400G/lane 瓶颈：是材料困局，还是设计难题？| 联电 SEMICON 论坛报告

01 带宽缩放定律与现实天花板

1. 通信领域存在两条对标 CMOS 摩尔定律的带宽增长定律：

• Edholm 定律：电信带宽约 18 个月翻倍
• Nielsen 互联网带宽定律：带宽约 21 个月翻倍

2. 对应数据中心互连：模块容量大约每 1.5‑2 年实现翻倍。

3. 市场迭代节奏：10G‑40G → 100G → 400G （2023‑2026）→ 800G （2025‑2028）→ 1.6T 及以上 （2025后）。

4. 400 G/lane及以上速率无法依靠单纯硬件暴力提升无限演进，电子、光学器件都遇到严重瓶颈：

• SERDES受CMOS性能限制；
• 400G/lanePAM4方案需电3dB 带宽超过110GHz，光电二极管、硅基调制器都出现带宽天花板；
• 业界有提出300G/lane作为过渡速率规格；

5. 突破 400Gbps / 通道可选路径：升级调制格式PAM4→PAM8、选用更高带宽元器件、相干传输、WDM 单通道多波长，或是多项技术组合。

02 高速速率带来器件物理瓶颈

报告聚焦单通道速率（不是模块总带宽）与光收发器光子部分；电光收发核心器件包含：调制器、DSP/SERDES、TIA / 驱动器等集成电路、光电二极管。

1. 200Gbps / 通道：已落地商用

- 典型方案：PAM4调制格式、硅 MZM+DFB 激光器、Ge 光电二极管、SiGe BiCMOS 的 TIA / 驱动器、先进逻辑 DSP/SERDES，IM/DD 直调直检、单波长架构。

2. 400Gbps / 通道：仅处于演示阶段，几乎整套器件都碰到物理极限：

• 硅基调制器性能抵达上限；
• Ge 光电二极管带宽余量非常紧张；
• TIA、驱动器要求双极晶体管达到 500GHz特征频率，半导体工艺挑战极大；
• DSP/SERDES 设计难度陡增。

03. 调制器选型：硅基三类方案物理受限，TFLN、InP 成为主力候选

调制器是光子系统最核心器件，报告逐一评估硅基 MZM、MRM 微环、SiGe‑EAM，三者均在 400Gbps / 通道场景暴露短板：

1. Si MZM 马赫‑曾德尔调制器：即使采用透明电极等改良结构，带宽提升依旧存在天花板，驱动电压高，PN 结带来固有限制。

2. MRM 微环调制器：面积小、驱动电压低，但对温度极度敏感、工艺严苛；消光比与速率互相取舍，不适合 400G 及以上场景。

3. SiGe EAM 电吸收调制器：尺寸小、驱动电压低；但是啁啾色散大，传输距离受限，适合短距，长距 / 超高速场景劣势明显。

4. 其他备选材料调制器：InP EML/MZM、TFLN MZM、有机、石墨烯、薄膜钽酸锂诸多材料中，其中InP、TFLN 成熟度最高，InP供应链紧缺，TFLN 薄膜铌酸锂发展势头强劲。

5. TFLN薄膜铌酸锂

优势：低损耗、带宽＞110GHz、热稳定性好、线性度极佳，既适合CoherentLite 方案，也适配 400Gbps/lane IMDD 直调直检；

劣势：器件尺寸大、成本高于硅基，和硅光子集成需要异质集成或者先进封装；

集成技术：微转印、先进封装是主流集成技术，铌酸锂各类新应用正在快速开发。

UMC TFLN调制器进展：UMC2021 启动 TFLN 项目，6 英寸已经量产，8 英寸处于样品阶段。

04 Ge 光电二极管的材料困境

200Gbps 场景下性能够用（带宽 50GHz 以上），400Gbps / 通道场景带宽余量不足；可通过工艺、设计优化勉强尝试支持 400G，但能否突破 400Gbps 存在巨大不确定性。

InP 光电二极管性能好，但成本昂贵、集成难度高；业界亟需可替代材料，GeSn、SiSn 等新型替代材料尚处于早期研发阶段。

05 Coherent Lite 简化相干技术

传统相干只用于长距离电信，体积大、功耗高；Coherent Lite 面向数据中心短距互连，用来缓解带宽压力，OCS 光路交换带来约 3dB 额外光损耗，Coherent Lite 接收机灵敏度增益刚好补偿该损耗，这是其产业兴起重要动因。

Coherent Lite与电信相干差异：低色散O 波段工作、短传输距离 2‑20km、单偏振、硬件简化、更低功耗、更低成本；TFLN 凭借超高线性度是 Coherent Lite 的最优调制器。

06 WDM 波分复用技术

WDM是更高单纤速率以及CPO 共封装光学扩容的关键技术路线，通过在同一个通道内部复用多路波长，分为 DWDM（≥8 波长）、CWDM（＜8 波长）。短期看可通过分立多激光器容易实现；长期看光梳激光器功率效率更优，更具备发展潜力。

07 总结和预判

1. 如果走单纯 IM‑DD、不使用 WDM 的路线实现 400G/lane，高度仰赖 TFLN/InP 高性能调制器，以及光探测器材料层面的突破，仅靠设计优化很难达成。

2. 行业不会单纯压榨单个器件带宽；WDM+PAM8 + Coherent相干的组合方案可能是更可行的路线。

3. DCI 单通道速率Scaling Law可能会是一个非线性增长过程。短期内由于引入 WDM、相干算法，以及 TFLN、InP 等非硅材料，光模块复杂度显著提升，速率提升节奏将会放缓。但随着其中某项技术的产业突破，可能会出现一个迅速提升。

4. 未来带宽扩容的重心，将转向异质集成、新型光子平台，而不是一味追求把单个器件带宽做到更大。