光纖通訊應用是當前矽光子科技最主要的產業驅動力量，也是矽光子科技最主要的展現舞台。同調光通訊(Coherent Fiber Transmission)技術可以高速連結分散式的資料中心，陽明交通與中央大學多位學者組成團隊，開發400Gbps矽晶光電同調傳接模組及其應用。
隨著大型資料中心的規模越來越大，建立分散式的資料中心網路最近成為發展上的新趨勢。分散式資料中心的距離可能遠達幾十公里以上，資料中心間則藉專用的高速光纖網路連結來進行資料的更新、交換與同步等工作，需更高的傳輸速率，這使得高速同調光通訊傳接模組的市場需求也隨之越來越大。同調光通訊(Coherent Fiber Transmission)技術的主要優點在於透過同調光調變/偵測能利用高階調變型式來大幅增加訊號傳輸總速率，而透過信號處理(DSP)可以來補償各種傳輸失真並透過Polarization Multiplexing進一步倍增總傳輸速率，非常適合來進行較長距離的光纖傳輸。
目前在長程(Long-haul)及都會(Metro)網路傳輸上同調光通訊已是主要技術，在Edge Network(10~80km)的應用上矽光子同調光通訊模組也有機會能成為市場主要產品，這種傳輸距離正好也適合上述分散式資料中心光連結網路的需求。高速光通訊模組要克服的問題包括如何在功耗上持續降低位元能量、在I/O上提升密度、在價格上持續改善、以及在速度上不斷提升，而矽光子(Silicon Photonics)技術則被認為是解決上述問題的重要方法。
在過去幾年，矽光子已經成為重要的新興產業技術，新創公司與大公司進行了大量的成立與購併，目前在產品開發上領先的是像Intel這樣的大公司以及像Acacia(思科所併購中)和Luxtera(已為思科所併購)這樣的新創公司，其中Acacia即是以發展矽晶光電同調傳接模組為主的領先公司。
2020年的OFC國際會議上有多家廠商宣告推出400G同調光傳接模組產品，參展會場上也有400G Open ZR + Coherent Transceiver Demo的展示攤位安排，正式宣告Pluggable 400G同調光收發模組世代的來臨。 就同調光傳接模組產品研發而言，一些主要的參考資料包括Optical Internetworking Forum(OIF)及IEEE已制定或制定中的國際標準規範，其中與400G同調光傳接模組最相關的應是2020年才完成的OIF-400ZR-01.0國際標準規範[1]，以及制定中的IEEE 802.3ct及802.3cw等。
400ZR規範主要考慮的應用有二，(1)120km or less, amplified, point-to-point, DWDM noise limited links及(2)Unamplified, single wavelength, loss limited links，兩者的規格要求稍有不同。這兩個應用考量符合之前的預測，單波長400G傳輸應是主力市場的下一步，然後可再進一步透過多個波長與光放大器的使用來達到更高的傳輸速率與更遠的傳輸距離。
基於上述的這些發展趨勢，兩年多來集合了陽明交通大學與中央大學多位學有專精的研究人員(包括賴暎杰、陳智弘、許晉瑋、鄒志偉、陳巍仁、林建中、林俊廷、陳國平、洪瑞華等教授)組成了一個完整的團隊進行研究，整體目標即是要發展新一代之400Gbps矽晶光電同調傳接模組及其應用，研究內容則涵蓋了系統與設計、矽晶光電主被動元件、IC與模組構裝等重要層次。基於已有的一些研究經驗與成果，本文先針對新世代矽光子同調光傳接模組之關鍵元件技術與展望來作介紹，後續文章再針對關鍵模組技術與應用來作說明。
矽光子同調光傳接模組架構
矽光子同調光傳接模組之示意圖如圖1，與直接調變光傳接模組的最主要差異在於同時利用兩個光偏振分量及每個偏振分量之IQ兩個相位分量(In-phase及Quadrature-phase)來進行訊號傳輸，如果每個相位分量的訊號有四個位階，則IQ兩個相位分量加在一起即可產生所謂的16QAM高階調變訊號，每一個Symbol可攜帶四個位元，如果傳輸的Baud Rate是50GHz，則總傳輸率為50×4×2=400GHz。
圖1 矽光子同調光傳接模組示意圖
不過由於必須加入錯誤更正碼位元來達到通訊系統所需的誤碼率要求，要真正達到400GHz的訊號傳輸率，Baud Rate還要提升一些到64GHz，這就是新一代400Gbps矽晶光電同調傳接模組所要達到的傳輸速率規格要求。
要達到這樣高的訊號傳輸率有著高難度之技術挑戰，64GHz Baud Rate所需求的頻寬至少必須接近50GHz，所以光調變元件及光偵測元件的頻寬都至少必須接近50GHz，模組構裝的IC電子連結頻寬也至少必須接近50GHz，後面的訊號處理DSP IC內部所需的取樣速率更要成比例地增加到接近電子處理速度的極限。這樣的高頻要求目前大概只有世界領先的公司(如Acacia)宣稱可以達到，不過隨著相關技術的成熟，預期將可逐漸成為未來市場的主力產品。
整個矽光子同調光傳接模組大致可分為三個部分，包括同調光傳輸元件、同調光接收元件及偏振相關耦光元件等，以下就分別針對這些關鍵元件技術來進行說明。
光調變元件頻寬目標50GHz以上
目前所使用之矽光子同調IQ光調變器之元件架構約如圖2，光調變原理係透過PN Junction在Reverse Bias操作條件下的載子密度變化在光通訊近紅外波段產生折射係數變化並產生光相位變化，然後透過Mach-Zehnder干涉架構的使用來將光相位變化轉換成光振福變化。由於一個Mach-Zehnder干涉架構僅能調變一個相位分量，所以整個矽光子同調光傳輸模組總共需要4個Mach-Zehnder干涉架構(8個相位調變器)來涵蓋兩個光偏振分量及每個偏振分量之IQ兩個相位分量。圖2所示僅為單一偏振分量之IQ光調變器，實際模組還需另一組同樣之IQ光調變器來負責另一偏振分量之訊號調變。
圖2 矽光子同調IQ光調變器元件架構
此類目前所使用之矽光子同調IQ光調變器的主要技術限制來自調變器頻寬、元件長度、驅動電壓、光插入損耗這幾個重要參數間的權衡。一般的設計所能達到的頻寬可能僅20~30GHz，元件長度為mm等級，Vπ可能達10V，光插入損耗可達幾個dB，這樣的調變特性大概僅能承擔25GHz的Baud Rate，要達到50或64GHz的Baud Rate還需要有更好的設計才行，這也是當前研發上的一個主要發展方向。以當前最好的研究成果來看，透過行波電極的改良設計來達到更好的光電傳播速度匹配，以及透過分段電極驅動的方式來克服元件長度變長時頻寬及驅動電壓特性即會變差的權衡，50或64GHz的Baud Rate在技術上應可順利達到。
除了上述的一般電光IQ光調變器之外，許晉瑋教授團隊也正積極發展多種新型的矽光子光調變器[2]，希望能進一步降低所需的驅動電壓、增加調變器頻寬、以及降低光插入損耗等，使得矽光子同調IQ光調變器得以更容易地實現與應用。
光接收元件已達100Gbps挺進200Gbps
目前所使用之矽光子同調光接收器的元件架構約如圖3，同調光偵測的原理要求訊號必須與本地振盪光(Local Oscillator)混合後透過平衡光偵測器(Balanced Detectors)來進行光電轉換後再以差分轉阻放大器(Differential Transimpedance Amplifier, TIA)來進行相減放大的差動偵測，每個相位分量需要兩個偵測器來進行偵測，所以整個矽光子同調光接收模組總共需要八個偵測器以涵蓋兩個光偏振分量及每個偏振分量之IQ兩個相位分量。
圖3 矽光子同調光接收器與90 degree hybrid mixer混光元件模擬
訊號與本地振盪光的混合必須滿足以下的條件，若以訊號光的相位為準，照在相減的兩個偵測器上的本地振盪光的相位必須是0度與180度才能偵測In-phase的相位分量，照在另兩個相減的兩個偵測器上之本地振盪光的相位則必須是90度與270度才能偵測Quadrature-phase的相位分量，要達到這樣的相位條件所需要的光學元件即是所謂的90 degree hybrid mixer。
90 degree hybrid mixer的實現有多種方式，一般晶片代工廠的標準元件庫並未具有此種特殊元件，鄒志偉教授團隊已成功利用2×4 MMI設計出此關鍵光學元件，模擬結果如圖3(a)(b)所示，圖3(c)則為整體元件架構圖。同調光接收器另外所需的光偵測器則有標準的On-chip Ge或SiGe光偵測元件使用，偵測器頻寬有接近50GHz的優良表現，頻寬上的限制較光調變器而言要來得好些，50或64GHz的Baud Rate在技術上應可較順利達到。圖3(c)所示僅為單一偏振分量之同調光偵測器，實際模組還需另一組同樣之同調光偵測器來負責另一偏振分量之訊號偵測器。團隊已初步達到100Gbps(2 polarization, 25G baud, QPSK)的矽光子同調光接收展示[3]，目前正朝200Gbps(2 polarization, 25G baud, 16QAM)與100Gbps(2 polarization, 50G baud, 16QAM)的下階段目標前進。
偏振耦光元件須降低插入損耗
目前所使用之矽光子光纖－波導耦光機制大致可分為Edge Coupling及Grating Coupling兩大類。Edge Coupling的耦光方式可以達到偏振無關，兩個光偏振分量進入同一波導，所以後續需要有一個偏振分光轉換器來將兩個光偏振分量分開耦合進入同一偏振特性的兩個單模波導。Grating Coupling的耦光方式可以達到偏振相關，在耦光時同步達到將兩個光偏振分量耦進兩個同一偏振特性的單模波導。
此兩種技術本文團隊都有所發展，包括團隊中的陳國平教授團隊發展出具良好特性的波導式偏振分光轉換器，如圖4(a)所示，以及賴暎杰教授團隊設計出具高效率的一維及二維耦光光柵元件[4]，一個例子如圖4(b)所示。這類的矽光元件在設計上需要對光學原理有很好的了解，也需要有足夠好的軟體工具來進行模擬與設計，最後還需透過與實際製作出的元件量測結果來進行驗證，團隊在這些方面也已有很好的結果，圖4(c)中是團隊所設計的聚焦式耦光光柵之理論模擬與實際實驗量測結果，顯示設計能力已達一定水準。
圖4 矽光子偏振分光暨光柵耦光元件之架構、模擬與實驗量測結果
目前一般的矽光子同調光傳接模組之整體光插入損耗都偏大，原因在於中間有較多的光學元件串接，個別光學元件的光插入損耗加起來就有可能達到十幾dB，嚴重限制了所需的雷射光源功率(需大功率DFB雷射)以及訊號可以傳輸的距離。
唯有透過耦光元件與其他光波導元件的光插入損耗之降低才有可能降低矽光子同調光傳接模組之整體光插入損耗，產品的競爭性也才能增加，這將也是未來矽光子同調光傳接模組產品研發上所必須投入發展的關鍵技術之一。
光纖通訊應用是當前矽光子科技最主要的產業驅動力量，也是矽光子科技最主要的展現舞台。
新世代矽光子同調光傳接模組具產業潛力
而在光通訊應用中，矽光子同調光傳接模組則是最先進的光收發模組技術，需要最成熟的矽光子科技才能達成。過去兩年多來陽明交通大學與中央大學研究團隊以發展新一代之400Gbps矽晶光電同調傳接模組及其應用作為整體目標，在系統與設計、矽晶光電主被動元件、IC與模組構裝等重要層次都已有很好的研究經驗與成果。
本文先針對新世代矽光子同調光傳接模組之關鍵元件技術來作介紹，並針對未來的技術發展重點與展望作了強調，希望能有助於讀者們深入了解這方面的產業技術發展趨勢。
(本文作者為陽明交大光電工程系教授)
