2013/06/27 矽光子學引領100G網路－真乄科技業的頂尖投資團隊

當我們淘汰掉純手工組裝內含數百個光學組成的可靠元件，而轉向矽光子技術之際，業界將進入一個美好新世界；另一方面，交換網路從10G提升至100G，甚至最終達到1TB時，也將面臨嚴峻的矽光子技術挑戰。有些光學功能易於用矽晶實現，有些則否。我們不能也不應該把一些舊元件混搭在同一個矽晶片中而搭建出一個不純粹的矽光子方案。事實上，我們必須將整個光學引擎整合在矽晶平台上。

光學引擎可處理多個高速電通道、將其轉換為光訊號、再將這些通道的資訊組合在一起、並透過一條光纖將這些資訊傳送到任何地點──從近到下一個機架遠至橫跨整個資料中心另一端的距離。在接收端，光學引擎將接收到的光流分離為不同通道、再轉換回電通道。在資料中心，光學引擎用於連接叢集交換機和路由器的一種功耗最低、體積最小的可插入收發器技術；光學引擎還用於連接伺服器和交換機的主動光纜。此外，光學引擎很快地還將內嵌於入中夾板(mid-board)以降低板對板應用的功耗以及增加密度。

但是，要在本來用於實現電氣功能設計的CMOS平台上整合光學功能會遇到許多挑戰。讓我們看看各關鍵的光電功能及將其完全整合在一個CMOS平台所面臨的挑戰。

雷射器：雷射器為光學引擎提供光源，但一些資料中心用雷射器售價不菲。Kotura公司已使用低成本低速雷射器開發出晶片功能。雷射器是一種尚未實現單晶片整合的光學元件，但雷射器和陣列覆晶晶片焊接技術的最新發展，已使其成為一種大量的低成本製程。晶片功能去除了雷射器子元件傳統上所需的任何鏡頭、隔離器和光束準直器。Kotura的雷射器設計去掉了昂貴的密封包裝。在自動組裝平台上，只需幾秒就可對雷射器陣列進行整佈並將其焊接到矽光子晶片上，而且還克服了將低成本光源整合在晶片中的棘手難題。

光纖網路的真正價值在於能將多個波長的光組合成同一條實體通道的能力。對100G互連來說，我們使用這種稱為分波多工(WDM)的平行性，把4個波長的光組合在一條光纖上。當然，四條平行光纖通道也能運作，但這增加了網路成本、也浪費了光纖頻寬。分波多工使我們得以使用同一資料中心架構進行擴展，以便在未來支援更多通道。

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圖1：分波多工解多工器的抽象視圖。在轉換成電訊號前，中階光閘對具有不同光波長的許多平行通道上的輸入通道進行分離。

因為分波多工既需要特定波長雷射器又需多工器，所以用矽光子學來實現並非易事。儘管如此，我們也不希望使用電信網路中常用的昂貴特定波長雷射器。一個更好的方案是使用通用雷射器，並透過在矽晶片上整合光閘反射鏡將通用雷射器轉換成特定波長雷射器。透過改變反射鏡的位置，Kotura將每個增益晶片變成一款獨特的特定波長雷射器。

調變器和檢測器

調變器：成本最低、最有效的方案是直接將電通道轉換成光通道。這意味著調變器必須工作在最高的電氣數據速率，才能完成轉換。100G網路實體上是由四條25G電通道(全部網路元件都將其視為100G通道)建置的，所以調變器起碼不能低於25G。還有其它方面的限制：驅動電壓必須相容CMOS；在25G，調變器必須具有強大消光比；必須低功耗；必須作業於寬光譜；體積一定要小。

Kotura已開發出的電吸收(EA)調變器僅為傳統Mach-Zehnder單一干涉儀(MZI)式調變器的1/25。EA調變器僅長55微米；而MZI式調變器的長度為毫米級。這種小尺寸減少了驅動電容器(小於25fF)、降低了功耗。另外，驅動器可由純CMOS實現，而這種調變器可工作在40GHz及更高。

分波多工器：在四個調變器將電訊號轉換成光訊號後，必須將它們組合成一個單一波導。Kotura使用一個損耗低，體積小的中階梯光閘來實現該功能。雖然目前只需四個通道，相同的分波多工中階光閘在未來更易於組合40或更多條通道。在接收器側，一個多工分解器起著相反作用，它將一個光流分解為四個獨立波導。

檢測器：四個整合鍺檢測器將電訊號轉換為光訊號。與調變器一樣，檢測器也必須小巧、高速、高效。Kotura的鍺檢測器是完全整合的，其工作速率遠超100G所要求的25GHz。

矽光子學大熱。這是前所未有地首次將全部這些功能都整合在一個晶片上。因矽晶整合的實現，因而不再需要由數百個分離元件組裝的昂貴元件。Kotura的光學引擎藉由低成本雷射器、電子封裝和分波多工技術，為多種資料中心網路應用提供了一種創新方案。未來，矽光子學不僅使能100G網路的普及，也將支援向400G和1TB互連的升級。

补充阅读：光調變器

在典型的MZI調變器內，輸入波導被分成兩路。在不加電壓時，光又被耦合在一起形成輸出波導，並產生一個‘開啟’訊號。當施加合適的Vπ電壓時，該電壓就改變了波導折射率，使得上方路徑的光產生半個波長(或180°)的延遲。在這種情況下，這兩個路徑光的相位失錯、互相抵銷，因而產生‘關閉’訊號。

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