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用于数据中心互连的光电子集成芯片

简介

数据中心是数字世界的支柱，容纳着庞大的服务器和交换机网络，为云计算、流媒体服务和无数其他应用提供支持。随着数据流量持续呈指数级增长，数据中心网络对更高带宽、更低延迟和更高能效的需求也日益增长。

光电子集成芯片（PIC）已成为满足这些苛刻要求的关键使能技术。通过将多个光电子元件集成到单个芯片上，PIC能够实现紧凑、高性能的光收发器，从而能够通过光纤链路以极快的速度传输数据。

本文将概述用于数据中心互连的PIC技术，涵盖系统要求、关键构建模块、当前实施和未来发展方向。我们将探讨PIC如何彻底改变数据中心网络，并实现容量达到100 Tbps及以上的下一代交换机。

数据中心网络架构与需求

现代数据中心通常采用多级交换机的分层网络拓扑结构，如图1所示。机架内的服务器连接到架顶式（TOR）交换机，然后连接到更高级别的聚合/叶子交换机和核心/脊椎交换机。

图1

随着层级上升，链路距离增加：

服务器到TOR交换机：<10米（无源铜缆）
TOR到叶交换机：10-100米（有源光缆）
叶到脊交换机：100-500米（光收发器）
脊到脊交换机：500米-2公里（光收发器）

为了跟上不断增长的流量，交换机的带宽大约每两年翻一番（图2）。这反过来又推动了人们对更高速光互连的需求。

图2

目前先进的交换机的工作速度为25.6 Tbps，需要64个400G光收发器。下一代交换机达到51.2 Tbps，甚至有望达到102.4 Tbps。

数据中心光互连的关键要求包括：

高带宽密度（Gbps/cm2）
低功耗（pJ/bit）
成本效益高，可扩展至更高的数据传输率
支持不同的传输距离要求（100米至10公里）
符合以太网标准（由IEEE 802.3定义）

光电子集成电路构建模块

PIC将多种光电子功能集成到单个芯片上，包括激光器、调制器、光电探测器、多路复用器/解复用器以及无源波导。PIC的两个主要平台是：

1.磷化铟（InP）：允许单片集成有源元件（激光器、放大器），但晶圆尺寸较小。

2.硅基光电子：利用成熟的大硅晶圆CMOS制造工艺，但需要异构集成有源元件。

关键构建模块包括：

1.激光器：提供光源，通常用于数据中心应用的O波段（1260-1360nm）。

集成方法包括：

通过光纤耦合的外部激光器
倒装芯片激光器
III-V族增益材料的异构集成

2.调制器：将数据编码到光载波上。

常见类型有：

马赫-曾德（Mach-Zehnder）调制器（MZM）：工作带宽较宽，但体积较大
微环（Microring）调制器（MRM）：体积小巧，但温度敏感
电吸收调制器（EAM）：结构紧凑，性能良好

3.光电探测器：将光信号转换为电信号。通常使用硅基锗光电子技术。

4.多路复用器/解复用器：组合/分离多个波长通道。可使用阵列波导光栅（AWG）或级联马赫-曾德干涉仪。

5.光纤耦合器：PIC波导和光纤之间的接口。边缘耦合器提供宽带操作，而光栅耦合器则可实现晶圆级测试。

目前用于数据中心收发器的PIC实现

过去十年间，多项用于数据中心互连的PIC技术已经开发并商业化，传输速率从40G扩展到800G。主要方法包括：

直接调制激光器（DML）：

最简单的方法——直接调制激光电流
适用于短距离（SR）应用，最高可达25 Gbaud
在较高数据速率下受啁啾效应限制

外部调制激光器（EML）：

将DFB激光器与电吸收调制器集成
性能优于DML，在高速传输时尤为明显
广泛用于100G/400G DR和FR收发器

硅基光电子技术：

利用CMOS制造技术实现可扩展、低成本生产
需要III-V族异构集成用于激光器
高速直流收发器的主导技术

图3显示了英特尔硅基光电子收发器的演变，说明了带宽如何通过增加通道数、波特率和调制复杂性而扩大。

图3

表1对不同代QSFP收发器的关键规格进行了比较，显示了带宽、功率效率和密度的变化。

光电共封装（CPO）器件：前沿领域

随着交换机带宽突破25 Tbps，传统可插拔光模块面临越来越多的挑战：

1.交换机专用集成电路（ASIC）与光模块之间的电气通道损耗限制了可实现的传输速率

2.前面板拥塞和热管理问题

3.串行解串器/重定时器的高功耗，以克服信道损伤

光电共封装器件（CPO）通过将光引擎与开关ASIC集成在同一封装中，大大缩短了电气互连，从而解决了这些问题。这可以实现：

降低功耗（无需长距离SerDes）
提高带宽密度
改善热管理

图4展示了从传统可插拔光学器件到共封装解决方案的演变过程。

图4

CPO的关键要求包括：

超高带宽密度（>200 Gbps/mm 线性）
光电子和电子器件的紧密集成
晶圆级测试能力
坚固的光纤连接解决方案
光器件的可维护性

硅基光电子技术已成为可插拔光模块的领先技术，可提供所需的集成密度和制造可扩展性。图5展示了基于硅基光电子技术的1.6Tbps可插拔光模块引擎，与可插拔模块相比，带宽密度和功率效率有了显着提高。

图5

如图6所示，多家主要交换机和光学器件供应商已经展示了CPO原型。这些原型综合运用了多种技术，包括：

异构集成激光器与外部激光源
边缘耦合与表面耦合光纤连接
马赫-曾德与微环调制器

图6

未来方向

扩展到102 Tbps开关节点及以上

下一代目标传输速率为51.2 Tbps的交换机可能使用512个100 Gbps PAM4通道。将传输速率翻倍至102.4 Tbps有多种方案：

1. 将波特率提高到112 GBaud（224 Gbps PAM4）

需要缩短电通道（共封装）或增加重定时器

2. 采用更高阶调制（如PAM6）

对光学器件的信噪比要求很高

3. 增加波长通道的数量

可能需要更紧密的波长间隔或温度控制

4. 采用相干传输格式

每波长传输速度可达400G-800G
复杂度更高，但适用于较短距离传输

最终，可能需要结合这些方法并改变交换平台的架构，才能实现102 Tbps及以上的节点。

PIC技术扩展

图7展示了PIC数据速率提升的潜在方向，包括：

更高的波特率
高阶调制格式
增加波长数
极化复用

主要发展领域包括：

超高带宽（>100 GHz）调制器和光电探测器
改进多波长光源的激光集成
高级多路复用方案（例如，紧密波长间隔
光电芯片和电芯片的3D集成

随着复杂性和功耗的持续改善，相干传输预计也将越来越适用于短距离数据中心应用。

结论

光电子集成电路彻底改变了数据中心的互连方式，在大幅提高带宽的同时，还提高了能效并降低了成本。随着数据中心向100 Tbps甚至更高的交换节点迈进，光电子集成电路技术的持续创新—尤其是CPO领域的创新，对于满足不断增长的带宽需求很重要。

先进光电子集成技术的融合，加上封装和光纤连接技术的创新，为下一代数据中心带来高性能、可扩展的光互连新纪元。

参考资料

[1] M. Glick, L. Liao, and K. Schmidtke, Integrated Photonics for Data Communication Applications. Elsevier, 2023.