深入分析首款采用英特爾（Intel）獨(dú)特的激光器集成技術(shù)的硅光子芯片

在20世紀(jì)中期，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)剛興起時(shí)便有人提出過在硅材料上制作波導(dǎo)等光學(xué)結(jié)構(gòu)的想法，但這一領(lǐng)域的真正啟動(dòng)始于20世紀(jì)80年代末 至90年代初SOREF Richard和REED Graham等人的一系列早期工作。硅光子領(lǐng)域的基礎(chǔ)是硅半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)，而這個(gè)基礎(chǔ)則決定了硅光子發(fā)展的各個(gè)里程碑處處呈現(xiàn)出集成電路（IC）的技術(shù)發(fā)展和影響的影子。

硅光子的真正產(chǎn)品化是在2010年之后，突出表現(xiàn)為一系列通信系統(tǒng)公司對(duì)硅光子初創(chuàng)公司的高價(jià)收購(gòu)。在這期間，有更多的初創(chuàng)公司出現(xiàn)，這些新創(chuàng)立的公司大多把目光瞄準(zhǔn)了異軍突起的數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)，但目前僅Luxtera有稍具規(guī)模的產(chǎn)品銷售。當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)化階段和行業(yè)特點(diǎn)對(duì)初創(chuàng)公司的發(fā)展有著十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前硅光子較為成功的產(chǎn)品主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心和相干傳輸兩個(gè)領(lǐng)域（產(chǎn)業(yè)詳情：《硅光子技術(shù)及市場(chǎng)趨勢(shì)-2018版》）。從實(shí)用主義角度出發(fā)，我們認(rèn)為各種利用了各級(jí)別硅半導(dǎo)體工藝和生態(tài)系統(tǒng)的、有價(jià)值的光芯片產(chǎn)品都可稱為硅光子產(chǎn)品。另外，我們還認(rèn)為其他材料體系（如砷化鎵（GaAs）等）仍有其存在的必要性，磷化銦（InP）為基礎(chǔ)的光芯片并不會(huì)消失或被替代，尤其是在目前硅光子仍極度依賴高性能的InP激光器的情況下。在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，硅光子和InP產(chǎn)品都將不斷繼續(xù)進(jìn)步并互為補(bǔ)充。

值得注意的是：這一輪數(shù)據(jù)中心的興起，硅光子并不是唯一的受益者。事實(shí)上，使用傳統(tǒng)的InP加微光學(xué)耦合方案的公司，在數(shù)據(jù)中心指標(biāo)降低的情況下，由于其積累多年的技術(shù)儲(chǔ)備和量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，是目前獲益最多的。硅光子方案已形成產(chǎn)品的主要競(jìng)爭(zhēng)者Luxtera和Intel目前以激進(jìn)的定價(jià)為主要武器，并皆以此為機(jī)會(huì)積累硅光子產(chǎn)品量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以面對(duì)未來(lái)增產(chǎn)和其他可能出現(xiàn)的市場(chǎng)。

在短短幾年時(shí)間內(nèi)，英特爾（Intel）就已成為基于硅光子技術(shù)的光纖收發(fā)器第二大供應(yīng)商。英特爾之所以取得成功，是因?yàn)槠湓诩夹g(shù)瓶頸方面付出了很多努力，例如利用晶圓鍵合工藝將InP芯片和硅（Si）晶圓集成。這種InP-Si異質(zhì)混合集成技術(shù)在封裝方面有很大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榛贗nP的激光器材料使用“芯片-晶圓（Die-to-Wafer）鍵合”，在后端工藝前集成在硅光子晶圓上，解決了后面耦合的問題。

傳統(tǒng)InP方案 vs. 硅光子+InP激光器方案

在最近這一輪數(shù)據(jù)中心光通信模塊采購(gòu)大潮中，100G 4通道28G小封裝可插拔光模塊（QSFP28）是最引人注目的產(chǎn)品，也是硅光子真正形成量產(chǎn)的產(chǎn)品，這類產(chǎn)品主要有兩類：用于500m以下的4通道并行單模（PSM4）方案和用于2km的粗波分復(fù)用（CWDM）方案。這些方案也是未來(lái)200G/400G甚至更高速的應(yīng)用中的基礎(chǔ)，有相應(yīng)的解決方案提議。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，英特爾于2016年推出支持100G通信的硅光子4通道可插拔收發(fā)器，計(jì)劃在2019年下半年將400G產(chǎn)品投入量產(chǎn)。在“第44屆歐洲光通信會(huì)議（ECOC 2018）”上，英特爾發(fā)布了針對(duì)5G無(wú)線通信的新型100G硅光子收發(fā)器。本報(bào)告拆解分析了英特爾100G PSM4 QSFP28光纖收發(fā)器，它是一款小型、高速、低功耗產(chǎn)品，用于數(shù)據(jù)通信應(yīng)用的光互聯(lián)。

英特爾100G PSM4

英特爾100G PSM4 QSFP28光纖收發(fā)器包含兩個(gè)獨(dú)立的模塊，每個(gè)模塊擁有多顆芯片。拆解其中的發(fā)射器，我們可以發(fā)現(xiàn)：以倒裝芯片形式，通過鍵合技術(shù)將多個(gè)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個(gè)馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）調(diào)制器，同時(shí)使用一個(gè)激光器作為光源給4個(gè)調(diào)制器供直流光。PIC芯片同時(shí)集成鍺硅光探測(cè)器（PD），并一般把4進(jìn)4出的8個(gè)光纖接口做成光柵耦合陣列和光纖陣列塊一次性耦合，減少封裝步驟。

英特爾100G PSM4 QSFP28光纖收發(fā)器拆解與逆向分析

本報(bào)告對(duì)英特爾100G PSM4 QSFP28光纖收發(fā)器進(jìn)行詳細(xì)的逆向分析，包括硅光子芯片、TIA電路、馬赫-曾德爾驅(qū)動(dòng)電路、MACOM電路和鍺硅光探測(cè)器等，并給出成本分析和價(jià)格預(yù)估。此外，報(bào)告還介紹了兩個(gè)光纖耦合器、聚焦透鏡和隔離器，并估算了它們的價(jià)格。最后，我們還將英特爾的產(chǎn)品與Luxtera的硅光子產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比分析。

InP激光二極管 - 硅光子芯片（樣刊模糊化）