糊化)

深入分析首款采用英特尔独特的激光器集成技术的硅光子芯片

硅光子芯片工艺流程(样刊模糊化)

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