一文詳解CPO光模塊技術(shù)

AI迎來(lái)“iPhone時(shí)刻”，光技術(shù)持續(xù)演進(jìn)

AI未來(lái)已來(lái)，算力、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和光模塊等領(lǐng)域率先受益。2022年11月底，OpenAI發(fā)布聊天機(jī)器人ChatGPT，僅用5天用戶破百萬(wàn)，2個(gè)月活躍用戶破億，成為史上增速最快的消費(fèi)級(jí)應(yīng)用之一。2023年3月，英偉達(dá)召開(kāi)的GTC開(kāi)發(fā)者大會(huì)猶如“深水炸彈”，創(chuàng)始人兼CEO黃仁勛提出的全新概念：我們正處于AI的“iPhone時(shí)刻”。目前AI正在迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)，將成為數(shù)十年來(lái)最有前途的技術(shù)領(lǐng)域之一，并將驅(qū)動(dòng)算力、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和光模塊等領(lǐng)域的極大發(fā)展。受益于此，博通和Marvell等網(wǎng)絡(luò)與通信芯片巨頭的股價(jià)均迎來(lái)大幅上漲。博通表示23年用于生成式AI業(yè)務(wù)的以太網(wǎng)設(shè)備銷售額將從2億美元上升到超8億美元；Marvell也于近期表示AI已成為關(guān)鍵成長(zhǎng)動(dòng)能，預(yù)估2024財(cái)年AI相關(guān)產(chǎn)品營(yíng)收至少較2023年度呈現(xiàn)倍增，并在未來(lái)幾年持續(xù)迅速成長(zhǎng)。

高速率光技術(shù)持續(xù)演進(jìn)。

作為AI算力的核心器件，光模塊及其配套芯片持續(xù)迭代：1）CPO、LPO等先進(jìn)封裝技術(shù)在降低光模塊成本及功耗上作用顯著，中際旭創(chuàng)、新易盛等光模塊廠商率先布局；2）EML、硅光和薄膜鈮酸鋰等光芯片不斷升級(jí)來(lái)適配高速率場(chǎng)景應(yīng)用，源杰科技、長(zhǎng)光華芯和光庫(kù)科技等廠商不斷突破芯片技術(shù)瓶頸。光芯片作為光模塊中最核心的部件（光器件占光模塊成本的73%，光芯片占光器件成本的81%），擁有更大的附加價(jià)值量彈性和國(guó)產(chǎn)替代預(yù)期，在產(chǎn)業(yè)鏈中地位尤其重要，光芯片廠商亦有望在AI浪潮中持續(xù)受益。

光芯片三重邏輯共振：1）AI算力高彈性；2）國(guó)產(chǎn)替代預(yù)期；3）下游模塊廠商出海加持。在AI算力需求拉動(dòng)下光模塊向更高速率演進(jìn)，光芯片作為光模塊核心器件有望深度受益；中國(guó)光芯片市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增加，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程有望持續(xù)邁進(jìn)；國(guó)內(nèi)下游模塊廠商海外業(yè)務(wù)不斷拓展，光芯片可以跟隨光模塊出海，有望應(yīng)用到谷歌、微軟等海外互聯(lián)網(wǎng)大廠。在前沿光通信技術(shù)發(fā)展和高算力需求的共同催化下，將有力推動(dòng)光芯片的技術(shù)升級(jí)和更新?lián)Q代，硅光芯片、薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片等有望成為更優(yōu)解決方案。

1）算力需求帶動(dòng)高速率光模塊市場(chǎng)量?jī)r(jià)齊升。全球數(shù)據(jù)規(guī)模隨著AIGC的發(fā)展預(yù)計(jì)增速會(huì)持續(xù)提升，數(shù)據(jù)中心高速率光模塊市場(chǎng)相應(yīng)將獲得較大增量市場(chǎng)。根據(jù)中國(guó)計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）CPO標(biāo)準(zhǔn)及草根調(diào)研數(shù)據(jù)，云計(jì)算通用服務(wù)器所屬葉脊架構(gòu)的交叉互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中上行、下行端口收斂比約為3:1，1臺(tái)服務(wù)器約需要4-6個(gè)光模塊，整體平均單價(jià)在1美金/GB左右；而AI服務(wù)器所用的A100、H100等GPU，需用200G以上的高速率光模塊8-10個(gè)/片。

根據(jù)LightCounting的統(tǒng)計(jì)，全球Top5云廠商以太網(wǎng)光模塊市場(chǎng)體現(xiàn)出對(duì)高速率光模塊的偏好。2023年800G光模塊需求預(yù)計(jì)將進(jìn)一步替代較低速率光模塊的份額，整體高速率光模塊用量和規(guī)格不斷提升，呈量?jī)r(jià)齊升之勢(shì)。

光芯片是光模塊的核心器件，附加價(jià)值量彈性更大。

根據(jù)LightCounting數(shù)據(jù)測(cè)算，光芯片占光模塊市場(chǎng)比重從2018年約15%的水平到2025以后超過(guò)25%的水平，光芯片有望深度受益。相對(duì)于光模塊和器件，光芯片具有更大的附加價(jià)值量彈性，其成本占比分布在低端器件、中端器件、高端器件上的數(shù)據(jù)逐級(jí)提升，大約分別為20%、50%、70%。隨著通訊、AI等產(chǎn)業(yè)對(duì)高性能光模塊的需求快速增長(zhǎng)，光芯片將呈現(xiàn)量?jī)r(jià)齊升的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2）中國(guó)光芯片市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增加，光芯片國(guó)產(chǎn)替代正當(dāng)時(shí)。

根據(jù)ICC預(yù)測(cè)，2019-2024年，中國(guó)光芯片廠商銷售規(guī)模占全球光芯片市場(chǎng)的比例將不斷提升。目前，我國(guó)光芯片企業(yè)已基本掌握2.5G及以下速率光芯片的核心技術(shù)；部分10G光芯片產(chǎn)品性能要求較高、難度較大，如10GVCSEL/EML激光器芯片等，國(guó)產(chǎn)化率不到40%；25G及以上光芯片方面，隨著5G建設(shè)推進(jìn)，我國(guó)光芯片廠商在應(yīng)用于5G基站前傳光模塊的25GDFB激光器芯片有所突破，數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)光模塊企業(yè)開(kāi)始逐步使用國(guó)產(chǎn)廠商的25GDFB激光器芯片，2021年25G光芯片的國(guó)產(chǎn)化率約20%，但25G以上光芯片的國(guó)產(chǎn)化率仍較低，約為5%，目前仍以海外光芯片廠商為主。

3）光芯片可以跟隨光模塊出海，有望應(yīng)用到海外大廠的AI服務(wù)器及數(shù)據(jù)中心當(dāng)中。

海外光芯片企業(yè)已形成產(chǎn)業(yè)閉環(huán)和高行業(yè)壁壘，可自主完成芯片設(shè)計(jì)、晶圓外延等關(guān)鍵工序，可量產(chǎn)25G及以上速率的光芯片。部分中國(guó)光芯片企業(yè)已具備領(lǐng)先水平，隨著技術(shù)能力提升和市場(chǎng)認(rèn)可度提高，競(jìng)爭(zhēng)力將進(jìn)一步增強(qiáng)。目前全球光模塊市場(chǎng)主要由美中日三國(guó)占據(jù)主導(dǎo)地位，2021年光模塊全球前十的生產(chǎn)商中有一半來(lái)自中國(guó)。隨著國(guó)內(nèi)下游模塊廠商海外業(yè)務(wù)的不斷拓展，光芯片可以跟隨光模塊出海，有望應(yīng)用到海外大廠，國(guó)產(chǎn)光芯片發(fā)展前景廣闊。

CPO、LPO、硅光、相干以及薄膜鈮酸鋰等技術(shù)值得關(guān)注，將有力推動(dòng)光芯片技術(shù)升級(jí)和更新?lián)Q代。數(shù)據(jù)中心的商業(yè)模式下，云廠商在成本端有充分的動(dòng)力為低功耗服務(wù)器買單；同時(shí)，在低功耗的基礎(chǔ)上，AI服務(wù)器對(duì)低時(shí)延有著更高的要求。因此，除了以CPO與硅光技術(shù)為主線的光模塊發(fā)展路徑外，LPO方案應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，在相干光通訊和非相干數(shù)據(jù)中心的信號(hào)傳輸中，薄膜鈮酸鋰所制備的超高速率電光調(diào)制器有望受益于光器件集成新趨勢(shì)，從而打開(kāi)更加廣闊的市場(chǎng)空間。在前沿光通信技術(shù)發(fā)展與高算力需求拉動(dòng)的共同催化下，高速率光芯片前景廣闊，更高速率的DFB、EML芯片、硅光芯片、薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片等將成為更優(yōu)解決方案。此外，立訊精密、長(zhǎng)電科技等消費(fèi)電子/半導(dǎo)體公司也逐步進(jìn)入光模塊/芯片賽道，有望將成熟技術(shù)應(yīng)用到光芯片產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)一步降本增效促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。

CPO是光通訊實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的長(zhǎng)期路徑

CPO是長(zhǎng)期路徑；LPO易落地，是短中期極具性價(jià)比的過(guò)渡方案。CPO方案是通過(guò)在交換機(jī)光電共封裝起到降低成本、降低功耗的目的。長(zhǎng)期來(lái)看，CPO是實(shí)現(xiàn)高集成度、低功耗、低成本以及未來(lái)超高速率模塊應(yīng)用方面最優(yōu)的封裝方案。由于目前的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟等原因，短期內(nèi)難以大規(guī)模應(yīng)用。相比之下，LPO主要的技術(shù)壁壘在于更復(fù)雜的RF模塊，仍然采用可插拔模塊的形式，可靠性高且便于維護(hù)，可以直接應(yīng)用于目前成熟的光模塊供應(yīng)鏈。

CPO是在成本、功耗、集成度各個(gè)維度上優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的光電封裝方案。CPO（CopackagedOptics）將光模塊不斷向交換芯片靠近，縮短芯片和模塊之間的走線距離，最終將光引擎和電交換芯片封裝成一個(gè)芯片。理想情況下，CPO可以逐步取代傳統(tǒng)的可插拔光模塊，將硅光子模塊和超大規(guī)模CMOS芯片以更緊密的形式封裝在一起，從而在成本、功耗和尺寸上都進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的光互連技術(shù)。

高速率CPO滲透率預(yù)計(jì)從24年開(kāi)始顯著提升，高速率光模塊需求海外先行。根據(jù)LightCounting數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，800G/1.6T光模塊與AOC加上CPO出貨將從2022年不到百萬(wàn)件增長(zhǎng)至2027年超過(guò)1500萬(wàn)件，其中CPO滲透率將從24年開(kāi)始快速提升。2023年4月5日全球光互連論壇OIF發(fā)布業(yè)界首個(gè)3.2T共封裝模塊實(shí)施協(xié)議，可見(jiàn)目前海外市場(chǎng)，尤其是高速率板塊對(duì)CPO需求更為迫切，國(guó)內(nèi)上量節(jié)奏緊隨其后。

CPO的發(fā)展需要產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同推進(jìn)，考驗(yàn)光模塊/光引擎廠商的長(zhǎng)期綜合實(shí)力。CPO的技術(shù)路線在逐步推進(jìn)的過(guò)程中本質(zhì)上也是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化，需要數(shù)據(jù)中心整體產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同推進(jìn)。其中涉及到的環(huán)節(jié)在現(xiàn)有光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)上預(yù)計(jì)還需要得到交換芯片及設(shè)備廠商，以及各元器件廠商的合作。因此CPO的進(jìn)度本質(zhì)上是對(duì)光模塊/光引擎廠商綜合實(shí)力的長(zhǎng)期考驗(yàn)，包括在光模塊零部件、封裝等方面的技術(shù)積累與研發(fā)實(shí)力，以及下游客戶的關(guān)系。

MicroTEC是高速率光通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)控溫的優(yōu)質(zhì)方案。TEC（ThermoElectricCooler）半導(dǎo)體制冷器是指利用熱電材料的帕爾貼效應(yīng)制取冷量的器件，又稱熱電制冷器，具有無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、不需制冷劑、體積小、重量輕等特點(diǎn)，易于進(jìn)行冷量調(diào)節(jié)。TEC的重要性對(duì)于光模塊而言，不僅在于降溫散熱，核心在于保持工作波長(zhǎng)的穩(wěn)定，激光器波長(zhǎng)會(huì)根據(jù)自身溫度來(lái)進(jìn)行漂移，如果不控制波長(zhǎng)溫度，就會(huì)引起通道間串?dāng)_，TEC則可以通過(guò)該電流精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.1℃的溫度控制。在光模塊領(lǐng)域，對(duì)于目前的200G/400G/800G高速光模塊，必須使用MicroTEC來(lái)實(shí)現(xiàn)工作波長(zhǎng)的穩(wěn)定。隨著數(shù)據(jù)中心400G/800G模塊、長(zhǎng)距離相干模塊的發(fā)展，對(duì)微型化的局部精準(zhǔn)控溫提出了更高要求，TEC未來(lái)市場(chǎng)前景廣闊。

光模塊龍頭及光芯片技術(shù)領(lǐng)先的供應(yīng)商直接受益于市場(chǎng)增量，對(duì)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)更具話語(yǔ)權(quán)。

目前，華工科技、源杰科技等多家廠商布局CPO領(lǐng)域。其中，華工科技“光聯(lián)接+無(wú)線聯(lián)接”的解決方案市占率行業(yè)領(lǐng)先，100G/200G/400G全系列光模塊批量交付，CPO技術(shù)的各種類型800G系列產(chǎn)品已經(jīng)給北美頭部廠家送樣測(cè)試。源杰科技是國(guó)內(nèi)高速率光芯片龍頭，公司CW大功率光源可以用于CPO領(lǐng)域，已向多家客戶送樣測(cè)試。銘普光磁的光模塊產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于數(shù)通領(lǐng)域，400G系列產(chǎn)品已生產(chǎn)交付，800G光模塊預(yù)研中，其中CPO相關(guān)技術(shù)是公司未來(lái)研發(fā)的重要方向之一。中際旭創(chuàng)、仕佳光子、聯(lián)特科技等廠商在CPO領(lǐng)域亦有所布局。富信科技是目前國(guó)內(nèi)少數(shù)能夠批量生產(chǎn)光通信應(yīng)用高性能超微型熱電制冷器件的企業(yè)，22年公司已經(jīng)具備了年產(chǎn)200萬(wàn)片MicroTEC的批量化生產(chǎn)能力。

LPO是短中期極具性價(jià)比的過(guò)渡方案

LPO光模塊在功耗、時(shí)延方面更優(yōu)，設(shè)計(jì)核心在于去DSP化。LPO（Linear-drivePluggableOptics）線性驅(qū)動(dòng)可插拔光模塊是基于LinearDriver芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可插拔光模塊，線性驅(qū)動(dòng)的方案的直接表征在于去DSP化，在數(shù)據(jù)鏈路中只使用線性模擬元件，無(wú)CDR或DSP的設(shè)計(jì)方案。DSP是數(shù)字信號(hào)處理器，隨著高性能DSP不斷迭代，目前整體來(lái)看高速率光模塊中DSP芯片功耗占比約在50%的水平。因此LPO去DSP在可插拔光模塊上具備顯著的低功耗優(yōu)勢(shì)。

短距離、低功耗、低時(shí)延、低成本特性使得LPO方案適配AI計(jì)算中心。LPO方案的特點(diǎn)是適用于短距離、低成本、低功耗、低時(shí)延。根據(jù)草根調(diào)研，LPO方案較之傳統(tǒng)可插拔光模塊方案成本保守估計(jì)可降低15%，功耗降低50%，時(shí)延可從微妙級(jí)降至納秒級(jí)。這些都是取締DSP而產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)，但也在信號(hào)恢復(fù)方面有所犧牲。目前的LPO方案其信號(hào)恢復(fù)性能主要由Host交換芯片所含的收發(fā)DSP/Serdes，以及線性直驅(qū)driver中的CTLE和TIA中的Pre-emphasize來(lái)補(bǔ)償。

加速落地，高線性度TIA/Driver廠商大力推進(jìn)LPO方案。

Macom、Semtech、美信等電芯片實(shí)力強(qiáng)勁的廠商，在DSP領(lǐng)域不及博通、Inphi，從而希望通過(guò)LPO方案繞開(kāi)DSP短板。因此這些廠商有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力與光模塊封裝設(shè)計(jì)廠商合作，比如目前Macom與劍橋科技的戰(zhàn)略合作等。加上LPO方案在性能、成本等方面確有不小的優(yōu)勢(shì)，契合服務(wù)器廠商需求，整體推進(jìn)速度較快。

華工科技、新易盛、中際旭創(chuàng)等LPO進(jìn)度較快的廠商有望率先發(fā)力。

其中，華工科技積極布局LPO方案，結(jié)合LPO技術(shù)800G系列產(chǎn)品都已經(jīng)給北美頭部廠家送樣測(cè)試。新易盛作為高速率光模塊供應(yīng)商，在LPO技術(shù)領(lǐng)域已深入布局，OFC2023期間推出多款相關(guān)產(chǎn)品，與主流廠商和用戶建立起了良好合作關(guān)系，并積極推動(dòng)LPO相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目的進(jìn)展，力爭(zhēng)在LPO相關(guān)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)。

硅光集成趨勢(shì)下光引擎地位凸顯

“以光代電”，硅光模塊對(duì)比傳統(tǒng)光模塊在高速率領(lǐng)域具有高集成度、低成本、低功耗的顯著優(yōu)勢(shì)。硅是用量最大的半導(dǎo)體晶圓材料，具有低成本和加工工藝成熟的優(yōu)勢(shì)。硅光基于硅和硅基襯底材料，通過(guò)CMOS工藝進(jìn)行光器件開(kāi)發(fā)和集成的新一代技術(shù)。硅光模塊產(chǎn)生的核心理念是“以光代電”，即利用激光束代替電子信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。普通光模塊采用分立式結(jié)構(gòu)，光器件部件多，封裝工序較為復(fù)雜，從而需要投入較多人工成本，而硅光模塊由于芯片的高度集成，組件與人工成本也相對(duì)減少。在400G及以上的高速率的場(chǎng)景中，傳統(tǒng)DML和EML成本較高，硅光模塊成本優(yōu)勢(shì)更為顯著。

硅光芯片中的光器件分為有源器件和無(wú)源器件。硅光芯片中的有源器件包括激光器、調(diào)制器和光電探測(cè)器；無(wú)源器件包括平面波導(dǎo)、光柵或邊緣耦合器等。基于這些元器件，可以構(gòu)成光發(fā)射/接收芯片，并開(kāi)展列陣化的應(yīng)用，最終通過(guò)光子集成技術(shù)（PIC）來(lái)實(shí)現(xiàn)硅光芯片。其中，核心硅光芯片器件主要包括硅基激光器、硅光調(diào)制器、光電探測(cè)器、無(wú)源復(fù)用技術(shù)等。

光引擎產(chǎn)品形態(tài)順應(yīng)集成化發(fā)展規(guī)律。光引擎指的是光收發(fā)模塊中負(fù)責(zé)處理光信號(hào)的部分。而高速光引擎是高速光收發(fā)模塊的核心器件，在高速發(fā)射芯片和接收芯片封裝基礎(chǔ)上集成了精密微光學(xué)組件、精密機(jī)械組件、隔離器、光波導(dǎo)器件等，實(shí)現(xiàn)單路或者多路并行的光信號(hào)傳輸與接收功能。

硅光芯片集成高速光引擎趨勢(shì)確定性強(qiáng)。硅光技術(shù)將硅光模塊中的光學(xué)器件、電子元件整合到一個(gè)獨(dú)立的微芯片中，使光信號(hào)處理與電信號(hào)的處理深度融合，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“光互聯(lián)”。硅光集成大規(guī)模應(yīng)用之后，電芯片和硅光集成芯片與光纖連接，形成光引擎。相比分立器件光模塊，硅光器件不需要OSA封裝，具有低成本、高性能的優(yōu)勢(shì)。向硅光芯片集成高速光引擎的發(fā)展趨勢(shì)是目前行業(yè)共識(shí)。

硅光及光引擎順應(yīng)光模塊集成大趨勢(shì)，華工科技、源杰科技、立訊精密等廠商有所布局。

華工科技積極推進(jìn)硅光技術(shù)應(yīng)用，現(xiàn)已具備從硅光芯片到硅光模塊的全自研設(shè)計(jì)能力，800G硅光模塊已正式面市。源杰科技50G、100G高速率激光器芯片產(chǎn)品以及硅光直流光源大功率激光器芯片產(chǎn)品向商用推進(jìn)，目標(biāo)在高端激光器芯片產(chǎn)品的特性及可靠性方面對(duì)美、日壟斷企業(yè)的全面對(duì)標(biāo)。立訊精密800G硅光模塊已在多家客戶完成測(cè)試，小批量交付正在準(zhǔn)備中。

“相干下沉”+相干光鏈路空間可期

數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)方案可根據(jù)其傳輸距離來(lái)選擇兩種支撐技術(shù)，直接探測(cè)技術(shù)與相干探測(cè)技術(shù)。隨著光模塊速率的不斷提升，直接探測(cè)方案的傳輸距離將受到限制，相干探測(cè)憑借著高容量、高信噪比等優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。相干探測(cè)調(diào)制方式靈活、靈敏度強(qiáng)，適用于長(zhǎng)距離傳輸。相較于傳統(tǒng)光接收機(jī)只響應(yīng)光功率的變化，相干探測(cè)可探測(cè)出光的振幅、頻率、位相、偏振態(tài)攜帶的所有信息，并且取代傳統(tǒng)光復(fù)用技術(shù)的大頻率間隔，具有以頻分復(fù)用實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率的潛在優(yōu)勢(shì)。相干檢測(cè)能改善接收機(jī)的靈敏度，在相同的條件下，相干接收機(jī)比普通接收機(jī)提高靈敏度約20dB，可以達(dá)到接近散粒噪聲極限的高性能，因此也增加了光信號(hào)的無(wú)中繼傳輸距離?！跋喔上鲁痢?相干光鏈路需求提升驅(qū)動(dòng)相干光通信市場(chǎng)增長(zhǎng)。目前全球通信市場(chǎng)主要采用“相干下沉”的解決方案，相干技術(shù)從過(guò)去的適用于大于1000km的骨干網(wǎng)，逐步下沉到傳輸距離為100km到1000km的城域網(wǎng)，甚至小于100km的距離的邊緣接入網(wǎng)，以及80km至120km的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)領(lǐng)域。在數(shù)通領(lǐng)域，相干技術(shù)也已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)的主流方案。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年相干光鏈路的用量將迎來(lái)井噴式增長(zhǎng)。

相干光隨應(yīng)用距離下沉，市場(chǎng)增量可期，華工科技、中際旭創(chuàng)等廠商有望受益。華工科技的相干光模塊產(chǎn)品在北美市場(chǎng)表現(xiàn)亮眼，推出了全球第一個(gè)400GZR+PRO產(chǎn)品，在發(fā)射光功率、接收靈敏度、光的性噪比方面優(yōu)于業(yè)界水平。中際旭創(chuàng)擁有長(zhǎng)距離傳輸功能的相干光模塊產(chǎn)品，助力“東數(shù)西算”工程和算力樞紐建設(shè)。

薄膜鈮酸鋰調(diào)制器有望借勢(shì)破局

電光調(diào)制器是超高速數(shù)據(jù)中心和相干光傳輸?shù)暮诵墓馄骷?，體材料鈮酸鋰具備優(yōu)勢(shì)。電光調(diào)制器通過(guò)調(diào)制將通信設(shè)備中的高速電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，是光通信系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)。目前光調(diào)制的技術(shù)主要基于硅光、磷化銦和鈮酸鋰三種材料平臺(tái)的電光調(diào)制器。其中鈮酸鋰電光系數(shù)顯著高于磷化銦，而硅沒(méi)有直接電光系數(shù)，因而鈮酸鋰調(diào)制器是大容量光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)和高速光電信息處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。

薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片突破原有瓶頸，具有性能高、尺寸小、成本低的特性，有望成為高速光互聯(lián)新寵。新一代薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片技術(shù)將解決尺寸大不利于集成的問(wèn)題。鈮酸鋰材料通過(guò)新型微納工藝，在硅基襯底上蒸鍍二氧化硅（SiO2）層，將鈮酸鋰襯底高溫鍵合構(gòu)造出解理面，最后剝離出鈮酸鋰薄膜。該工藝下制備出的薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片具有高性能、低成本、小尺寸、可批量化生產(chǎn)且與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)高速光互連極具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。

薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片的關(guān)鍵制備技術(shù)為鈮酸鋰薄膜的圖形化。鈮酸鋰單晶薄膜相對(duì)較硬，組分特殊，難以刻蝕。目前已公開(kāi)的鈮酸鋰薄膜圖形化技術(shù)路線中，主要包括電子束光刻（EBL）+干法刻蝕/濕法刻蝕、紫外+干法刻蝕、DUV+干法刻蝕四種。其中，相對(duì)于濕法刻蝕，干法刻蝕對(duì)薄膜鈮酸鋰的形貌和刻蝕速率的可控性更高，運(yùn)用EBL+干法刻蝕的路線能夠充分發(fā)揮電子束光刻加工精度高、版圖設(shè)計(jì)靈活、無(wú)需掩膜版直接曝光等優(yōu)點(diǎn)。

薄膜鈮酸鋰技術(shù)壁壘高，行業(yè)先發(fā)優(yōu)勢(shì)或成卡位關(guān)鍵。電信級(jí)鈮酸鋰高速調(diào)制器芯片產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度大，工藝非常復(fù)雜。根據(jù)智研咨詢數(shù)據(jù)，全球主要批量供貨體材料鈮酸鋰調(diào)制器的企業(yè)為富士通、住友和光庫(kù)科技三家。而薄膜鈮酸鋰在此基礎(chǔ)上通過(guò)上下分布二氧化硅壓縮光斑，拉近電極的距離，提高電場(chǎng)、射頻帶寬，技術(shù)壁壘再上一個(gè)臺(tái)階。目前在薄膜鈮酸鋰領(lǐng)域已有布局的廠商或可保持先發(fā)優(yōu)勢(shì)，深度收益于超高速率電光調(diào)制器需求提升。

薄膜鈮酸鋰調(diào)制器產(chǎn)業(yè)鏈有望借勢(shì)打開(kāi)局面，福晶科技、光庫(kù)科技等廠商具備關(guān)鍵核心能力。福晶科技是全球非線性光學(xué)晶體龍頭，開(kāi)展獨(dú)立自主研發(fā)，能夠提供各種規(guī)格高質(zhì)量的鈮酸鋰晶體，相關(guān)產(chǎn)品已成功推向Lumentum等光器件廠商。光庫(kù)科技在2019年收購(gòu)Lumentum的鈮酸鋰高速率調(diào)制器生產(chǎn)線進(jìn)入該領(lǐng)域，掌握了包括芯片設(shè)計(jì)、芯片制程、封裝和測(cè)試等核心技術(shù)，具備開(kāi)發(fā)800G及以上速率的薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片和器件的關(guān)鍵能力。

AI算力需求增長(zhǎng)趨勢(shì)確定，預(yù)計(jì)直接提升高速率光模塊產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)增量，光芯片作為光模塊的核心器件有望深度受益，看好其在國(guó)產(chǎn)替代和技術(shù)創(chuàng)新趨勢(shì)下的表現(xiàn)。光賽道技術(shù)領(lǐng)先的供應(yīng)商直接受益于市場(chǎng)增量，對(duì)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)更具話語(yǔ)權(quán)。

1）光芯片領(lǐng)域有較強(qiáng)國(guó)產(chǎn)替代預(yù)期，建議關(guān)注源杰科技、華工科技、長(zhǎng)光華芯、華西股份；

2）薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片作為一種新的光電調(diào)制方式，有望成為高速光互聯(lián)更優(yōu)解決方案，建議關(guān)注福晶科技、光庫(kù)科技；

3）MicroTEC是目前高速率光通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)控溫的優(yōu)質(zhì)方案，建議關(guān)注富信科技。

來(lái)源：東方證券

什么是CPO？

CPO，英文全稱Co-packaged optics，共封裝光學(xué)/光電共封裝。CPO是將交換芯片和光引擎共同裝配在同一個(gè)Socketed（插槽）上，形成芯片和模組的共封裝。

為了盡可能地降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的自身工作功耗以及散熱功耗，在 OIF（光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇）的主導(dǎo)下，業(yè)界多家廠商，共同推出了?——NPO / CPO 技術(shù)。

NPO，英文全稱 Nearpackaged optics，近封裝光學(xué)。

CPO，英文全稱Co-packaged optics，共封裝光學(xué)。
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NPO / CPO 是將網(wǎng)絡(luò)交換芯片和光引擎（光模塊）進(jìn)行“封裝”的技術(shù)。

傳統(tǒng)的連接方式，叫做 Pluggable（可插拔）。光引擎是可插拔的光模塊。光纖過(guò)來(lái)以后，插在光模塊上，然后通過(guò) SerDes 通道，送到網(wǎng)絡(luò)交換芯片（AISC）。

CPO 呢，是將交換芯片和光引擎共同裝配在同一個(gè) Socketed（插槽）上，形成芯片和模組的共封裝。

NPO 是將光引擎與交換芯片分開(kāi)，裝配在同一塊 PCB 基板上。

大家應(yīng)該能看出來(lái)，CPO 是終極形態(tài)，NPO是過(guò)渡階段。NPO 更容易實(shí)現(xiàn)，也更具開(kāi)放性。

之所以要做集成（“封裝”），目的很明確，就是為了縮短了交換芯片和光引擎間的距離（控制在5~7cm），使得高速電信號(hào)能夠高質(zhì)量的在兩者之間傳輸，滿足系統(tǒng)的誤碼率（BER）要求。

NPO / CPO 技術(shù)的背后，其實(shí)就是現(xiàn)在非常熱門(mén)的硅光技術(shù)。

CPO的技術(shù)路線演化圖

CPO就是將交換芯片和光引擎共同裝配在同一個(gè)插槽上面，因此就形成了芯片和模組的共封裝，相較于傳統(tǒng)方案（可插拔光模塊模塊插在交換機(jī)前面板），CPO能縮短交換芯片和光引擎的距離，在提升集成度的同時(shí)降低功耗。

CPO示意圖

通過(guò)這種技術(shù)路徑，可以減少能量轉(zhuǎn)換的步驟，進(jìn)而降低功耗。有報(bào)道甚至指出，相較于可插拔的光模塊，CPO的架構(gòu)直接可以把功耗下降一半。再進(jìn)一步說(shuō)，超高算力背景下光模塊數(shù)量過(guò)載問(wèn)題就有望得到解決。除了降低功耗之外，它也大大減小了光模板的尺寸、減小了電信號(hào)的延遲和失真。同時(shí)是不少投資者最為關(guān)心的成本。因?yàn)榭梢詼p少芯片與光模塊之間的連接器數(shù)量，這樣這一塊的成本就可以直接省略了，而且低功耗也同時(shí)意味著低成本。

此外，如果按照AIGC產(chǎn)業(yè)鏈劃分來(lái)看，CPO屬于上游的算法、算力層面。當(dāng)前大算力應(yīng)用場(chǎng)景的快速發(fā)展將加速推動(dòng)光模塊從800G向1.6T演進(jìn)，傳統(tǒng)的插拔光模塊的功耗問(wèn)題就會(huì)逐漸顯露，CPO的作用就可以顯現(xiàn)。

從政策層面來(lái)看，高層對(duì)于6G技術(shù)的研發(fā)推進(jìn)可謂全力支持。6G相較于5G本質(zhì)上在速率、時(shí)延等方面都有著數(shù)量級(jí)級(jí)別提升的要求，進(jìn)一步就意味著對(duì)光通信的傳輸速率有了更高要求，所以CPO也可以說(shuō)是6G的好幫手。

目前光芯片已經(jīng)形成了美中日三足鼎立的局面，只是美國(guó)在高端光芯片領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)更為明顯，國(guó)內(nèi)玩家也在奮起直追。比如源杰科技（688498）就已經(jīng)構(gòu)建了IDM全流程自主可控業(yè)務(wù)體系，2020年10G、25G激光器芯片系列產(chǎn)品的出貨量在國(guó)內(nèi)均排名第一。

整體來(lái)看，25G光芯片的國(guó)產(chǎn)化率大約只有20%左右，25G以上的光芯片國(guó)產(chǎn)化率還不到5%，所以越往金字塔尖走，能看到自主品牌的玩家就越少。但換個(gè)方向想，這也是未來(lái)國(guó)產(chǎn)替代的主戰(zhàn)場(chǎng)。

所以，據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)的報(bào)告，預(yù)計(jì)2027年CPO整體市場(chǎng)收入將達(dá)到54億美元，上游的CPO光學(xué)組件將在三年后超過(guò)13億美元。CPO配套硅光有望在未來(lái)2-3年快速放量。

共封裝光學(xué)器件?(CPO)：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和解決方案

作者：譚敏1,2·姜旭3,4,5·劉思陽(yáng)6??·馮俊博6??·張華7??·姚朝南7??·陳世熙3??·郭航宇8??·韓更始8??·溫占豪8?·?鮑辰8·余賀8·鄭旭強(qiáng)8??·大明1·涂耀文1??·付強(qiáng)1?·?南琦9??·李丹10·李庚10·宋文8??·楊鳳和11·何慧敏8??·劉鳳滿8??·薛海云8??·王宇航1??·邱慈元12·米光燦13·李彥博13·天海常13·賴?guó)Q徹14·張羅14·郝沁芬15·秦夢(mèng)遠(yuǎn)15

摘要：5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和高性能計(jì)算應(yīng)用的興起，數(shù)據(jù)中心流量以近30%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。此外，近四分之三的數(shù)據(jù)中心流量駐留在數(shù)據(jù)中心內(nèi)。

傳統(tǒng)的可插拔光學(xué)器件的增長(zhǎng)速度比數(shù)據(jù)中心流量的增長(zhǎng)速度慢得多。應(yīng)用要求與傳統(tǒng)可插拔光學(xué)器件的能力之間的差距不斷擴(kuò)大，這是一種

不可持續(xù)的趨勢(shì)。光學(xué)協(xié)同封裝(CPO)??是一種顛覆性的方法，通過(guò)先進(jìn)的封裝以及電子和光子學(xué)的協(xié)同優(yōu)化顯著縮短電氣鏈路長(zhǎng)度，從而提高互連帶寬密度和能源效率。? CPO被廣泛認(rèn)為是未來(lái)數(shù)據(jù)中心互連的有前途的解決方案，而硅平臺(tái)是最有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成的平臺(tái)。領(lǐng)先的國(guó)際公司（如? Intel、Broadcom ?和? IBM）對(duì) C PO ?技術(shù)進(jìn)行了大量研究，這是一個(gè)涉及光子器件、集成電路設(shè)計(jì)、封裝、光子器件建模、電子光子協(xié)同仿真、應(yīng)用程序和應(yīng)用程序的跨學(xué)科研究領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)化。

1簡(jiǎn)?介

共同封裝光學(xué)器件(CPO)的重要性。隨著人工智能和高性能計(jì)算(HPC)??等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的擴(kuò)展，數(shù)據(jù)中心流量不斷增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的可插拔光學(xué)器件無(wú)法滿足快速增長(zhǎng)的帶寬密度和能效要求。共封裝光學(xué)器件?( CPO)??結(jié)合了光子器件通過(guò)先進(jìn)封裝與高性能電子器件形成解決方案，可顯著縮短? SerDes 距?離，從而大大降低功耗。

目標(biāo)和組織。本文的主要目的是概述? CPO ?的最新進(jìn)展，并確定主要挑戰(zhàn)及其潛在解決方案。值得注意的是，對(duì)于這樣一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，本文的內(nèi)容絕非詳盡無(wú)遺。為了向讀者提供全面的概述，我們將本文分為十二個(gè)獨(dú)立的部分。在這里，我們簡(jiǎn)要概述了這些部分。?2.器件制造。需要為? CPO ?開(kāi)發(fā)先進(jìn)的制造工藝和器件結(jié)構(gòu)。以? 3D ?集成? CPO ?的形式，硅光子芯片用作中介層，以實(shí)現(xiàn)更短的走線和更低的功耗。此外，標(biāo)準(zhǔn)硅光子制造技術(shù)必須與封裝開(kāi)發(fā)相配合。

3.外?部激光源。分析了對(duì)激光芯片的需求。事實(shí)證明，高功率激光器和? TEC ?是主要貢獻(xiàn)者。提出了降低激光功耗的潛在解決方案。

4.光功率傳輸。在最近的提案中，光功率傳輸系統(tǒng)經(jīng)常被過(guò)度簡(jiǎn)化甚至被忽略。本節(jié)試圖從三個(gè)方面解決光功率傳輸中的基本問(wèn)題，具體而言，功率需求如何增長(zhǎng)、需要哪些技術(shù)以及主要挑戰(zhàn)是什么。

5.C PO ?的DSP。? DSP芯片在CPO中起著重要的作用。本節(jié)總結(jié)了主機(jī)端和線路端鏈路的電氣要求，并提供了 D SP ?設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，包括收發(fā)器架構(gòu)、時(shí)鐘方案和均衡實(shí)現(xiàn)。

6.用于? CPO?的基于微環(huán)的發(fā)射器陣列。微環(huán)形調(diào)制器具有面積小、功率效率高、兼容波分復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，是CPO的有希望的候選者。然而，它面臨許多挑戰(zhàn)，例如波長(zhǎng)控制和偏振靈敏度。本節(jié)總結(jié)了基于微環(huán)的收發(fā)器陣列的挑戰(zhàn)和最新進(jìn)展，并提供了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的建議。

7.基于? Mach–Zehnder ?調(diào)制器(MZM)的? CPO 發(fā)?射器。? MZM ?已經(jīng)商業(yè)化，是替代現(xiàn)有可插拔光學(xué)模塊的有前途的解決方案。然而，MZM 驅(qū)?動(dòng)器設(shè)計(jì)在電壓擺幅、帶寬、能效和其他方面提出了許多挑戰(zhàn)。本節(jié)概述? MZM 發(fā)?射器，重點(diǎn)介紹其驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。

8.CPO ?的光接收器前端。與BiC M OS相比，基于CMOS的光接收器在集成度、功率效率和成本方面更兼容CPO。本節(jié)將提供基于? CMOS ?的光接收器前端電子 I C ?設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，有望為 C PO ?的未來(lái)全集成電子 I C ?鋪平道路。

9.C?PO??的2.5D??和3D??封裝。? 2.5D、3D封裝技術(shù)可為CPO實(shí)現(xiàn)高帶寬、高集成度和低功耗。本節(jié)主要討論IMECAS研發(fā)的2D/2.5D/3D 硅光子共封裝模組，2D ?MCM光子模組。封裝問(wèn)題，以及硅光子晶圓級(jí)封裝的挑戰(zhàn)。

10.CPO 的電子?光子聯(lián)合仿真。電子?光子協(xié)同仿真是大規(guī)模電子?光子協(xié)同設(shè)計(jì)的先決條件。然而，這個(gè)領(lǐng)域相對(duì)不成熟，面臨著許多方法和工程方面的挑戰(zhàn)。主流方法是將光子器件集成到電子設(shè)計(jì)?動(dòng)化平臺(tái)中。本節(jié)主要討論光子器件建模、時(shí)域仿真和頻域仿真的挑戰(zhàn)和解決方案。

11.HPC 光子互連的系統(tǒng)考慮。本節(jié)將光子互連鏈路分解為硬件和軟件組件，相應(yīng)地討論它們的當(dāng)前狀態(tài)、挑戰(zhàn)，以及它們?nèi)绾斡绊懝庾渔溌泛途W(wǎng)絡(luò)的完整性。最后，本節(jié)評(píng)論了? HPC ?網(wǎng)絡(luò)光子互連未來(lái)的下一個(gè)里程碑。

12.HPC中的光電混合接口。出于兼容性方面的考慮，HPC 一?直不愿轉(zhuǎn)向新技術(shù)。迄今為止，光電混合集成未能真正發(fā)揮集成優(yōu)勢(shì)。本節(jié)分析了? CPO ?的不同互連設(shè)計(jì)考慮因素，并為加速 C PO?在 H PC ?中的適配提供了建議。

13.CPO ?開(kāi)發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化。中國(guó)計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟??(CCITA)?協(xié)?調(diào)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的努力，啟動(dòng)了中國(guó)? CPO ?標(biāo)準(zhǔn)化工作。本節(jié)概述了中國(guó)原棕油標(biāo)準(zhǔn)化工作的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)考慮。

2先?進(jìn)的硅光子制造CPO技術(shù)

2.1現(xiàn)狀，光學(xué)共封裝??(CPO)??是一種先進(jìn)的光電器件封裝技術(shù)，涉及系統(tǒng)架構(gòu)、芯片制造和封裝的升級(jí)。在本節(jié)中，我們將主要討論用于? CPO 應(yīng)?用的硅光子芯片的制造技術(shù)。摩爾定律是微電子芯片制造中眾所周知的現(xiàn)象。在過(guò)去的幾十年里，每個(gè)芯片的晶體管數(shù)量每?jī)赡攴环?。同樣，?hào)稱受益于硅光子學(xué)的從現(xiàn)有和成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體??(CMOS)?制?造技術(shù)來(lái)看，也應(yīng)該遵循這種縮放趨勢(shì)，并通過(guò)規(guī)模經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)光子集成電路??(PIC)?的?低成本制造??[25]?。然而，與電子設(shè)備不同，光子設(shè)備的縮放在本質(zhì)上是困難的。光子器件的尺寸主要由材料的折射率對(duì)比決定。硅光子器件的全球尺寸仍停留在微米級(jí)，很少會(huì)縮小到納米級(jí)。因此，當(dāng)我們談?wù)摴韫庾訉W(xué)的縮放時(shí)，我們是在談?wù)撓冗M(jìn)的制造技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)光子封裝的縮放。

2.2當(dāng)前和未來(lái)的挑戰(zhàn)臺(tái)積電、Global?Foundry、Tow ?erJazz、中芯國(guó)際等純晶圓代工廠和IMEC、AMF、AIM、CUMEC等開(kāi)放式中試線正在提供硅光PDK，包括無(wú)源和有源器件的基礎(chǔ)組件庫(kù)，如如圖? 1 ?所示。雖然? CPO 應(yīng)?用需要定制結(jié)構(gòu)，但 C PO ?芯片的主要制造挑戰(zhàn)來(lái)?光纖耦合和光源集成。極高密度的光學(xué)? I/O ?需要高效的光纖耦合結(jié)構(gòu)。耦合結(jié)構(gòu)有兩種，光柵耦合器和邊緣耦合器。光柵耦合器通常通過(guò)簡(jiǎn)單的兩步蝕刻工藝制造，從而實(shí)現(xiàn)垂直光耦合。光柵耦合器具有相對(duì)較寬的對(duì)準(zhǔn)公差、較小的光學(xué)帶寬和較高的偏振靈敏度。因此，與邊緣耦合器不同，光柵耦合器通常用于晶圓級(jí)測(cè)試而不是商業(yè)產(chǎn)品。邊緣耦合器可實(shí)現(xiàn)較小的耦合損耗和較大的光帶寬，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)是理想的。

然而，邊緣耦合器在制造過(guò)程中需要底切和深蝕刻工藝，從而導(dǎo)致器件穩(wěn)定性和可靠性方面的問(wèn)題。此外，開(kāi)發(fā)了V 形槽結(jié)構(gòu)用于光纖邊緣耦合的被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)[26]。

片上光源集成是硅光子學(xué)的主要挑戰(zhàn)之一。硅基材料本身就很難形成高性能激光器。III?V族化合物材料在硅光子芯片上的異質(zhì)集成或異質(zhì)結(jié)構(gòu)集成被證明是一種可行的方法，但硅光子制造工藝需要進(jìn)行重大調(diào)整。

未來(lái)，從2 .5D ?CPO 到? 3 D ?CPO，CPO ?技術(shù)將不僅僅是一種封裝工藝，而是一種制造和封裝的結(jié)合，需要設(shè)計(jì)和工藝的共同優(yōu)化。封裝概念需要與制造工藝流程深度融合。

圖1CUMEC硅光子PDK原理圖

2.3科?技進(jìn)步迎接挑戰(zhàn)在大多數(shù)當(dāng)前的CPO ?解決方案中，邊緣耦合器用于光入和光出路徑。邊緣耦合器經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可同時(shí)滿足高對(duì)準(zhǔn)公差和低插入損耗的需求。通過(guò)使用? V ?型槽結(jié)構(gòu)的無(wú)源對(duì)準(zhǔn)，典型的光纖到芯片損耗可以控制在?－1.5 ?dB ?以內(nèi)[27]。使用熱移相器等結(jié)構(gòu)有助于進(jìn)一步提高對(duì)準(zhǔn)容差

[28]。硅光子收發(fā)器是高速開(kāi)關(guān)組件CPO?系統(tǒng)的重要組成部分，其中多個(gè)收發(fā)器模塊緊靠開(kāi)關(guān)? ASIC 排?列。如圖? 2 ?所示，中央交換機(jī)? ASIC ?被成百上千個(gè)混合有保偏??(PM)??光纖和非保偏光纖的光纖所包圍，這對(duì)光纖布線和封裝的一致性和質(zhì)量提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。采用高階調(diào)制技術(shù)，片上光源集成，減少光纖數(shù)量，降低光纖封裝難度。

此外，波分復(fù)用方案或TeraPHY [ 29]可能是解決更大數(shù)據(jù)流的另一種解決方案。

片上光源集成方法包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)集成（例如激光二極管倒裝芯片鍵合）和異源集成（例如，晶圓級(jí)材料鍵合）（圖3）。

對(duì)于倒裝芯片接合方法，商用激光二極管通過(guò)共晶焊接接合在硅光子芯片上。

機(jī)械擋塊和基準(zhǔn)標(biāo)記用于激光芯片和硅光子芯片之間的高精度被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)[33]。該方法利用成熟的激光二極管產(chǎn)品簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)和快速商業(yè)化。對(duì)于晶圓級(jí)材料鍵合方法，激光器是在硅光子芯片制造過(guò)程中一起形成的

[31?33]。III?V材料和硅波導(dǎo)之間的模式轉(zhuǎn)換器需要在生產(chǎn)線的前端進(jìn)行工藝修改。激光電極制造導(dǎo)致后端工藝改變線?？傮w而言，硅光子生產(chǎn)線需要大規(guī)模改造以實(shí)現(xiàn)異質(zhì)集成。對(duì)于這兩種方法，未來(lái)在? CPO 中?的應(yīng)用都需要考慮散熱和應(yīng)變引起的性能退化。

圖2用于光輸入的保偏光纖和用于光輸出的非保偏光纖的混合封裝

圖3a??Heterostructure??integration??[30]和b??heterogeneous??integration??[33]??of??on?chip?l?ight??source

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圖4使用具有? TSV?結(jié)構(gòu)的硅光子中介層的混合組裝光學(xué)模塊[10]。b 硅光子中介層上的 T SV ?制造工藝[35]

以3 D ?集成?CPO 的?形式，硅光子芯片用作中介層，可縮短電路連接并降低功耗。最近，imec 展?示了一種嵌入硅通孔??(TSV)??結(jié)構(gòu)的混合組裝光學(xué)模塊，射頻帶寬達(dá)到? 110? GHz 以?上，為下一代以 1 00Gbaud ?數(shù)據(jù)速率運(yùn)行的硅光子模塊鋪平了道路，如圖? 1 所?示。? 4 ?[34]。在硅光子芯片上制造? TSV ?需要額外的工藝，包括高縱橫比博世深蝕刻和晶圓減薄，這會(huì)在產(chǎn)量和可靠性方面引發(fā)潛在問(wèn)題??[35]?。

2.4結(jié)?束語(yǔ)順應(yīng)集成化趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)硅光子制造技術(shù)必須適應(yīng)封裝的發(fā)展。為了滿足CPO的要求，需要為硅光子學(xué)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的制造工藝和器件結(jié)構(gòu)。? CPO?應(yīng)用程序設(shè)計(jì)人員與代工廠密切合作以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程協(xié)同優(yōu)化會(huì)更加高效。

3用?于共同封裝光學(xué)器件的外部激光源

3.1現(xiàn)狀激光源是協(xié)同封裝光學(xué)器件??(CPO)??的使能技術(shù)之一。在基于硅光子學(xué)的光學(xué)引擎的背景下，正在討論和開(kāi)發(fā)兩種類型的激光源，即片上激光器和外部激光器。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。本期側(cè)重于外部激光源??(ELS)??的選項(xiàng)，這主要是由于其更廣泛的行業(yè)可及性。據(jù)信，當(dāng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)?( DCN)??應(yīng)用的交換容量達(dá)到? 102.4 T bit/s?時(shí)，光連接將更有可能演變成? CPO 形?式。1 02.4 ?Tbit/s 交?換機(jī)需要具有 6 .4 T bit/s ?光輸入/輸出容量的? CPO t ile，如圖? 5 ?所示。

圖5??102.4??T??共封裝光學(xué)器件配置

6.4T bit/s C PO ?tile ?的實(shí)現(xiàn)方法仍在討論中，例如每通道數(shù)據(jù)速率和并行或? WDM 架?構(gòu)。為便于討論，假設(shè)6.4 ?Tbit/s ?CPO t ile由8組800? Gbit/s c ell組成，由4×200Gbit/s ?FR4 ?配置。每個(gè)? 6.4?Tbit/s C PO ?塊都需要一個(gè)? ELS。如圖5 所示，每個(gè)ELS封裝由兩組CWDM4激光器組成，即總共8個(gè)激光器。每個(gè)激光芯片通過(guò)使用? 1×4 ?分離器為多達(dá)四個(gè)? 800 G bit/s ?電池供電。

3.2當(dāng)前和未來(lái)的挑戰(zhàn)輸出功率和功耗是?ELS 的?關(guān)鍵特性。E LS的輸出功率需求可以從光引擎的鏈路預(yù)算分析中推導(dǎo)出來(lái)。

表1顯示了輸出功率的鏈路預(yù)算分析。根據(jù)?800G ?FR4 [ 72]的規(guī)范，假設(shè)光引擎所需的最小輸出功率（在? TP2）為??0.2 d Bm 。硅光子芯片的總插入損耗為?21.6 d B，如表? 1 所?示。因此，ELS 封?裝所需的最小輸出功率為? 21.8 ?dBm。在考慮激光器與光纖的耦合損耗并留有余量的情況下，要求激光器芯片的輸出功率為24.5dBm。

表1?.光學(xué)引擎的鏈路預(yù)算分析

表2E?LS封裝的總功耗

ELS封裝的功耗是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。表2 顯示，用于? 6.4 T bit/s ?CPO 的?? ELS ?封裝的總功耗約為? 18?W。激光芯片和熱電冷卻器占總功耗的近 7 0%。

激光芯片的高輸出功率是造成大部分功耗的根本原因。激光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率對(duì)功耗至關(guān)重要，定義為光輸出功率與消耗的電輸入功率之比。墻插效率表2 中?使用的功率約為??0.3，這意味著只有 3 0%??的電輸入功率可以轉(zhuǎn)換為光輸出功率，而剩余的功率則以熱量的形式耗散掉。此外，熱電冷卻器??(TEC)??消耗額外的電能來(lái)散發(fā)激光芯片產(chǎn)生的熱量。? 102.4Tbit/s交換機(jī)所需的16個(gè)ELS的總功耗為288W。

OIF[73]正在對(duì) E LS 的?外形規(guī)格進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，包括電氣和光學(xué)接口、封裝、管理接口等。

3.3科技進(jìn)步迎接挑戰(zhàn)1、輸出功率大?，F(xiàn)有的為可插拔收發(fā)器開(kāi)發(fā)的CW激光器不能滿足CPO應(yīng)用的高輸出功率要求?；诠韫庾訉W(xué)的可插拔光收發(fā)器，例如? 400G ?DR4，通常需要輸出功率小于?100? mW 的?? CW ?激光器。相比之下，CPO 應(yīng)?用需要更高的?CW ?激光器輸出功率。如表? 1 ?所示，所需的輸出

圖6高功率激光器性能

對(duì)于WDM ?架構(gòu)，激光芯片的功率為 2 86 ?mW。盡管? DR ?架構(gòu)的輸出功率要低得多，但至少仍需要 1 00? mW。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，已報(bào)道了 C /C+?波?段的平板耦合光波導(dǎo)? DFB ?激光二極管，其無(wú)扭結(jié) C W ?輸出功率超過(guò)? 100 m W ?[74]。然而，在? O 波?段，我們開(kāi)發(fā)了一種? 1310? nm ?CW ?激光器，它在?50°C 時(shí)?只能達(dá)到 8 0? mW，如圖 6 ??所示。據(jù)報(bào)道，CWDM4 ?激光器的輸出功率僅為? 70? mW?左右?[ 75 ]?。因此，需要開(kāi)發(fā)用于? CPO ?應(yīng)用的高功率激光器。

2.插墻效率高。除了高輸出功率外，從能量效率的角度來(lái)看，高電光轉(zhuǎn)換效率是高功率? CW ?激光器的另一個(gè)理想特性。此外，熱效率高的TEC有助于降低ELS功耗。此外，非制冷高功率激光器可能是? CPO ?光源的最終解決方案。

3.單?片集成。硅光子平臺(tái)工藝已經(jīng)很成熟，并且比? CMOS ?和??BiCMOS平?臺(tái)具有更高的整體傳輸和接收性能，但激光集成仍然是所有硅平臺(tái)和活躍研究主題的挑戰(zhàn)。在Si ?平臺(tái)上單片集成? III?V 激?光器之前的主要挑戰(zhàn)是由于材料差異導(dǎo)致的器件性能受損。最近，單片生長(zhǎng)在? Si 襯?底上的?III?V ?QD ?激光器已經(jīng)展示了非常有前途的結(jié)果，具有長(zhǎng)壽命、高輸出功率和低閾值電流密度。然而，為了在? SOI 平?臺(tái)上實(shí)現(xiàn)? QD ?激光器的單片集成應(yīng)用，必須解決與波導(dǎo)的光耦合問(wèn)題。相比之下，基于 I nP ?的平臺(tái)可以輕松集成活性材料，依賴更強(qiáng)的電光??(EO)?克?爾和普克爾斯效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)更高的? EO ?帶寬效率指標(biāo)?？梢詫?shí)現(xiàn)? EO ?效應(yīng)的進(jìn)一步增強(qiáng),與量子阱中的量子限制斯塔克效應(yīng)，但以更高的溫度和波長(zhǎng)依賴性為代價(jià)。

外部激光源是? CPO 光?源的有前途的解決方案

由于其易于維護(hù)和廣泛的可及性，外部激光源是? CPO 光?源的有前途的解決方案。? OIF ?中的? ELS ?標(biāo)準(zhǔn)化正在進(jìn)行中，將加速該技術(shù)的成熟。需要具有至少 1 00mW?輸出功率的高功率? CW ?激光器來(lái)滿足鏈路預(yù)算要求。? CW ?激光器的電光轉(zhuǎn)換效率需要進(jìn)一步提高以達(dá)到節(jié)能目的。外部激光源的單片集成得益于更小的寄生電容和更低的封裝成本，使其成為在硅芯片上實(shí)現(xiàn)可靠、節(jié)能、高密度激光二極管集成的最有前途的解決方案。

編輯：黃飛

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