光电器件与电子电路的集成是下一代通信应用的需要

当我们大谈即将到来的“融合”时代之时，通信界却给“融合”这个词赋予了新的含义，即指通信系统内部光技术和电子技术的融合。这种系统级的观点也正在影响通信元件。事实上，光元件设计正逐渐呈现出基于硅的集成电子芯片设计的许多特征。

Tony Grewe

企业战略部主任

Sharon K

战略部高级经理

SputzClarence Joh

技术部高级经理

Agere Systems公司

随着基于光纤技术的设备从网络核心向外扩展并成为长距离网络、城域网、海底网络以及接入网的基础，几大因素正推动着光元件和通信IC走向融合。主要的推动因素有以下几方面：

尺寸：对于下一代通信系统来说，更小的封装是一项基本的要求。随着光网络速度和信道数量的提升，对于更小、更快及更低成本元件解决方案的需求变得越来越迫切。把光元件和IC集成到更小封装中可节省机箱内的宝贵空间，从而最终节省中心局的宝贵空间。主要的益处是设计者可以把越来越多的东西封装在一个单元内，并可以拥有32、64或者甚至128个端口，而每个单元均有成套的激光器、调制器和支持芯片组。在过去的几年里，光网络业已从几乎完全基于分立的光和电子部件的设计，过渡到使用模块化子系统的新兴设计，新兴设计为客户带来了尺寸、性能、质量和其它方面的优势。

上市周期：减少产品的开发时间是实现在快速发展的高速数据通信市场上赢利而需要着重考虑的因素之一。具有更高集成度的元件不但节省了OEM和系统设计人员相当多的开发和测试时间，而且还提高了系统的整体性能和可靠性。元件制造商提供更高集成度产品的能力是关系到系统集成商减少总开发时间和工程成本、并进而成功实现市场渗透的关键因素。例如，Agere Systems公司的OC-48收发器模块，它在一个小封装内包含了一个发射器、一个接收器和一个16通道的多路复用器/解复用器。客户购买的是一个经过预装配和测试的模块，而不是一堆“分立的”激光驱动器、激光发射二极管、光探测器，以及一堆必须经过装配和调试的驱动器和网络接口IC。通过购买这样的模块，系统集成商就能够获得完全合格的解决方案，它们已经解决了屏蔽、散热、多重互连和装配等方面的问题，从而设计人员可以把精力更多地集中在对公司真正有价值的设计上。

速度：光元件和通信IC的集成首先发生在高速通信网络的城域网市场，在这一市场上，光元件和通信IC构成的集成器件正变得越来越重要，它也正变成试图以最低的位成本来提供巨大带宽吞吐量的运营商的标准选择。光元件和通信IC的融合也开始向城域网以外延伸，进入到长距离或超长距离网络的核心/边缘部分，以及接入网的电信和数据通信部分。随着业界向40Gbps甚至更高速度转移，通信子系统的性能将在很大程度上取决于光元件和IC的进一步集成，以便在保持所需光特性的同时，改进阻抗匹配和减少寄生现象对性能的影响，并尽量减小高速电子产生的伪电子噪声所造成的影响。这促进了对速度的需求，也推动了对减小尺寸的需求，同时对先进封装技术的需求也愈加迫切。而且，随着光网络复杂度的日益提高，用下游电子信息控制传输信号光处理的需求也越来越强烈。

成本：更高集成度也进一步降低了光电行业的成本，这和标准电子产品业以往的情况非常类似。通过把半导体方法和制造技术应用到光领域，供应商将继续提高成品率并降低生产成本，以使光电市场的发展更接近硅集成电路的市场模型。在这种模型中，成本的不断下降会带来速度、应用和市场商机的指数级增长。

推动并受益于上述几个因素的三个关键市场领域包括密集波分复用(DWDM)、光核心/城域交换机以及边缘路由器。目前，一个DWDM系统已可用不同波长的光传递80或更多独立信道的信息，每个波长传递数据的速率为10Gbps。不过，随着技术的进步，已经出现160条信道且速率接近40Gbps的DWDM系统。不论是光核心/城域交换机还是边缘路由器，它们都是光-电-光(O-E-O)形式，在接合点上，以光子传输的数据必须转换成电子，以便进行路由、交换和其它智能化操作。光核心/城域交换机把信息从一个网络传输到另一个网络，通常需要把一个输入的“粗管道”分解成多个细管道，再把每个细管道的光信号转换成要进行处理和交换的电子信号，然后再进行逆转换过程。随着光传输速率的提高，通信半导体业必须推出能处理更高速度的相应器件和架构，以便处理更高的数据率(如40Gbps)。光边缘路由器领域也正发生类似的转变，分插多路复用器(ADM)可以允许网络供应商把传输数据加入到核心网，或把某个数据流从核心网分流到一个局域网。另外，这种设备必须适应核心网络运行速度日益增长的趋势。

光元件和电子电路集成的发展之路与以往的技术进步曲线相比，虽有相同之处但又有所不同。一方面是在半导体工艺技术上，线宽的不断减小，推动着性能的提升、成本及尺寸的下降。与线宽相对独立的另一个方向是，半导体工艺也在从硅向锗化硅、磷化铟、铌化锂和其它基底化合物材料及混合掺杂物方向发展，以便支持所需的交换速度。虽然磷化铟材料技术过去已广泛应用于光元件领域，但未来的工艺将依赖于对复合材料、工艺和系统级设计的整体了解，以便在单一器件中以最优的方式集成并封装IC和光电功能。

一个相关的问题是“混合信号技术”，这个术语通常是指在同一块裸片上混合集成了模拟和数字电路，但它也适用于把光元件(激光器、光电二极管等)和电子电路(放大器、信号调节器)放在同一块裸片上的情况。光/电子电路“混合信号”功能目前可以集成模块(多块裸片同时封装在同一个衬底上)的形式实现，Agere等公司就在生产并销售这类产品。很多供应商也正在尝试把光元件与相关的全部电子驱动器和电路集成到同一个衬底上。不少公司曾经帮助快速增长的调制解调器和手机市场向集成度越来越高的方向发展，并推动了单芯片解决方案的发展。同样，这些公司也将长期推动光电器件市场的发展，并引领开发高速网络的未来集成化构造模块。

第三个发展中的工艺技术是制造技术。基于光技术的产品装配是供应商和OEM厂商面临的最困难的挑战之一。电子领域是通过导线完成连接，但在光领域要靠光纤、自由空间或波导来引导光传输。通过更高集成度的元件和减少光纤附件来降低光连接的复杂性，这是推动该行业发展的重要出路。此外，现在的大部分光产品需要手工装配，但众所周知，半导体行业的自动生产和装配操作是降低成本并大大提高产品一致性和可靠性的关键因素。自动化操作也是实现高产能力的基本条件。

技术创新的快节奏、产品生命周期的日益缩短以及网络和通信元件复杂度的日益提高，迫使客户需要将光电元件和IC集成的解决方案。这些光电集成化解决方案能减少开发新通信设备的时间和成本。因此，目前处于光电技术通信系统市场前沿领域的系统设计公司和OEM厂商，有必要寻找在四个不同的领域具有专门技术和多项专长的合作伙伴。电子专长，不管是工艺方面还是设计方面，对未来都至关重要，因为光网络的高速度将继续推动IC性能提高以突破网络的瓶颈；光电专长将在设计下一代产品中继续发挥重要作用，不仅像下一代DWDM这样的新器件将推动光传输性能的提高，而且和电子的更紧密集成也将进一步改善下一代设备的散热、功率、体积以及成本方面的限制。只有同时具备电子和光电专长的制造商才能在推动光电集成化发展的道路上占据一席之地。

那些同时具备半导体制造和工艺技术专长，且愿意推动自动生产设备发展的公司将能够利用他们在光领域和电子领域的专长生产出下一代模块，为OEM和系统设计者带来切实的利益。最后，随着核心网络和边缘网络性能朝着越来越高的方向发展，在设计涉及以太网、ATM、IP、SONET、光线信道的基础架构产品，以及开发推动接入网、城域网以及广域网市场中的下一代通信系统发展的其它技术时，通信系统知识将变得至关重要。