資料中心長距離400G傳輸　矽光子同調光纖DCI達陣

網路應用持續發展，資料流量呈指數型成長，未來幾年，5G、人工智慧(AI)、物聯網(IoT)和虛擬實境等新興技術對資料中心的需求皆大幅增加，超大規模資料中心(Hyperscale Data Center)將如雨後春筍般出現。分散在不同地點的資料中心必須彼此溝通，以分享資料、平衡工作負載、提供備份，並在必要時提高容量。校園或都會區中的分散式資料中心更須大幅提高互連容量。

透過同調光纖傳輸(Coherent Fiber Transmission)技術，資料中心互連(DCI)可在單一光纖線路上傳輸數TB資訊，不僅能大幅減少功耗，並可為日益增加的資料需求提供處理靈活性，互聯距離可達80~120公里。市場對高容量資料流的需求漸增，促使資料中心和服務供應商朝400Gbps模組發展，以之為單元來倍增總傳輸率，並尋找能減少相關功耗的方法。隨著積體光學技術的成熟和新標準的制定完成，基於高效率同調光學技術的矽晶光電收發模組已然成為新一代經濟有效DCI的開路先鋒。我們的「通訊應用矽晶光電同調收發模組計畫」之目標即為開發關鍵之400G矽光子同調收發模組。

矽光子同調光纖傳輸實現較長傳輸距離

傳統的光纖訊號調變方式是將光強度直接調變並直接轉換成電訊號來偵測，相對地同調光傳輸技術則是將訊號同時載於光之振福與相位之上，然後透過同調偵測的方式來偵測光場(包括實部/虛部或振幅/相位)。由於有完整的光場資訊，透過訊號處理就能完整補償傳輸過程中的訊號失真，所以系統偵測光纖傳輸訊號的極限和準確性能遠超過直接偵測。因此若採用同調通訊系統，訊號將可傳遞得更遠。同調光纖傳輸系統使用同時調變光相位與振幅之正交振幅調變(QAM)訊號格式，既可以提升傳輸速率，同調架構亦可讓傳輸距離大幅延長，更可利用兩個光偏振來進行偏振多工。

本計畫以應用在80~120公里以內由OIF(Optical Internetworking Forum)制定完成的OIF-400ZR標準為參考，整個同調收發器包含發射端、接收端和前端電路。如果是電類比介面則不包含DSP，數位式介面則也需包括DSP，視系統的設計與應用而定。此計畫的目標就是要將分立式元件所組成的傳統插拔式收發器積體化，透過矽晶光電晶片之使用，使成本與效能都能較分立式元件更加改善，符合長期發展趨勢。

計畫架構與分工

本計畫共計七個子計畫(圖1)，完整涵蓋矽晶光電同調光收發模組(圖2)所需的系統與設計、矽晶光電主被動元件、IC與模組構裝等研究發展層次，包括：(1)矽晶光電同調收發傳輸系統、(2)矽晶光電主動元件、(3)矽晶光電被動元件、(4)矽晶光電同調收發模組IC晶片、(5)矽晶光電同調收發模組構裝、(6)矽晶光電熱逸散技術、(7)矽晶光電模擬設計工具與前瞻通訊應用等項目。

在矽晶光電同調收發傳輸系統研究部分，重點包括整體優化矽晶同調光傳輸模組的規格與表現、由系統觀點提供各別元件之優化建議、以及開發出低複雜度和低功率需求的DSP演算法。而矽晶光電技術所面臨最大的挑戰即為主動元件的製作開發和雷射光源的耦合，所以在矽晶光電主動元件研究中，一方面我們將嘗試透過異質介面整合方法來將半導體雷射直接構裝在矽晶片之上，一方面也將發展新型的矽晶光電光調變器(Optical Modulator)，然後以之來建構同調光傳輸所需的IQ光調變器，以進行QAM訊號的產生。

導入被動元件來提升通道傳輸效益

在被動元件部分，我們將發展包括光偏振旋轉器(Polarization Rotator, PR)與光偏振分離器(Polarization Beam Splitter, PBS)等多種偏振控制元件，從而可以利用光纖輸入的兩個偏振態來進行偏振多工，傳輸速率馬上就可以增加兩倍。偏振多工在同調傳輸中可以透過信號處理來簡單達到，在直接調變的傳輸系統中則較難利用此方式來倍增傳輸速率。另外我們也需發展多模干涉耦合器(Multimode Interference Coupler, MMI)搭配快速光偵測器來建構同調光接收機，以進行QAM訊號的偵測。

未來視需求也可更進一步採用高密度分波多工(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)技術結合同調傳輸(Coherent Transmission)之光收發機來大幅增加單一光纖之總傳輸速率，達到超過1Tbps以上之高容量傳輸，此已為遠距(Long-Haul)傳輸之重要技術。在同調傳輸收發機中，正交振幅調變為常見之基頻調變技術，其發射端可同時對訊號進行振幅及相位調變，而接收端則採用雷射源作為本地振盪器(Local Oscillator)，經由接收訊號與本地振盪器訊號之混合拍頻同調偵測來還原傳送訊號。

在同調收發模組IC晶片中，其主要電路包含發射端之數位類比(DAC)訊號產生器、Mach–Zehnder調變器驅動電路，以及接收端之轉阻放大器及類比數位轉換器(ADC)等。因為是雙偏振同調傳輸，發射端需要四組DAC來進行調變，而接收端也需要四組轉阻放大器來進行雙偏振正交訊號接收。為達到矽光子平台之整合，系統之功率消耗及散熱為重要之問題，本計畫將以降低此二關鍵電路之核心功耗為目標，提升轉阻放大器之增益來提升系統之敏感度，在DAC之設計上則將結合數位訊號進行預先補償，以達到後級放大器及調變器之性能匹配，同時降低系統功耗。

半導體構裝縮小光纖耦合機構體積

在矽晶光電同調收發模組構裝部分，我們會先針對逆向梯形波導耦合器(Inverted Taper Waveguide Coupler)來進行開發。比較主流的設計是在光纖與梯形波導尖端之間有一低折射率差的外層中介波導，此種設計著重於降低各個介面的模態不匹配，使低折射率差波導的模態與光纖模態大小吻合、形狀相近，來自光纖的光首先被耦合進這個波導，接著才引入高折射率差的逆向梯形波導。另外一個重點則在於利用半導體技術來縮小光纖耦合的機構體積，可在一般的矽光子晶片上集合V-groove、逆向梯形波導等結構，將光纖直接接入波導陣列之中。

另外，矽光子元件整合所會面臨到的另一重要挑戰就是元件操作時的散熱問題。熱的堆積將會使調變器等元件的特性改變，從而影響矽光子晶片的整體運作。因此本計畫將運用3D IC製程技術來改善矽光子散熱問題，初期會將晶片磨薄並利用矽穿孔(Through Si Via, TSV)來改善散熱問題，後期則可加入高散熱奈米材料更近一步強化散熱效果。

而有鑑於矽晶光電晶片的製作成本仍然非常昂貴，針對矽晶主動、被動光電元件與同調收發模組系統建構一個介面好用、整合度廣、模擬數值準確度高、僅需較少電腦資源的模擬設計環境平台就變得非常重要。因此本計畫也將發展矽晶光電模擬設計工具平台以及探討矽晶光電的其他前瞻通訊應用，目標之一是研究反算設計的方法，將之應用在矽光子元件的設計上，並探討有效的最佳化設計方法。