光芯片，空前重要

来源：半导体行业观察

上个月我们讨论了五年内数据中心的所有互连都将采用光纤，但这只是故事的一部分。每一种光纤互连都需要激光器。

激光器提供载波，该载波经发射光引擎调制和处理后，通过光纤和连接器传输至接收光引擎。激光束经过的每一根光纤、连接器和每一个光子器件都会造成一定的信号损耗。

链路预算是指在保证接收端激光功率充足的情况下，可以容忍的信号损耗量。链路预算越低，意味着功率越低、成本越低、误码率越低。

激光器在短短60年间发展成为年产值达200亿美元的产业。

激光器是由通用电气、IBM和麻省理工学院林肯实验室在60年前独立发明的。其基本原理很简单：空穴和光子结合即可释放光，正向偏置的PN结将大量的空穴和光子聚集在一起，反射器则提供光放大并形成聚焦光束。如今的激光器虽然仍基于这一原理，但结构要复杂得多。

激光技术已在电信领域应用了 30 年，用于跨洋互联网、跨大陆互联网，以及最近的“光纤到户”互联网。

在数据传输中，激光器作为光介质提供通信。最基本的方法使用单波长激光器。增加波长会增加成本和复杂性，但也能提供更大的带宽。每个激光器都通过电接口进行调制以传输数据。调制方式可以是振幅调制、频率调制、相位调制或偏振调制。

三十多年前，激光器开始应用于数据中心，当时出现了可插拔收发器，它将电信号转换为光信号，并通过光纤等激光介质传输，数据速率也随之稳步提升。如今，几乎所有横向扩展的数据都使用激光驱动的可插拔收发器进行传输。这种可插拔设计使得激光器故障能够以低成本快速修复。

激光器目前正在开发和初步部署中，采用共封装光学器件 (CPO)，用光纤代替铜线以实现规模化。

这是一个庞大的产业，而且发展迅猛。2024年，全球激光技术市场规模超过200亿美元，预计到2030年将超过300亿美元。激光市场的快速增长主要归功于人工智能数据中心，它们目前已占据超过一半的市场份额，并且到2030年，其份额还将大幅增长。考虑到人工智能数据中心资本支出的快速增长以及未来五年内从铜缆到光纤的快速转型，到2030年，该市场规模很可能远超300亿美元。

用于大规模互连的激光器

种类繁多，但即将主导高速人工智能数据中心互连的是磷化铟 (InP) 激光器，特别是连续波 (CW) 超高功率 (UHP) 激光器，它是一种分布式反馈 (DFB) 激光器。DFB 激光器具有横向周期性光栅结构，该结构构成激光器的谐振腔。采用 InP 外延材料的 DFB 激光器可产生 O 波段波长。垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 具有垂直腔结构，并使用 GaAs 外延材料产生 700 至 900nm 波长的光。

三大激光器供应商分别是Coherent、Lumentum和Sumitomo，三者合计占据68%的市场份额。但该领域竞争激烈，其他供应商还包括博通公司（Broadcom）、三菱公司（Mitsubishi）、MACOM公司、Applied Opto公司和Landmark公司。

三大芯片制造商各自在多地拥有自己的生产基地，但 Lumentum 和 Coherent 的产能均已售罄，需要预付现金才能获得产能。它们的市值均超过 600 亿美元，是去年同期的 10 倍。

今年3月，英伟达宣布分别向Lumentum和Coherent投资20亿美元，以确保供应链产能。此事发生在英伟达GTC大会前不久，会上，首席产品官黄仁勋公布了英伟达2028年产品路线图。

在3月份的OFC简报会上，Lumentum展示了其InP产能的快速增长，但增长速度仍然不足以满足市场需求。（请注意，图2中的芯片照片是InP连续波超高纯激光器芯片）。

在OFC展会上，Coherent公司也举行了投资者简报会，展示了其InP产能将在2026年翻一番，并在2027年翻一番以上，此后还将持续增长。值得注意的是，Coherent是首家采用6英寸晶圆生产InP器件的公司。

推动这一需求爆发的主要因素是人工智能数据中心资本支出的快速增长，以及未来五年内互连技术从全铜互连转向以 CPO 为主，辅以一些 NPO（近封装光器件），这是铜互连和 CPO 之间的中间步骤，以及一些用于慢速和宽配置的 VCSEL。

激光器的功率通常以毫瓦 (mW) 为单位，但有时也以 dBm 为单位，dBm 是一个对数刻度：

0 dBm = 1mW；

10 dBm = 10mW；

20 dBm = 100mW；

30 dBm = 1W。

InP 连续波超高功率激光器的功率通常为 300 至 400 mW，有些甚至可达 600 mW。从事 CMOS FinFET 芯片设计的人可能会觉得，超高功率竟然只有 300 至 600 mW 有点奇怪。但从激光器的角度来看，这已经算是高功率了，因为几年前 50 mW 以下的功率还很常见。带宽的快速提升是带宽本身增长以及一台激光器即可驱动 4 根、8 根甚至 16 根光纤共同作用的结果。

InP激光器的额定功率是指激光输出功率。散热量是其3到4倍。

目前，InP 连续波超高纯激光器主要采用 1310nm 波长。该波长位于 O 波段的中间位置，O 波段属于红外波段，波长范围为 1260nm 至 1360nm。选择 O 波段进行 CPO 的原因在于其色散最低——不同波长的光传播速度略有不同，导致光脉冲在传播过程中发生时间展宽——并且每米信号损耗也相对较低。

利用InP材料，可以制造出其他频率、具有窄带分布的连续波超高纯（UHP）激光器。实现这一目标的方法有很多。在制造过程中，可以通过控制外延生长或在晶圆生产完成后使用电子束光刻技术逐芯片修改，来区分不同DFB光栅设计的掩模。波长越多、排列越紧密，激光器的制造就越复杂。InP激光器的波长间隔可以小至1.5nm，因此在未来，许多波长都可以容纳在100nm宽的O波段内。在运行过程中，激光器的频率还可以进一步调节。改变温度会改变频率，改变输入功率也会改变频率。

对于CPO而言，为了提高可靠性和可更换性，以及避免激光器对热的敏感性，通常会将激光器与GPU/XPU封装分开。为了维持特定的频率，激光器的温度必须控制在很窄的范围内，而使用外部激光器比将激光器封装在1000瓦以上的GPU中要容易得多。外部激光器通常与热电冷却装置（TEC）配合使用，该装置可将激光器结温控制在非常窄的范围内：±20℃。Lumentum、Coherent等公司生产TEC。

ELSFP：

外部激光器，小型化，可插拔，便于扩展

InP激光器的实际芯片尺寸非常小。虽然每种InP激光器都不尽相同，但它们通常不会输出圆形光束。例如，在一种InP激光器中，激光输出来自水平狭缝，因此光束呈椭圆形，宽度约为高度的2到3倍。光纤是圆形的。如果将激光直接照射到光纤上，至少有2/3的功率会损失（此外还有其他问题）。

我们需要的是一条光路。如上图所示，激光束首先经过一个准直透镜，将非圆形光束调整为圆形。接下来，光束穿过一个隔离器，防止光线反射回激光器。该隔离器由钇铁石榴石制成，具有磁光特性。当对磁体施加电压时，磁体可以控制偏振，从而阻止光线反射回激光器。（Coherent声称目前市面上大部分隔离器都是由该公司生产的。）然后，第二个透镜将光线聚焦到一根光纤中。这根光纤被切割成一定角度，以最大程度地提高进入光纤的光量，并确保光线以最佳角度入射。

由于ELSFP结构复杂，客户通常会根据自身需求购买相应的组件。ELSFP本身结构复杂，包含微控制器和数十个其他元件。Coherent公司声称是唯一一家能够生产ELSFP所有组件的供应商。由于额外的元件以及内部光路损耗，ELSFP的电源转换效率仅为10%至15%。也就是说，只有10%至15%的电源功率转化为光能，其余部分则转化为热量。

下图所示为Coherent的ELS（外部激光源）。与目前所有ELSFP一样，它采用可插拔设计。

用于大规模 CWDM 和 DWDM 的激光器

CWDM = 粗波分复用。

DWDM = 密集波分复用。

最初，用于CPO的激光器采用1310nm波长：单一波长。这种波长可以传输巨大的带宽。但带宽越大越好。光纤可以双向传输多个波长。限制因素是O波段的带宽（1260nm至1360nm，带宽为100nm）以及激光器调谐和中心定位的精度，以避免波长重叠（随着时间的推移，精度从2nm提高到1nm）。拥有更多波长可以提高带宽，但也会增加复杂性和成本。

最近发布的OCI-MSA（光计算机互连多源协议）是由AMD、博通、Meta、微软、英伟达和OpenAI共同发布的。它是一种开放的、可互操作的光互连规范，旨在促进人工智能规模化发展。该协议提议使用8个波长，每个方向4个。

其中一组密度较高，中心波长约为 1311 nm，间距约为 2.3 nm；另一组密度较高，中心波长约为 1331 nm。具体的间距单位为 GHz，并随波长略有变化。每个波长的最小值和最大值之间的偏差可达 ±0.2 nm。因此，即使分布密集，每个波长之间也存在明显的间隔。

要构建一个 ELSFP，需要 8 个 InP 激光器，每个激光器都调谐到特定的波长。

InP的波长漂移为0.1nm/°C，这看似很小，但超过20°C后，漂移量可达2nm——如果相邻激光器的工作温度差异较大，则可能超过相邻波长之间的间隔，从而导致串扰。为避免这种情况，ELSFP中的所有激光器都与同一个TEC相连，该TEC将温度控制在20°C以内，使所有激光器的工作温度大致相同。通过微调工作功率，可以进一步调节激光器的频率。

在光纤通信大会（OFC）上，Lumentum公司展示了16个DWDM信道，信道间隔为200 GHz，中心波长为1310nm。这还不是产品，只是能力展示。

这并非首次。在去年的OFC 2025上，Ayar Labs展示了一款中心波长为1300nm、间隔为200GHz的16λ激光器。

在OFC展会上，Scintil Photonics公司展示了一种有趣的、密度更高的DWDM激光器构建方法，可用于8通道或16通道、通道间隔为100GHz的激光器。该公司将InP芯片组装在硅光子芯片上，利用硅光子芯片更精确地控制波长。这种方法可能会牺牲一些效率和输出功率。但如果目标是实现精确的波长控制，这可能是一个理想的解决方案。Scintil公司目前正在申请2027年的小批量生产资格。

激光器和 CPO 端到端链路预算

为什么 CPO 激光器需要 400mW 或更高？这是因为激光器在 8 到 16 个链路之间共享，ELSFP 有显著的内部损耗，并且从 XPU/交换机到交换机/XPU 的端到端链路中存在累积损耗。

下个月，我们将更详细地探讨这个问题。损耗发生的环节之多令人惊讶。最大限度地减少端到端链路预算是降低激光功率和误码率的关键。但出于可靠性和灵活性的考虑，需要增加连接，而这些连接会增加损耗。下个月我们将更详细地讨论这些权衡取舍。