隨著5G應用和云服務的爆發(fā)，傳統(tǒng)技術面臨著功耗和傳輸容量的根本限制，這推動了光學和硅技術的不斷發(fā)展。硅光子學是一項進化技術，可顯著提高密度、性能和經(jīng)濟性，這是實現(xiàn) 400G 數(shù)據(jù)中心應用和推動下一代光通信網(wǎng)絡所需的。什么是硅光子學？它如何推動數(shù)據(jù)中心400G應用的革命？請繼續(xù)閱讀以下內容以找出答案。

什么是硅光子技術？

硅光子學 (SiPh) 是一種可以制造光子集成電路 (PIC) 的材料平臺。它使用硅作為主要制造元素。與傳統(tǒng)電子電路相比，PIC 消耗的功率更少，產(chǎn)生的熱量更少，有望實現(xiàn)高能效帶寬擴展。它推動了復雜光學子系統(tǒng)的小型化和集成到硅光子芯片中，顯著提高了性能、尺寸和能效。

傳統(tǒng)光學與硅光子光學

以下是傳統(tǒng)光學與硅光子光學的技術對比圖，以QSFDD DR4 400G模塊和QDD DR4 400G Si為例：

	QSFDD-DR4-400G	QDD-DR4-400G-Si
材料	昂貴的材料——稀缺 中產(chǎn)率：來自外延的 Wg 材料 占地面積小：一維高折射率對比度 本機激光 原生氧化物不良 低暗電流 小晶圓（典型值 75mm）	廉價材料——地殼中 27% 的質量是 Si 高成品率：來自原始晶錠的 Wg 材料 占地面積極小：二維高折射率對比度 沒有原生激光 優(yōu)秀的原生氧化物 中暗電流 低晶圓（300mm 典型值）
變送器類型	TX：1310nm EML；接收：密碼	TX:DFB RX:PIN
工作準則
封裝技術	COB	COB+3D封裝
芯片	Inphi 16nm DSP	博通 7nm DSP
能量消耗	＜12W	＜10W
應用	400G以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心

400GBASE-DR4 QSFP-DD PAM4光收發(fā)模塊與硅光子模塊的區(qū)別僅在于：400G硅光子芯片——突破了百萬級數(shù)據(jù)交換的瓶頸，在低功耗、占地面積小、相對成本低，易于大批量集成等。

硅光子集成電路為實現(xiàn)光子芯片與電子芯片的單片集成提供了理想的解決方案。QDD-DR4-400G-Si模塊采用硅光子設計，集高密度和低功耗于一體，大幅降低光模塊成本，從而節(jié)省數(shù)據(jù)中心建設和運營費用。

為什么在數(shù)據(jù)中心采用硅光子技術？

解決 I/O 瓶頸

全球不斷增長的數(shù)據(jù)需求導致數(shù)據(jù)中心的帶寬和計算能力資源被耗盡。面對日益增長的數(shù)據(jù)消費需求，芯片必須變得更快，處理信息的速度比信號傳輸進出的速度更快。也就是說，芯片速度越來越快，但光信號（來自光纖）仍必須轉換為電子信號才能與數(shù)據(jù)中心深處板上的芯片通信。而且由于電信號仍然需要從光收發(fā)器傳輸一段距離，在那里它從光轉換到處理和路由電子設備——我們已經(jīng)達到了芯片處理信息的速度比電信號進入的速度更快的地步從里面出來。

降低功耗

發(fā)熱和功耗是計算行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。功耗將直接轉化為熱量。功耗會導致發(fā)熱，那么什么會導致功耗呢？主要是數(shù)據(jù)傳輸。據(jù)估計，數(shù)據(jù)中心每年消耗 200TWh——超過一些國家的全國能源消耗量。因此，由于天氣寒冷，一些世界上最大的數(shù)據(jù)中心，包括亞馬遜、谷歌和微軟的數(shù)據(jù)中心，都位于阿拉斯加和類似氣候的國家。

節(jié)省運營預算

目前，一個典型的超大型數(shù)據(jù)中心擁有超過10萬臺服務器和超過5萬臺交換機。它們之間的連接需要超過100萬個光模塊，價值約1.5億美元-2.5億美元，占數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡成本的60%，超過交換機、網(wǎng)卡、線纜等設備的總和。高成本倒逼行業(yè)通過技術升級降低光模塊單價。采用硅光子技術的光纖模塊的推出有望解決這一問題。

硅光子學在通信中的應用

硅光子學已被證明是一個引人注目的平臺，可用于實現(xiàn)下一代相干光通信和數(shù)據(jù)中心內部互連。該技術可以支持從短距離互連到長距離通信的廣泛應用，為下一代網(wǎng)絡做出巨大貢獻。

• 100G/400G 數(shù)據(jù)通信：數(shù)據(jù)中心和園區(qū)應用（至 10 公里）
• 電信：地鐵和長途應用（100 公里和 400 公里）
• 路由器、計算機、HPC 內的超短距離光互連和交換機
• 功能性無源光學元件，包括 AWG、光學濾波器、耦合器和分離器
• 400G 收發(fā)器產(chǎn)品包括嵌入式400G 光模塊、400G DAC 分支電纜、發(fā)射器/接收器、有源光纜 (AOC) 以及400G DAC。

硅光子學的現(xiàn)在和未來

Yole 預測，硅光模塊市場將從 2018 年的約 4.55 億美元增長到 2024 年的約 40 億美元，復合年增長率為 44.5%。據(jù)Lightcounting預測，到2024年整體數(shù)據(jù)通信高速光模塊市場規(guī)模將達到65億美元，其中硅光模塊占比將達到60%（20年后為3.3%）。

英特爾作為領先的硅光子公司之一，在用于數(shù)據(jù)通信的硅光子收發(fā)器領域占有 60% 的市場份額。事實上，英特爾在短短幾年內就已經(jīng)出貨了超過 300 萬個 100G 可插拔收發(fā)器，并且還在繼續(xù)擴展其硅光子產(chǎn)品系列。思科以 26 億美元收購了 Accacia ，以 6.6 億美元收購了 Luxtera。Inphi和NeoPhotonics等其他公司正在提出具有強大技術的硅光子收發(fā)器。