光通信芯片新势力！鹏瞰半导体首创两大技术，50G TS-PON即将到来

电子发烧友网报道（文/莫婷婷）近年来，在市场需求的带动下光通信迎来快速发展，并且出现了应用范围越来越广的趋势。2019年，鹏瞰半导体（上海）有限公司（以下简称“鹏瞰半导体”）正式成立，致力于打造智能网络和边缘计算和控制的半导体解决方案，为智能制造和机器人、汽车和 F5G等产业的下一波技术革命提供动力。

作为产业链关键环节的光通信芯片，也是国产光通信行业中较为薄弱的环节，鹏瞰半导体加快产业布局，实现技术突破。鹏瞰半导体首创基于光传输技术的新型工业通信与控制网络，即TS-PON技术。在近期，电子发烧友网采访了鹏瞰半导体首席运营官张路博士，共同探讨了光通信芯片市场的发展现状以及公司未来的发展规划等话题。

图：鹏瞰半导体首席运营官张路博士

深挖光通信市场痛点，鹏瞰半导体推出两大业界首创

在进入光通信市场之前，鹏瞰创始团队就在寻找这个市场真正需要的是什么？“我们希望创建的公司还是要做一些创新的技术，而不是简单的（国产）替代。经过筹备后，我们发现光技术在很多应用场景都有很强的优势。”张路博士说到。

2018年，光传输技术的应用已经非常广泛，例如光纤到户，甚至在数据中心领域的应用发展也很快。而鹏瞰半导体发现了“市场缺口”：为了解决高带宽、低时延和线缆电磁干扰等问题，工业领域也出现采用光纤作为通信媒介的趋势。。当时还没有能很好匹配的光传输技术应用在这些领域。

“我们认为这是一个很好的契机，而且有很多边缘智能终端也对控制和传输提出了新的要求，特别是机器人、工业制造、车载等新兴应用场景。”张路博士提到。

原有的工业控制网络，最注重可靠性、低时延的性能，对数据传输带宽的要求较低。而大部分的数据网络，对数据传输的带宽要求非常高，但对于控制的应用没有要求，因为以前互联网应用主要是在做数据传输，对时延不敏感，但是一旦把数据传输技术应用在工业里，它就必须满足工业应用的要求，包括可靠性、低能耗、低时延等。

新兴应用场景对现有的数据网络提出了很大的挑战，鹏瞰半导体创始团队认为“光进铜退”的趋势，也必将在工业领域发生。

任何一家想要进入新兴领域的玩家，都需要精准找到市场痛点，并且还需要打造属于自己的技术竞争优势。

基于市场需求，鹏瞰半导体在传统PON（无源光网络）技术的基础上做了演进，创新性提出“TS-PON”（时间敏感无源光网络）的概念。随后在FTTx的应用需求下，于今年又正式推出业界第一款FTTR Mini-OLT ASIC。

在9月的CIOE光博展期间，鹏瞰半导体向业界展示了公司的主营产品，基于TS-PON（时间敏感PON技术）的VN1810和VN1110系列SoC芯片，以及基于标准XGS/XG/GPON协议的VN180x和VN110x系列SoC芯片。

图：鹏瞰半导体标准PON与TS-PON高集成芯片产品

首创TS-PON技术，人形机器人将更加灵活

什么是TS-PON技术？根据介绍，鹏瞰半导体将TSN（时间敏感网络）特点和PON技术结合，带宽提升至10G甚至更高，并且将通信时延降至10μs，极大程度解决了工业通信对时延、带宽的问题。

在鹏瞰半导体的产品中，VN1810和VN1110分别是TS-PON Root SoC芯片、TS-PON Node SoC芯片。VN1810通常内置在工业主站的控制器里，VN1110内置在从站传感器、执行器单元里， Root和Node之间采用光纤连接，通过P2MP（点到多点）方式实现信息上传和下发与控制处理。

图：TS -PON的技术原理图

TS -PON技术的目标替代市场指向控制总线和工业以太网。要知道，在工业通信方式中，尽管工业无线网络的需求正在提升，但工业以太网和控制总线等有线方式依旧占据主导地位，合计占据超过八成的市场份额。工业以太网传输技术是点到点的传输技术，不管是采用电缆还是光纤进行传输，都是需要大量的线缆。另外，以太网的协议是为“尽力而为”的数据传输设计的，为了弥补这个缺陷，当前工业以太网或其他TSN技术都还只是做了“改良”工作。从上面TS-PON的技术原理图上可以看出，它是采用了“革命性”的方式优化了传输方式：包括点到多点的技术可以减少大幅减少线缆数量，而且也大幅减少了主站的设备端口及设备数量，降低了投资成本。并且TS-PON从协议根基上保证了工业网络需要的确定性，低时延等需求。

目前，鹏瞰半导体已掌握10G光通信芯片的核心技术，开始向50G等下一代PON技术布局。

“从光网的建设，到光网的维护，它的递升性都非常强，生命空间也非常大。”张路博士表示，基于光纤的特点，鹏瞰半导体可以快速推进TS-PON技术的演进。鹏瞰半导体已经将单芯光纤通信速率50G的产品系列列入产品规划路标，包括50G TS-PON和50G ITU PON。

那么，TS-PON技术的应用能够带来哪些应用升级呢？

当前，鹏瞰半导体推出了工业4.0、机器人、智能汽车的光平台解决方案。关于在机器人上的应用，张路博士提到，机器的沟通分为两部分，一部分是机器内部的沟通，依靠的是有线传输技术把机器人的每一个关节点全都连接起来；另一部分机器跟机器之间的沟通，依靠的是无线传输技术让机器可以完成跟外部物体的互动。两部分传输统筹不同载体之间的连接。而TS-PON技术侧重于有线传输。

现阶段的人形机器人可以完成很多动作，但这些动作的完成都很慢，因为需要考虑数据传输、控制，以及如何在保证安全时又能灵活完成动作等问题。TS-PON技术能够用一根光纤支撑起高达128个节点，具备高带宽、μ秒级低时延，超高性能MCU等优势。后续能够升级为50G TS-PON，，能够让机器人承载更多的摄像头和传感器，可以完成更复杂更灵活的工作。

同样，TS-PON技术的优势在智能汽车、工业4.0领域也能得到充分的发挥。鹏瞰半导体也已经与多家头部企业达成深度合作，未来随着技术的成熟与迭代，将逐步提升市场占有率。

完成0到1的突破，发布首款FTTR Mini-OTL ASIC

在通信领域，FTTR是今年绕不开的热点话题，随着光纤到房间的推进，光通信在智慧家庭的应用也得到进一步的开拓。

针对家庭应用场景，鹏瞰半导体推出了业界第一款FTTR Mini-OTL ASIC——VN180x和VN110x系列SoC芯片。顾名思义，这款产品的特别之处就在于采用了ASIC方案。

相对于FPGA方案，ASIC方案在速率、安全性、功耗等各个方案都有明显的优势，VN180x的功耗可以低至1W，而业界的FPGA方案的功耗约为3W，在家庭应用场景中，功耗将是一个非常明显的优势。此外，VN180x还内置PLL，无需另加高精度时钟芯片。

当前，在家庭应用中，即使连接了 WiFi 6、WiFi 7，但是用户很难感受传输速率很快，这是因为周围有几十个WiFi热点在工作，所以每一个热点的传输数据都很低。而FTTR光网络能还需要进一步优化它，把每个房间的WiFi热点全部连接起来，让它们做更好地协同，提升传输速率。

面向未来的TS-PON SoC，必将引发一场工业领域的大变革

基于AIGC的特性，FTTR的使用场景也从家庭应用领域，拓展至政企等领域。传统FTTH光纤到户对通信传输距离的要求是10公里甚至20公里，但工业应用场景或许只需要100米、200米，房间与房间之间是需要10米或者20米。张路博士表示，这里面光通信有很大的优化空间，包括有线和无线之间怎么样更好地融合，这就是我们下一代要去解决的一个问题。

面对AI等技术带来的海量数据、传输挑战，张路博士认为，如果将车载、机器人、工业应用场景看成一个个边缘智能体，我们需要进一步思考的是：在各种各样的边缘智能应用里，它会对数据传输和实时性提出什么样的要求，我们怎么样把智能的应用和对数据的使用能够做得更好，这是我们要做的。

鹏瞰半导体作为光通信芯片研发商，扮演的角色犹如修桥铺路的基础设施建设，在光通信行业的发展过程中发挥中流砥柱的作用。鹏瞰半导体认为，光技术代表了网络通信的未来，因为它可以覆盖从广域网一直到局域网到工厂到机器人和车身，不管是从公司的发展，还是产品的研发，鹏瞰半导体将开发出更新的技术、更新的产品，引领产业的发展，同时满足业界对新技术无尽的需求。

科学家研发铌酸锂微波光芯片，兼具超宽带处理和高精度计算

近期，香港城市大学王骋副教授课题组基于薄膜铌酸锂平台，开发出一款集成微波光子处理器，首次在同一芯片上结合了超快电光转换模块和低损耗、多功能信号处理模块。

基于高效执行模拟信号的多用途处理及计算工作，这种铌酸锂微波光子芯片能够达到 67GHz 的超宽处理和 96.6% 的高精度计算。从速度来看，相较于传统的电子处理器，该光子芯片快了 1000 倍，并且它的能耗更低。

该技术在多个领域表现出应用潜力，包括 5G/6G 无线通信系统、高分辨率雷达系统、人工智能、计算器视觉以及图像/视频处理等。

图丨从左至右依次为：博士生冯寒珂、王骋副教授、本科生葛通（来源：王骋）

审稿人对该研究评价道：“这项研究代表了这一领域内非常有价值的技术进步。这些结果有力地证明了（作者们）所提出的铌酸锂光子处理器具备的显著性能优势。”

近日，相关论文以《集成铌酸锂微波光子处理引擎》（Integrated lithium niobate microwave photonic processing engine）为题发表在 Nature[1]。香港城市大学博士研究生冯寒珂和本科生葛通为共同第一作者，王骋副教授担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature）

比传统电子处理器速度快 1000 倍

目前，随着无线通信网络、无人驾驶、物联网、大数据和云服务等领域的迅速扩展，结合人工智能浪潮的涌动，海量的数据信息对信号处理系统提出了更高的要求。

那么，该如何实现拥有更大带宽、更高处理速度和更低功耗的处理器呢？为突破传统电子处理器速度和带宽的瓶颈，光子处理器应运而生。

光子处理芯片，顾名思义是运用光进行信号处理及计算工作。相较于传统的电芯片，光具有更快的速度、更高的计算效率和吞吐量，且在光传输过程中能量损失较小，不会产生过多的热量，从而降低能耗。

该研究之所以能够得到各项优异的结果，离不开铌酸锂材料在光子领域的独特优势。铌酸锂对光子学的重要性堪比微电子学中的硅，因此它也被称为“光子学之硅”。

铌酸锂独特的电光特性、超低的光学损耗以及大规模、低成本的制造工艺，使其在构建超快光子处理芯片中脱颖而出，成为实现高速且低耗芯片的理想材料。

图丨集成铌酸锂微波光子芯片示意图（来源：Nature）

在该研究伊始阶段，由于王骋的实验室刚刚建立，如何快速解决铌酸锂晶圆工艺问题成为他们最大的挑战。铌酸锂工艺是一个老生常谈的问题，好的工艺是研究开展的基础，也是制备出好器件的必要前提。

“最初阶段时我每天待在超净间摸索工艺，然后结合刻蚀后的铌酸锂波导的形貌电镜图，来调整和改进工艺流程。作为一名研究‘新手’碰壁在所难免。”冯寒珂表示。

这是一个耗时、枯燥但必不可少的过程。他们提出通过将强度调制器和具有高品质因子的微环谐振器集成在同一个芯片上，来实现超高速时间信号积分功能。那时，课题组成员每天都会在一起讨论如何优化整个工艺流程，然后一次次地通过调整得到越来越理想的测试结果。

研究人员还进一步通过级联微环谐振器，实现了二阶积分功能。“我们从实验中观察到超快信号的处理结果时，意识到该技术具有极为广泛的应用潜力，于是开始探索可能的应用场景。”葛通表示。

在这种积分器基础上，该课题组展示出微波光子学的应用——超高速求解常微分方程。研究人员调控微环谐振器品质因数，从而可以进行不同参数下方程求解，计算精度达 98.1%。相较于传统电子处理器，这种系统优势明显，大幅度提高了处理速度。

此外，该团队还实现了基于频率啁啾的超高速微分器。他们利用信号发生器直接将持续时间 9.6 皮秒的超短 sinc 脉冲输入到光子芯片，有效、准确地获得了微分结果，该结果的实现也显示出铌酸锂微波光子芯片超高速信号处理能力。

图丨高速微波光子信号积分器（来源：Nature）

王骋表示：“受到 Nature Photonics 上一篇论文的启发，我和大家展开了深入讨论，决定将研发的光处理芯片用于图像边缘检测中，并与来自香港中文大学的袁奕萱教授和英国牛津大学的郭小青博士建立合作，迅速展开相关领域研究。”

在该研究中，研究人员将 250×250 像素的“CityU”图标以数据流的形式输入到芯片，以每秒 2560 亿像素的处理速度得到微分信息。

最终他们惊喜地发现，与现有技术相比，该微波光子芯片不仅保持了 96.6% 的高准确性，而且能够以极低的功耗和原有时间的千分之一（快约 3 个数量级）完成同样的任务。

图丨光子赋能超高速医学图像分割（来源：Nature）

另一方面，他们还在如何表征芯片的高性能方面进行了长时间探索。第一轮审稿后，审稿人指出了论文中的一些不足。研究人员需要研制新的芯片和制定新的实验方案，来阐述和突出铌酸锂微波光子芯片的优势。但当时由于测试设备的短缺，大大限制了实验方案的可行性。

经过几个月的商讨、交流和调试，在香港中文大学黄超然教授和博士生王本善的帮助下，该团队又重新搭建了一套用于高速测试的实验平台，全面地验证了铌酸锂芯片的性能优势。

从科研“新手”到负责整个组的芯片加工，冯寒珂回忆道：“记得我人生第一次做出的铌酸锂芯片，连光都通不进去，后来不断地刷新微环谐振器品质因子（Q 值）实验室记录，每一次突破都有满满的成就感。”

这次研究虽然探索的过程充满了艰辛和挑战，但当最终理想的实验结果出现在示波器上时，整个团队都觉得一切的努力都是值得的。

光通信领域的大规模商用前景

在大数据和 AI 浪潮的牵引下，全球算力需求仍将保持快速增长，光模块技术的升级不仅是简单的速率翻倍，更需要解决的是速率提高所带来的功耗高、成本大等问题。

薄膜铌酸锂光调制器拥有极高的性价比，既满足速度需求，也具有低的功耗。王骋指出，基于薄膜的调制器技术在国内外的商业化进程已经有一段时间，并有望于最近一两年内，在光通信领域实现大规模商业化应用。

该课题组认为，薄膜铌酸锂平台在未来更大的优势在于，其应用于更大规模片上系统时，能同时提供高速电光控制、低损耗传输和可扩展性。“这些是目前其他主流平台都不具备的，也是我们现在的主要努力方向。”冯寒珂表示。

（来源：王骋）

当一个芯片不仅仅提供单一器件时，它便拥有了更多的发展空间，可能的应用场景包括：无线通信、物联网、毫米波雷达等领域。

以该研究中的系统为例，6G 网络将需要在频率远高于当前 5G 网络（~ 5GHz）的毫米波频段（30-300GHz）运行，并且需要更多的基站支持信号传输、接收和调度。

由于每个基站的覆盖范围小得多，所以支持这类网络的设备需要能够在更高的频率上运行，因此同时应满足更集成、更低能耗和更低成本的需求。

图丨铌酸锂微波光子芯片（来源：王骋）

而基于传统电子芯片的信号处理器很难在这些频段高效运作，在功耗、噪声和带宽等方面都存在很大挑战。王骋表示：“我们的铌酸锂微波光子处理芯片将这些难点转移到可用带宽近乎无限的光频段进行处理，因此提供了性能大幅提升的解决方案。”

将继续开发和验证薄膜铌酸锂技术的产业应用

王骋在清华大学获得微电子学学士学位，在美国哈佛大学获得电气工程硕士和博士学位，师从马尔科·隆查尔（Marko Lončar）教授，并继续在哈佛大学从事博士后研究。

2018 年，王骋与哈佛大学团队和诺基亚贝尔实验室合作，在铌酸锂平台上开发了全球首个电压与互补式金氧半导体芯片兼容的集成电光调制器[2]，至此掀起了薄膜铌酸锂研究的“热潮”。

同年，王骋在香港城市大学建立独立课题组，继续深耕集成铌酸锂光子领域，并探索出高性能的晶圆级铌酸锂加工工艺。

此前，该团队的研究已在涉足微波光子领域。例如，研究高线性度调制器和毫米波-光调制器，分别解决了薄膜铌酸锂平台应用于微波光子学和毫米波光子学的重要瓶颈，提高了链路的线性度和扩大了系统的响应度[3-4]（DeepTech 以往报道：为微波与毫米波光子学瓶颈提供新方案，港城大团队大幅提升薄膜铌酸锂调制器线性度及工作带宽）。

由于“发明独特的薄膜铌酸锂平台及配套微纳加工体系，实现高性能、小体积、低成本、低功耗的光互连解决方案”，王骋成为 2021 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区入选者之一（DeepTech 以往报道：王骋：突破传统瓶颈，研发高性能集成铌酸锂光电子芯片，实现高性能低成本光互连解决方案）。

基于本次新的研究成果，他们计划在铌酸锂工艺的进一步规模化和封装工艺的进一步优化方面继续推进，以减少整个器件的插入损耗，提高工作稳定性并进一步实现更大规模的片上信号处理，从而能够真正在实地系统中测试整个芯片的应用效果。

下一阶段他们计划，进一步提升铌酸锂片上光系统的集成度和功能性。这既包括与课题组已有的其他功能器件（如光频梳等）在同一片上集成，也包括和其他光学材料的异质集成，以实现包括激光器、探测器在内的更多器件的集成和协同效应。

产业合作方面，目前王骋与团队正在积极探索与光通信设备制造商和光学器件供应商的合作，共同开发和验证薄膜铌酸锂技术在相关产业中的应用。他表示：“我们也欢迎更多感兴趣的产业合作者与我们联系。”

参考资料：

1.Feng, H., Ge, T., Guo, X.et al. Integrated lithium niobate microwave photonic processing engine. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07078-9

2.C. Wang, M. Zhang, X. Chen, M. Bertrand, A. Shams-Ansari, S. Chandrasekhar, P. Winzer, and M. Lončar.Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages. Nature, 562:101-104, 2018.https://doi.org/10.1038/s41586-018-0551-y

3.H.K. Feng, K. Zhang, W.Z. Sun, Y.M. Ren, Y.W. Zhang, W.F. Zhang and C. Wang, Ultra-high-linearity integrated lithium niobate electro-optic modulators. Photonics Research, 10:2366-2373, 2022.https://doi.org/10.1364/PRJ.464650

4. Y.W. Zhang, L.B. Shao, J.W. Yang, Z.X. Chen, K. Zhang, K-M. Shum, D. Zhu, C.H. Chan, M. Lončar and C. Wang,Systematic investigation of millimeter-wave optic modulation performance in thin-film lithium niobate. Photonics Research, 10:2380-2387, 2022.https://doi.org/10.1364/PRJ.468518

运营/排版：何晨龙

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