頻寬追求無止境　資料中心推進矽光子/IC整合

半個世紀以來光纖通訊網路已在人類社會中肩負起無遠弗屆的資料訊息傳輸工具，並且跟隨全面高解析數位化的腳步而不斷因應改變各種基礎硬體設施與軟體格式架構。近年來隨著世界在物聯網(Internet of things, IoT)與大數據(Big Data)已經成為在未來影響人類生活最重要的科技之一，英特爾(Intel)公司評估在2020年資料中心的市場商機達美金5.1億元。截至2020年底全球將有約240億個物聯網設備與100億個個人設備同時連上網路進行線上傳輸各種資料和服務。現今網際網路上逾639,800GB/Min的資料傳輸中，又以影音與社群網路占絕大部分。

巨量串流突顯4V特徵

而此類巨量數據資料的產生、傳輸、分析與過去傳統資料結構有極大差異且具有龐大(Volume)、速度即時性(Velocity)、多變性(Variety)與真實性(Veracity)等所謂4V特徵。第一是巨量串流，預估到2020年全球串流數據資料量將可達40Zettabyte(相當於每天看一小時DVD需要看一億二千五百萬年)。第二是速度與即時性，例如交通犯罪社群網站等資料皆須即時處理，以免網路服務品質下降不滿意度上升。第三是多變性(Variety)，現在文字、語音、影像、監控等各式資料具多樣性與低關聯性，跟過去單純文字數據影像資料的分類整理整齊相比更顯複雜；第四是真實性，由於資料來源過於無法掌控而且雜亂多元而可信度降低，導致其資料分析比對與萃取處理等過程成為重要課題。

但這些向更多設備鏈結與處理需求的同時導致數據串流與交換量的巨幅成長，不僅將對現有資料中心(Data Center)基礎設施帶來沉重負擔，也為區域網路及個人聯網裝備帶來更多需求挑戰。例如，在未來大型資料中心利用超高速光連結來進行更巨量資料傳輸與分配成為目前必須突破的重要瓶頸，光纖有線與微波無線網路甚至是照明通訊融合以達到短距離區域接取網路更高位元率傳輸也至關重要，另外在各式有線無線基地台難以架設之嚴苛環境布建光纖網路與自由空間通訊整合系統更是刻不容緩。本文將藉由資料中心的發展，眺望接下來光通訊技術的發展藍圖。

高效率且節能的光連接技術隨著巨量資料中心建置的需求已成為目前光通訊領域最重要的技術開發項目，分別以1公里以下資料中心內部850nm波長多模雷射與光纖和10公里以下資料中心間1,310nm波長單模雷射與光纖連結扮演伺服器交換資訊的光纖互連鏈路。

以現今廣泛商用化的面射型雷射為光源，並利用OM3/OM4/OM5多模光纖建構資料中心內部傳輸系統，在多通道傳輸速率在100~400Gbps規範下可進行數百公尺距離傳輸，單跟進其相關研究進展顯示高速面射型雷射光纖整合連結已可突破單通道100Gbps傳輸。相較之下，矽光子積體光收發晶片模組在相同傳輸速率規範下則可利用單模光纖在資料中心間傳輸距離長達數公里，因此矽光子積體光收發晶片模組勢將成為未來長距離資料中心間傳輸系統的重要開發重點。

矽光子晶片接收積體光路已隨著巨流量資料中心的增加而成為光纖通訊至關重要的分支。預期市場需求不到十年內將爆增一個數量級，矽光子光學接收器市場將從2018年一百萬單元的5億美元到2024年約兩千萬單元的40億美元。

由於矽光子晶片是同時整合傳輸光源、電子驅動積體電路元件、光子功能型訊號處理元件、與傳輸波導去實現光互聯晶片或光纖通訊系統的訊號處理模組，而且由於這些矽光子元件可利用現有矽半導體製造技術與同為使用矽基板的積體電路進行高相容性整合成光電子混合積體元件單晶片，因此早已引起包括IBM和英特爾等許多歐美大型積體電子製造商對矽光子晶片的積極研發興趣，企圖利用積體電路整合光互聯技術使晶片內資料傳輸通訊速度可以持續符合摩爾定律預測。由最近二十年高速矽基光電元件的開發時程顯示，在過去幾年中為因應晶片上高速全光訊號傳輸及處理的迫切需求，矽光子光路與積體電路的整合也已經開始受到光通訊科技業界高度的關注。

資料中心內機架間高速面射型雷射元件發展

在資料中心內部傳輸所需使用的垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)進程發展中，早在2009年就有報導指出利用多模光纖的模色散補償整體色散，藉以應用於結合多模VCSEL晶片及多模光纖之10Gbps乙太網路系統。在元件開發的進程中，VCSEL晶片之元件頻寬在資料中心通訊應用為一個重要參數。在1996年有報導指出增加驅動電流可以提升VCSEL晶片之主動層載子數使得VCSEL晶片之調變頻寬為16.3GHz。在2009年時有團隊的研究利用改變VCSEL晶片之主動層材料以提升載子數，進一步在25℃以及85℃的溫度操作下其元件頻寬分別為20GHz和15.2GHz。也有團隊利用氧化法去局限VCSEL晶片之出光孔徑以增加載子密度，進一步使得元件頻寬提升至21.5GHz。

此外，VCSEL晶片的寄生電組及電容也為提升元件的關鍵參數之一。在2016年，有報導利用多重氧化層的設計以減少寄生電容，使得元件之調變頻寬有效增加至28.2GHz。在2016年有團隊利用增加薄氧化層在不增加寄生電阻下有效抑制寄生電容使得元件之調變頻寬提升至30GHz。而在實際應用於資料中心傳輸系統時，在2010年有研究利用氧化法縮小多模VCSEL晶片之出光孔徑以提升操作頻寬，將傳輸位元率提升至40Gbps。而在100公尺多模光纖傳輸下，其傳輸位元率為35Gbps。由於製程技術的純熟，在2013年就有報導指出其最大傳輸位元率提升為55Gbps以及在100公尺多模光纖傳輸下其最大傳輸位元率為43Gbps。

在2016年中有研究中指出利用鋅擴散法獲得準單模VCSEL晶片以提升其元件傳輸頻寬為27GHz使得傳輸位元率為54Gbps。並且進行1公里多模光纖傳輸其傳輸誤碼率為1.4×10-4。然而近年來格式訊號的發展使得元件的頻寬更有效的利用以進一步提升傳輸位元率。在2015年有報導指出利用四階脈衝振幅調變格式訊號直接調變VCSEL晶片，使得在2公尺以及50公尺傳輸距離下其傳輸位元率分別可達至60Gbps以及50Gbps。

在2016年有研究團隊利用預失真技術來補償系統響應以提升傳輸位元率使得在200公尺傳輸距離下其傳輸位元率為50Gbps。另一方面，則有團隊利用加重濾波技術(Pre-emphasis Filter Technology)進一步在100公尺傳輸距離下其傳輸位元率有效提升至100Gbps。而在2016年有報導研究利用多波段振幅調變分頻多工格式訊號實現在10公尺傳輸距離下其傳輸位元率可提升至107.5Gbps。在2016年已有VCSEL晶片相對強度雜訊研究顯示當偏壓電流提升至大於五倍臨界值以上時，其相對強度雜訊可幾乎被抑制至雜訊層以下使所攜帶52Gbps正交分頻多工訊號平均訊雜比提升至16.1dB，並以預補償技術實現有效補償高頻子載波訊雜比下降而進一步提升所攜帶資料平均訊雜比至15.4dB，達成四階脈衝振幅調變(PAM4)及與十六階準振幅調變分頻多工格式驅動VCSEL晶片傳輸位元率達42與56Gbps無誤碼傳輸。

2017年則已有研究群拓展至以氧化局限製作不同直徑光孔VCSEL多模、少模及單模VCSEL元件，研究與利用PAM-4格式44/52/52Gbps與OFDM格式84/100/96Gbps傳輸。100公尺多模光纖傳輸後最大可用鮑率達14/16/25GBaud(28/32/50Gbps)，證實有效抑制VCSEL輸出橫模數並降低多模光纖中色散效應對所攜帶數據品質的正向影響。2018年中的重要研究報導指出在VCSEL元件中加入多薄層氧化膜絕緣設計以降低RC時間並且提升類比頻率響應，並使少模/單模VCSEL得以進一步優化其驅動電流、提升鬆弛震盪頻率、抑制相對強度雜訊使達24/21.4GHz有效調變頻寬，在使用PAM-4訊號調變少模及單模VCSEL時提供背對背傳輸達64Gbps位元率。

為了可以光纖傳輸中進一步提升傳輸頻寬與傳輸位元率，新一代Wide-band(OM5)多模光纖也被發表並將與傳統OM4多模光纖互相比較分析其傳輸特性，因具有較小的色散係數用來取代傳統OM4-MMF在可通過規範下優化誤碼率並降低功率代償。2019年初在資料中心數據分析技術方面，業界已有單通道達90Gbps開關鍵控格式與75GBaud四階脈衝振幅調變格式傳輸測試平台發表，針對單通道單模高速VCSEL接收眼圖的均方根抖動、均方根雜訊與誤碼率等綜合傳輸性能提供測試方案。顯然地，VCSEL未來的發展將極有可能突破目前傳輸位元率只有50Gbps與傳輸距離僅為五百公尺的障礙，正分別朝向支持PAM-4的50GBaud與超越一公里距離的傳輸突破以極為迅速的腳步前進之中。

大廠方案大舉出籠　矽光子/高速收發模組整合成主流

資料中心間矽光子積體光電晶片整合高速收發模組開發中，在產業界發展中較受矚目的是Intel目前已經開發單出矽光子晶片上即可積體化整合不同波長的雷射光源與目前成熟的CMOS製造技術有極佳的相容性的矽光子積體電路，並藉由耦合器、調變器、邏輯閘、多工器及解多工器進行訊號加解碼多工實現單通道速度可達50~100Gbps與總位元率達400Gbps以上的傳輸。自2016年成功開發出四通道且單一通道為25Gbps總傳輸量為100Gbps的光收發模組後，在2018/2019進一步開發到總位元率可達400/800Gbps並將於2020年發布出高密度矽光子整合積體電路。

此外Luxtera則是在成功開發以25GHz寬頻的外部電光調變器(Mach-Zehnder modulator)及鍺基高速光偵測器實現單通道總傳輸量達40Gbps的積體光收發晶片模組。Mellanox除成功開發出總傳輸量達100Gbps之積體光收發晶片模組外，並利用此晶片模組傳輸單模光纖2公里以實現未來長距離資料中心間傳輸系統，且發表開發50GHz頻寬光調變器及光偵測器以符合400Gbps資料中心傳輸規範。IBM則致力於提出矽光子互聯晶片光波導結構的三維垂直整合技術和多核心運算層整合形成超級晶片，並在2012年已利用90奈米製程使用分波多工概念達成單通道資料傳輸量可達25Gbps，其建構的光互聯連結層整合被動光纖耦合器、多工器、解多工器、高速矽光學調變器、矽鍺光偵器、驅動電路及轉阻放大器，並在2015年進一步將光源整合至CMOS電路形成光發射晶片達成32Gbps傳輸量。Macom為了未來資料中心達到單通道傳輸量100Gbps之積體光收發模組，已開發利用脈衝振幅調變訊號格式驅動與處理晶片，可配合分波多工技術進一步實現總傳輸量為400Gbps之積體光收發模組，也開發將雷射光源貼合至矽晶片使用側向耦光技術注入波導建構光子積體整合電路晶片。

學術界的研發雖受資源限制但仍可實現局部整合傳輸光源、驅動積體電路、光訊號處理、與傳輸波導整合模組技術開發。加州大學聖塔芭芭拉分校的Bowers教授在2006年已成功將三五族半導體雷射成功關鍵對齊接合至矽波導，無需進行單晶化製造三五族雷射主動層和矽波導進行選區直接磊晶結合。此三五族半導體雷射以電流65mA操作下最大輸出功率為1.8mW，微分量子效率為12.7%，並允許在單次步驟同時進行使多通道雷射與矽波導對接的大批量低成本整合，且可擴展到在矽晶片上製造其它主動元件如光放大器、調變器和光電偵測器。

哥倫比亞大學Watt教授利用微盤共振腔結構搭配電光效應開發高速矽基調變器，其電光響應為250pm‧V-1(30 GHz‧V-1)在25Gbps可達無誤碼率傳輸，且每位元在7.5℃的溫度範圍之內總能量消耗為1.03fJ。這種垂直結構較橫向結構共振腔調變器的電光響應高10倍從而實現高效調變和諧振頻率電光控制並有效降低矽光子互聯晶片功耗。

因為矽光子元件與CMOS的相互整合以及晶片上和晶片外的頻寬需求持續上升，每個元件功耗壓縮有助於實現每位元僅飛焦耳功耗的矽光子積體電路通訊系統應用。同樣是哥倫比亞大學的Liposon教授利用微環共振腔電光調變器開發分波長多工器，利用載子注入消除技術提升矽微環形共振腔調變器調變能力達50Gbps。而此高速調變能力是通過管理載子動力學和使用分波長多工技術延伸容量來實現，展示33.3Gbps‧μm的光互聯頻寬密度和>100Tbps‧mm2的調變頻寬密度，也討論分波多工器元件關鍵設計考慮因素以實現超大頻寬光互聯晶片，在3V的峰對峰值驅動電壓操作下優化分波多工器元件設計可以利用25個工作通道在單一通道為12.5Gbps和3dB耦合距離為4cm的分波多工以達到200Gbps‧μm寬互聯頻寬密度。

而比利時微電子研究中心則是利用鍺半導體材料製成高速寬頻光偵測器，優化光偵測器元件設計並採用160nm鍺薄膜來減少傳輸時間，以-1V操作電壓與暗電流小於4nA操作下在1550/1310nm波長達成元件3-dB頻寬超過50/44GHz與光電響應0.74/0.93A/W傳輸50/56Gbps資料呈現清晰眼圖，顯示高速鍺光偵測器在C-和O-波段可達56Gbps高質量數據接收能力適合未來資料中心傳輸使用。

不僅在國外相關研發進展如火如荼，國內由科技部支持台大-交大-高科大聯盟團隊一項應用於雲端高速光資通訊網路的大型整合計畫，邁向自主設計與建置新世代1.6TBit/s的矽光子平台光收發模組也已經正式展開。希望藉由矽光子被動元件晶片元件設計庫與高頻構裝光收發模組的建立，配合應用於矽光子積體電路之高功率與高速調變雷射光源與驅動電路晶片模組開發，佐以高速PAM/QAM格式50-64Gbaud(100-128Gbps)矽光子積體元件晶片整合測試平台達成複合式積體化(Hybrid Integration)矽光子晶片平台模組構裝，達成百分之百自製率的各式光源和光訊處理與積體電路元件，相關構裝及高階信號調制系統傳輸技術，邁向單通道100Gbps的PAM4驅動電路與16通道整合的1.6Tbps光收發模組。計畫總主持人表示計畫將包含從最基本的元件設計到模組化及最終端系統傳輸技術，開發100Gbps矽光子波導調制器、光柵耦合器、光纖寬頻端面耦合器、DFB雷射端面耦合器、慢光式高速鍺光偵測器、陣列波導式分波多工器、微環形共振器分波多工器、寬頻定向耦合器及低損耗光分岐器、寬頻矽光子極化分離器及極化旋轉器、共振腔光波導濾波器、矽光子波導光塞取器、及表面電漿矽光子微環形共振腔濾波器。完成矽光子波導元件及覆晶式晶粒裝定機台所特製開發DFB雷射、特製100Gb/s的砷化鎵或磷化銦的線性驅動及放大IC、特殊光纖對準及創新分離式對準焊接雷射構裝結構、100Gbp高速電路板及接頭、單通道100Gbps PAM4及200Gbps OFDM系統傳輸技術，並開發矽光子慢光結構模態構建分析軟體、及透鏡化光纖、楔形光纖模態耦合軟體並上線開放使用。最終國內完全自製的整合8芯光纖陣列排線完成每通道100Gb/s共16通道的1.6Tb/s光收發模組將指日可待。

(本文作者皆任教或就讀於台灣大學光電所)