應(yīng)用于CPO封裝模塊內(nèi)的光纖互聯(lián)方案

隨著Serdes傳輸速率的提升，交換機(jī)功耗和信號損失、系統(tǒng)集成度等問題愈發(fā)具有挑戰(zhàn), CPO新技術(shù)滲透率加速提升。根據(jù)LightCounting的數(shù)據(jù)顯示，人工智能對網(wǎng)絡(luò)速率的需求是當(dāng)前的10倍以上。LightCounting預(yù)計(jì)CPO技術(shù)的出貨將從800G和1.6T端口開始，在2024至2025年期間開始商用，2026至2027年開始規(guī)模上量，主要應(yīng)用于超大型云服務(wù)商的數(shù)通短距場景。

CPO發(fā)展Roadmap

共封裝光學(xué)CPO(Co-Packaged Optics)是一種將光引擎和交換芯片共同封裝在一起的光電共封裝技術(shù)，起到高集成度、降低成本、降低功耗的目的。光引擎(OE, Optical Engines)指的是光收發(fā)模塊中負(fù)責(zé)處理光信號的部分，CPO將光引擎和交換芯片共同裝配的同一個(gè)Socketed上，形成芯片和模組的共封裝。光引擎離交換芯片越近，光信號距離越短，SerDes功耗越小。

CPO發(fā)展Roadmap

英偉達(dá)的最新產(chǎn)品線路圖顯示，將于3Q25推出CPO版本的Quantum 3400 X800 IB交換機(jī)， 26年推出CPO版本的Spectrum4 Ultra X800以太網(wǎng)交換機(jī)。 IB交換機(jī)有144個(gè)MPO光接口，支持36個(gè)3.2T CPO， 內(nèi)部有4個(gè)28.8T的交換芯片(總共115.2T的交換能力)。

英偉達(dá)CPO交換機(jī)

芯片之間采用多平面技術(shù)。即每一根交換機(jī)外面的光纖從MPO口進(jìn)來之后，會(huì)用光纖分纖盒(shuffle box)將其信號拆分成四路并分別連接到四個(gè)不同的交換機(jī)芯片上，從而將信源切割成最小單元，最終在CX8網(wǎng)卡端進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚。允許多個(gè)獨(dú)立平面同時(shí)運(yùn)行。Shuffle box起到關(guān)鍵的信號分配和處理作用。

CPO系統(tǒng)組成架構(gòu)

Shuffle Box – 倍數(shù)級容量提升

高速率CPO交換機(jī)內(nèi)部預(yù)計(jì)需要數(shù)千根光纖，這些光纖需要在交換機(jī)內(nèi)部狹小空間中進(jìn)行排布，還需要解決板中每個(gè)光引擎到前面面板的距離(每個(gè)OE位于ASIC芯片周圍，到前面面板的距離都會(huì)有所不同)不一產(chǎn)生的光纖長度不一致帶來的制造可靠性問題，除了需要采用更多高密度連接頭和適配器，光引擎到端面的連接方式采用光纖柔性光背板shuffle的方式可以有效解決上述問題。

高速率CPO交換機(jī)

柔性光背板

柔性光背板產(chǎn)品設(shè)計(jì)在靈活的薄膜基板上，可自定義任何光纖路由線路，最大限度減少光纖交叉的應(yīng)力，同時(shí)提供復(fù)雜信號通道的路由。常規(guī)的光纖配線架1U空間僅支持24芯光纖熔接和分配，按2m高的機(jī)柜40U空間計(jì)算，1臺機(jī)柜總?cè)萘績H有24×40=960芯容量。利用光纖柔性板技術(shù)，結(jié)合高密度MT光纖接頭，1U光纖機(jī)箱可支持12×50=600芯光纖熔接和分配，按2m機(jī)柜40U空間計(jì)算，1臺機(jī)柜總?cè)萘靠蛇_(dá)600×40=24000芯，光纖配置容量為常規(guī)方案的20倍以上。

柔性光背板

高密度連接器需求

Shuffle box依賴高密度連接器(如MPO/MMC連接器等)來實(shí)現(xiàn)高速、高密度的信號連接和傳輸，以滿足數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)性能和設(shè)備集成度的要求。CPO交換機(jī)內(nèi)部需要大量光纖部署，采用高芯數(shù)的MPO可以有效縮減前面板所需端口數(shù)量。例如，51.2T CPO內(nèi)部或需要1152根光纖，普通光纖1024F(和保偏光纖128F)，若采用16芯MPO，則需要64個(gè)MPO連接器(16×64=1024)，對應(yīng) CPO 前面板上需要 64個(gè)適配器端口?？梢詫Ρ纫幌?，如果不采用MPO，采用雙芯LC連接器，則1024F需要512個(gè)連接器(512×2=1024)，那對應(yīng)CPO前面板上需要512個(gè)適配器端口，普通1U尺寸的機(jī)箱容納不了這么多數(shù)量。這樣對比就突顯出來高密度連接器的需求。

高密度連接器需求

保偏光纖強(qiáng)需求

CPO激光光源有兩種，集成激光源(ILS, Integrated Laser Source)和外部激光源(ELS，External Laser Source)。集成激光源(ILS)：是指將激光源與 PIC 集成在同一封裝上，形成單一封裝解決方案。外部激光源(ELS)：將激光源與 PIC 分離成一個(gè)獨(dú)立模塊。雖然這種配置占用的空間更大，但其優(yōu)點(diǎn)是制造工藝更簡單、成本更低，降低ASIC芯片散熱對激光器穩(wěn)定性影響。

由于其易于維護(hù)和廣泛的可及性，外部激光源(External laser source，ELS)是 CPO光源目前較多的解決方案。CPO光引擎的性能對于入射ELS光的偏振狀態(tài)非常敏感，需要外部光源發(fā)射信號時(shí)保持激光偏振態(tài)，因此需要保偏光纖(Polarization Maintaining Fiber, PMF)連接光源和交換芯片。保偏光纖的使用使得光在光纖中僅沿著一個(gè)偏振方向傳播，保證了光信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。由于保偏光纖成本較高，通常用于光信號的引入，而從光芯片到外部端面的光信號導(dǎo)出還是采用非保偏光纖。

保偏光纖

光子集成電路(Photonic Integrated Circuit, PlC) 連接

硅基集成光電芯片與外部光纖之間的光互聯(lián)是芯片封裝的關(guān)鍵技術(shù)，需要在微米級范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光信號的低損耗傳輸和高對準(zhǔn)精度的耦合。硅基材料因其高折射率特性，導(dǎo)致波導(dǎo)模場直徑通常遠(yuǎn)小于單模光纖的模場直徑，從而在模式轉(zhuǎn)換時(shí)容易產(chǎn)生高插入損耗。3D光波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)光信號在三維空間的靈活引導(dǎo)和耦合，解決了傳統(tǒng)平面光波導(dǎo)技術(shù)的局限性，能適應(yīng)更加復(fù)雜的封裝需求。通過先進(jìn)的加工工藝(如光刻、激光直寫技術(shù))制造的3D光波導(dǎo)，具備高精度的幾何控制和優(yōu)異的光學(xué)性能，為未來硅基光電芯片的高效互聯(lián)提供了可靠保障。

光子集成電路(Photonic Integrated Circuit, PlC) 連接

憑借 20 多年在光通信無源器件制造領(lǐng)域的深厚積累，HYC 可為未來 CPO 連接提供定制化光互聯(lián)解決方案：

? 柔性光背板：支持自動(dòng)化光纖路由設(shè)計(jì)與布線，可滿足大批量生產(chǎn)需求。

? MPO/MTP 高密度連接產(chǎn)品：依托高精密模具設(shè)計(jì)與精密注塑工藝，為 AI 數(shù)據(jù)中心提供高密度、高可靠性的光纖連接解決方案。

? 保偏 PM 產(chǎn)品：憑借成熟的工藝技術(shù)與關(guān)鍵工序自動(dòng)化生產(chǎn)能力，可確保產(chǎn)品的大規(guī)模供應(yīng)與一致性。

? 光學(xué)技術(shù)平臺：具備空間光學(xué)設(shè)計(jì)與耦合、亞微米級對準(zhǔn)、精密光學(xué)冷加工及光學(xué)檢測等能力，為光子集成電路 (PIC) 連接提供設(shè)計(jì)導(dǎo)入 (design-in) 和聯(lián)合開發(fā)支持。

HYC 的光纖互聯(lián)方案不僅滿足 CPO 模塊的高性能需求，還支持未來光模塊集成化和高速互聯(lián)的發(fā)展趨勢。