介紹

這本入門書解釋了光通信的基本概念、硅光子學的發展、行業如何朝著將光學器件與 ASIC 集成到聯合封裝解決方案中的方向發展，以及未來......

光通信

二十年前部署網絡交換機/路由器時，主要使用銅纜進行數據傳輸。但銅電纜受電子速度的限制，大多適用于較低的速率。隨著數據速率的增加，這些電纜的覆蓋范圍會減小，100Gbps 以太網鏈路的覆蓋范圍不到 3m。銅纜主要適用于連接機架內的端口（如主機服務器和 TOR 交換機之間的連接）。

當今的網絡設備（高性能交換機、路由器和智能網卡）支持大于 400Gbps 的鏈路，這些設備的帶寬幾乎每 2-3 年翻一番。光纖電纜已大多取代了銅纜，用于通過這些高速鏈路傳輸數據。這些電纜使用光而不是電流來傳輸信息。它們由細小的玻璃絲制成，每根玻璃絲的大小與人類的頭發差不多。它們以光脈沖（紅外光束）的形式以達到光速的速度傳輸數據。光纖電纜具有出色的覆蓋范圍（遠程光學器件支持高達 80km-120km 的范圍）。它們更可靠，因為它們使用全內反射來傳輸光脈沖，并且不受電磁推斷的影響。纖維也更能抵抗溫度變化，可以承受更大的壓力等。正因為如此，光纜是高速網絡鏈路的不二之選。

可插拔光收發器（可插拔模塊）

光纜依靠兩端的光收發器將電信號轉換為光脈沖，以便通過光纜傳輸，并將光脈沖轉換回接收側的電信號。這些收發器是光纖鏈路性能的關鍵驅動因素。這些通常是插入網絡設備前面板的可插拔模塊。收發器依靠光學元件來操縱光，通過光纖鏈路傳輸數據。收發器中的典型組件如下：

傳輸（電氣到光纖）

輸入緩沖器（或重定時器）通過電氣互連接收來自網絡芯片的數據。數據通過數模轉換器（DAC）轉換為電壓。驅動器放大電壓并將其發送到相干調制器。激光器通常位于透射光學組件或 TOSA 內部并發射紅外光束。調制器根據其調制的輸入電壓調制激光器發出的光。這種模塊化的光被光放大器放大（并與其他通道多路復用），并通過耦合接口發送到光纖陣列。

接收（光到電）：

它通常包含解復用器、利用光電效應將光束轉換為電信號的光電二極管，以及將光電二極管電流轉換為電壓的放大器。之后，模數轉換器（ADC）將模擬電壓轉換為數字數據，數據通過輸出緩沖器（重定時器）發送到電氣接口。

這是對收發器的非常高級和過于簡化的描述。該系統可以包含更多的放大器和額外的降噪電氣/模擬元件。傳統收發器中的許多模擬和數字元件都作為分立元件排列在PCB上，激光器和光電二極管位于其外殼的外部。

可插拔光學器件的優缺點

在通過以太網接口接收數據的典型網絡設備中，您將看到一個帶有用于可插拔光收發器的籠子或插槽的前面板。系統內部的網絡芯片通過電路板上的電氣互連（PCB走線）連接到可插拔光學器件。通常，芯片內的高速服務器將數據驅動到這些互連器。這些互連器在電氣域中傳輸數據，并且通常在PCB上具有中繼器模塊，以在信號到達光收發器之前提高信號強度。

通過可插拔接口將光收發器與網絡芯片解耦具有許多優點。它使構建交換機無需擔心將連接到每個端口的光學器件類型（速度、范圍）。網絡運營商可以根據需要靈活地將不同的電纜連接到交換機的不同端口。

多源協議 （MSA） 的出現使這些可插拔光收發器的可互操作實現成為可能，并創建了一個生態系統，每種類型的模塊都有許多供應商。因此，避免了單一來源的依賴并降低了成本。可插拔光學器件還支持增量部署（“隨增長付費”），其中一部分端口最初保持未填充狀態，并根據需要購買和安裝額外的光學器件。此外，由于模塊可以從前面板訪問，因此可以相對容易地進行現場維修和升級。

然而，隨著這些光學接口速度的提高，前面板可插拔光學器件的功耗/成本與它們傳輸數據的ASIC相比并沒有增加。收發器中的無數組件占用了大量空間。對于超過 800Gbps 的速度，我們可能需要更大外形尺寸的可插拔光學器件 （OSFP），這將占用前面板的更多區域。

將Serdes連接到字體面板光學模塊的電氣互連通常是高損耗的，并且需要在光學器件內部/板上使用耗電的重定時器，并在ASIC中使用高功率Serdes（Long Range Serdes），所有這些都會消耗額外的功率。

在過去的二十年中，高端網絡芯片的帶寬大約每2-3年翻一番。這樣一來，serdes的速度已經從10Gbps（二十年前）上升到當前一代的112Gbps（以支持800GE以太網鏈路）。200Gbps serdes 即將到來。不幸的是，以模擬電路為主的serdes在功率或芯片面積上的縮放都沒有晶體管縮放那么多。在更高的速度下，這些 serde 需要具有 PAM4 信號，這也消耗大量功率。因此，隨著交換機吞吐量的增加，Serdes消耗的總交換機功率的百分比會繼續增加。

以大于 50Gbps 的速率通過 serdes 傳輸信號需要前向糾錯 （FEC） 編碼，這會增加 ~100ns 的額外延遲。雖然網絡應用程序可以容忍這些延遲，但它會對在依賴于計算引擎之間的電氣連接的 HPC 集群上運行的分布式計算應用程序的性能產生負面影響。與電域相比，光域中的數據移動在功耗和延遲方面都非常高效。

此外，傳統的光收發器價格昂貴。它們的發射器和接收器子組件必須經過精心構造和密封以保護。制造過程緩慢，難以跟上不斷增長的需求。

網絡以及 HPC 系統可以從低功耗/低成本光收發器和新設計中受益匪淺，這些設計可減少 PCB 電氣域中的數據移動。

光子集成電路（PIC）的演進

在光子集成平臺中，許多用于構建收發器的光學和電氣元件被封裝在稱為光子集成電路 （PIC） 的高度集成芯片中。將所有組件集成在單個基板上可以降低收發器的構建成本，并且由于分立光學組件之間的耦合效應較小，因此可以降低功耗。

目前，InP（磷化銦）和Si（硅/CMOS基）是構建PIC的兩大主流集成平臺。

InP 使用基于 InP 的合金實現所有光學功能，包括發光（激光）、透射、調制和檢測。硅光子學使用絕緣體上硅（SOI）晶圓作為半導體襯底材料，大多數標準CMOS制造工藝都可用于構建PIC。

在InP光子學平臺中，由于成熟的技術（該平臺進行了數十年的光子元件開發）和III-V族材料的優越光子特性，激光器、光放大器和調制器的性能遠優于硅光子學（SiPh）平臺中的相應組件。

盡管完全集成的基于 InP 的 PIC 具有性能優勢，但大多數光學設備和組件供應商都在硅光子學方面投入巨資。正因為如此，SiPh PIC在性能/成本方面正在趕上InP。

選擇硅光子學的主要原因是，建立磷化銦制造設施需要專業知識和大量的前期投資，該工廠可以提供商業數量的基于InP的高性能PIC。對于沒有基于InP的平臺經驗且沒有磷化銦晶圓廠的供應商來說，利用CMOS代工廠生態系統的能力提供了更快、更低投資將光子集成電路推向市場的選擇。此外，現有的 IC 制造工藝提供了尖端光刻技術、先進的自動化以及更好地篩選缺陷部件。與InP晶圓（~100mm）相比，CMOS晶圓較大（300mm），這也有助于大批量生產。

典型光子芯片的基本結構是將各種組件連接在一起的低損耗波導。在SiPh PIC中，這些波導由硅芯和二氧化硅/氮化硅（或這些材料的各種組合）包層制成，以形成一種高折射率介質，用于在芯片上和各種組件之間傳輸電光信號。SiPh波導提供了一個卓越的低損耗平臺（遠優于InP波導），并實現了帶寬擴展的組件的大規模集成。

雖然硅光子學平臺能夠設計出比相應InP組件更小尺寸的大多數光學元件，但由于硅的物理特性，它無法提供集成的激光器和光放大器。因此，許多使用 SiPh PIC 構建的收發器都具有單獨的基于 InP 的激光器和摻鉺光纖放大器 （EDFA）。這些通常與 PIC 共同打包。基于 InP 的激光器還可以通過自對準倒裝芯片凸塊連接到硅光子芯片上，這些凸塊提供薄型和緊密耦合的芯片到激光器互連。

雖然外部放大器和激光器確實提供了卓越的性能，但SiPh PIC與PIC外部的激光器/放大器之間的耦合光學器件可能具有更高的耦合損耗。

人們可能會爭論是否需要集成激光器。將激光器集成到 PIC 內部需要對整個 PIC 進行非常嚴格的熱控制，否則激光器可能會失效。盡管如此，最近通過將III-V族（InP）材料結合在硅襯底上，已經實現了高質量的混合激光器和光放大器。這種異構集成利用了硅基加工，同時利用 III-V 族材料進行光發射和放大。但這個過程復雜、昂貴，而且只有少數先進的光子代工廠才能商用。

在亞微米級將光纖連接到PIC也是一個復雜的過程，需要特殊的機器和生產流程中的其他自定義步驟來驗證連接（主動對準）。目前正在研究如何使光纖連接器能夠直接連接到PIC內部的波導。

因此，隨著對研發的大量投資，研究人員正在尋找新的方法來繞過或克服硅光子學集成中仍然存在的少數挑戰。

可插拔 SiPh 收發器

借助硅光子學，光收發器內部的分立元件可以被單片 PIC 取代，從而在不改變收發器外形尺寸的情況下獲得功耗、面積和成本優勢。這使得基于硅光子學的可插拔收發器能夠無縫集成到現有系統中。即使激光器和光放大器不能與其他組件集成在一起，將剩余的光子、模擬和數字組件集成到單個芯片中也具有成本和功耗優勢。

數據中心內對低功耗收發器的需求很高，隨著新的 AI/ML 工作負載、微服務和服務器分解，流量呈指數級增長。許多光學供應商正在積極投資 SiPh 收發器。漫威在收購 InPhi 方面處于領先地位。Marvel 最近發布了一款 400Gbps QSFP28 外形尺寸的 SiPh 可插拔模塊，范圍為 80-120 公里（ZR 光學器件）。英特爾和思科是其他一些為數據中心范圍（DR 光學器件）提供 100Gbps/400Gbps 產品的供應商。

到 2025 年，硅光子學市場預計將增長到 3-40 億美元，復合年增長率為 23.4%，數據中心和 HPC 應用預計將以其對低功耗光收發器的需求引領市場。

共封裝光學器件 （CPO） 案例

在典型的單機架單元 （1RU） 開關盒中，可以安裝 32-36 個可插拔光籠，如下圖所示。由于它們的尺寸很大，這些籠子占據了前面板的大部分，并且進入系統的氣流量受到阻礙。800G以上的可插拔模塊可能需要更大的外形尺寸來應對散熱方面的問題。這將進一步影響前面板密度。

系統電源的另一個主要組成部分是由數據通過效率低下的電氣介質（電路板上的銅走線）從ASIC移動到光模塊引起的。

板載光學器件 （OBO） 和共封裝光學器件 （CPO） 是減少 ASIC 和光收發器之間電氣互連的兩種方法，前者可以將光模塊放置在更靠近 ASIC 的 PCB 上，后者可以將光模塊和 ASIC 封裝在一起。一旦光學器件進入系統，前面板密度以及進入系統的氣流也將得到改善。

對于板載光學器件，盡管將光學器件從前面板移動到 PCB，但開關和光模塊之間的電通道損耗并不足以顯著降低功耗。但是，這確實改善了熱環境，因為所有光學模塊的熱量都沒有集中在前面板上。由于投資回報率較低，車載光學器件沒有獲得動力。

將光學器件與ASIC共同封裝，完全消除了ASIC外部電氣域中的數據移動。有幾種方法可以將網絡芯片與光學器件共同封裝。

在基本方法中，網絡芯片包含與網絡功能相關的所有邏輯（交換/路由、以太網接口、serdes），而PIC包含光收發器邏輯。由于網絡芯片和PIC在同一封裝基板上彼此非常接近，因此通道插入損耗非常小。因此，可以簡化serdes設計以獲得面積/功率優勢。XSR serdes（超短距離 serdes，~50mm 伸展）或 VSR（極短距離 serdes，~200mm 伸展）是一些供應商專門為此目的設計的。

XSR/VSR serdes和封裝內部的極短走線顯著降低了從ASIC到光學器件的數據傳輸所需的功耗。一些供應商表示，對于超過 100Gbps 的 serdes 速率，可節省 30-50% 的功耗。此外，與LR serdes相比，XSR/VSR服務器在芯片上占用的面積更少。

隨著聯合封裝技術的進步，PIC和ASIC芯片可以堆疊在一起的3D集成可以進一步減小封裝尺寸和成本。

CPO 挑戰

雖然聯合封裝已成為高端 ASIC（與 HBM、IO 小芯片等共同封裝的開關芯片）的主流，但將 ASIC 與光子芯片聯合封裝存在多重挑戰。

激光集成： 首先，將激光器集成在封裝內的熱開關芯片旁邊需要對封裝有嚴格的熱/冷卻要求，否則激光器可能會失效。制造商通常通過在 PIC 內部安裝冗余激光器來彌補這一點，這增加了成本/面積。此外，并非所有供應商都集成了激光技術。一些供應商使用外部激光源來解決這個問題 - 他們將除激光器之外的所有光學元件封裝在 PIC 中。移除激光器可使封裝更小，并降低冷卻要求。但是，將來自外部激光器的光束帶到封裝內部的 PIC 會帶來挑戰，需要額外的特殊光纖，這會增加封裝的復雜性。此外，外部激光源將需要更高的功率來克服從激光器到PIC的路徑中的光損耗，從而降低整體功率效率。

失去靈活性：可插拔光模塊可實現現場維修，無需拆卸系統即可輕松更換故障模塊。無論是板載光學器件（需要大量電路板返工）還是集成光學器件，這都是不可能的，因為無法從封裝中移除 PIC。

但是，SiPh PIC經歷了與硅芯片相同的嚴格設計和制造流程。設計過程是可重復的，并且有晶圓級測試來淘汰壞骰子。這將 100G 光學器件的缺陷率降低到 30 dppm 以下，并且 PIC 故障的可能性/現場可更換性需求非常低。

盡管存在一些挑戰，但據估計，與ASIC芯片的共同封裝光學器件可以為~51.2 Tbps的數據中心交換機節省約30%的功耗。在更高的吞吐量下，節能效果更好。隨著交換機> 100Tbps 的變化，聯合封裝可能是降低系統功耗和提高前面板密度的唯一方法。

CPO解決方案還可以降低系統成本，因為它消除了對光籠的需求，簡化了前面板設計，并且消除了需要單獨購買的分立收發器的需求。

混合方法，即交換機芯片中的一些端口通過電氣接口連接到前面板光模塊，而其他端口直接連接到光纖，這也有助于在不完全消除可插拔模塊提供的靈活性的情況下更順暢地遷移。

共封裝光學器件的網絡行業適配

在過去的幾年里，隨著許多知名公司和初創公司的加入，集成光學生態系統得到了擴展。隨著數據中心工作負載和更高帶寬交換機的爆炸式增長，人們對這一領域重新產生了興趣。

幾年前，英特爾在共封裝光學器件中使用其 Tofino2 交換機 （12.8Tbps） 展示了這項技術。在概念驗證演示中，他們通過從Tofino到供應商系統中的可插拔光模塊的共同打包光連接，將流量從Tofino交換機發送到另一家供應商的交換機。英特爾的 CPO 解決方案具有 51.2Tbps Tofino 交換機，也正在開發中。

目前，有幾家初創公司提供光學 IO 小芯片，以實現與其他芯片的 CPO 集成。Ayar Labs 憑借其 OIO（光纖 I/O）小芯片產品引領了這項工作，該產品能夠提供 2Tbps 帶寬（八個端口，每個端口 256Gbps）。OIO芯片將收發器的所有光學/電氣元件集成在PIC內部，但激光器除外。它們提供了一個單獨的激光模塊，可以為共同封裝的光學器件提供光源。許多光學 IO 供應商更喜歡外部安裝的激光源，以解決對激光可靠性和熱管理的擔憂。Ranovus是另一家提供具有100Gbps端口的光學小芯片的初創公司，并可選擇集成激光器。

幾家供應商已經宣布他們計劃發布帶有聯合封裝光學器件的芯片。BRCM宣布推出兩款下一代交換平臺，一個采用51.2Tbps交換ASIC，另一個采用25.6Tbps交換ASIC，采用共封裝光學器件。雖然 25.6Tbps 的 CPO 方法的投資回報值得懷疑，但 BRCM 可能會利用它來推進該技術并鼓勵其客戶盡早適應。

思科和 Inphi 宣布合作，以 51.2Tbps 的速度將第一臺 CPO 交換機推向市場。但是，目前尚不清楚 Marvel 最近收購 InPhi 的合作是否仍在進行中。

網絡領域主要商業芯片供應商的這些公告似乎表明，該行業正在認真對待這一轉變。在標準方面，OIF和COBO已經建立了項目，以在CPO標準方面取得進展。

人們一致認為，CPO 是降低數據中心高帶寬交換成本/功耗的必經之路。數據中心向這些集成光學交換機過渡的速度有多快還有待觀察。 這不是過渡是否會發生的問題，而是何時發生的問題.行業分析師預測，~200Tbps 交換機芯片的首次全面部署可能會在 2028 年發生。我們將不得不拭目以待......

雖然CPO有許多技術進步，但很難取代具有全行業適應性的可插拔光模塊。這些模塊將繼續滿足CPO在技術上不可行應用的需求，例如長途應用（核心/傳輸路由器或數據中心邊緣）。在長距離通信中，通常需要大于 40 公里范圍的光學器件，而使用共封裝光學 IO 很難實現這一點，因為它們對使用高功率光子元件的面積和功率預算有嚴格的限制。

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硅光子學/CPO的其他應用

使用硅光子學創建集成光學器件在網絡行業之外也有應用。例如，在自動駕駛中，LiDAR（光探測和測距）用于周圍環境的 3D 映射。它們通過發送短激光脈沖并記錄出射光脈沖與來自周圍所有物體的反射光脈沖之間的時間流逝來做到這一點。這些系統包含許多光學元件，是硅光子學集成的良好候選者。英特爾去年推出了SiPh激光雷達芯片。幾家初創公司正處于激光雷達 PIC 開發的不同階段。

光學器件可以集成在 CPU/GPU 封裝中，以便在 HPC 系統中提供更快的互連。通過將光學器件引入 CPU 和內存，可以提高分解和分布式 HPC 系統的性能和能效，以處理更大的 AI/ML 工作負載。

實現更廣泛的適應

雖然光子學IC設計利用了現有的硅晶圓代工廠生態系統，其中許多工具、工藝和仿真模型可以在這兩個流程之間共享，但它仍然是一個利基領域，尚未被無晶圓廠半導體公司廣泛使用。

為了實現更廣泛的適應，許多 EDA 供應商已經接受了提供工藝設計套件 （PDK） 和協同設計工具的愿景，這些工具允許將電子和光子元件無縫集成到 IC 中。最近，Synopsys 和瞻博網絡攜手合作，提供集成激光器、光放大器和一整套光子組件，這些組件可通過 PDK 訪問。晶圓代工廠和EDA供應商不斷推動設計和制造的廣泛普及，將引發該領域的更多創新。

總結

CPO 將看到更廣泛的行業適應 很快真正，數據中心處于領先地位，交換機/智能網卡以及 CPU/GPU 可以與光學器件共同封裝，以實現高性能/低功耗互連，從而節省大量成本。

一旦SiPh收發器和集成光學器件達到這些應用所需的范圍，其他網絡應用（核心/傳輸路由、長途通信）將緊隨其后。

隨著EDA供應商提供先進的PDK產品以及光學IO接口的標準化，將有更多供應商為光互連和其他光學功能（傳感器、LiDAR等）提供SiPh PIC解決方案，這將加速該技術在多個行業的應用。

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審核編輯 黃宇