一文看懂CPO：共封装光学

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在这篇文章中，我将对共封装光学器件 (CPO) 进行概述，主要针对规模化，因为这是处理大规模并行 AI 计算带宽的共识瓶颈。

本文将把CPO的器件物理、制造工艺和电路设计融会贯通，为所有相关工程师构建一个全面的技术选择和权衡框架。本文的研究成果来源于我参加ISSCC光学短期课程/论坛、DesignCon和ECTC等会议的经验积累，以及从相关领域专家那里获得的真知灼见。

本文将主要探讨系统架构师在考虑用于连接机架中托架的中距离 O 波段 224Gbps PAM4 CPO时会考虑的技术方案，并提供必要的背景信息。这种架构以及基于 VCSEL 的短距离光器件的各种变体，都适用于在托架和机架的典型长度范围内，处理大规模并行 GPU 中的海量数据传输。

需要记住的一个重要区别是，有些材料专门用于产生光，有些材料专门用于操控光。我发现这两个领域的技术经常被混淆（InP 同时适用于两者）！

本文仅供教育用途，面向广大读者。文中讨论的所有方案并非一成不变，而是我认为目前最常见的商业实现方案，并非意在推荐任何特定供应商或拓扑结构。除了我介绍的方案之外，还有许多其他优秀的替代方案。和往常一样，如果您是专家并发现错误，请与我联系，以便我及时更正。

共封装光学器件的封装架构概述

让我们先从更广泛的光通信领域背景下回顾一下共封装光学器件。

一般来说，调制光载波主要有两种方法：

一、直接调制——通过电信号控制激光源（VCSEL 和 DFB）的开关来调制光信号。

二、外部调制- 通过外部调制器调制连续运行的激光源，该调制器会以某种方式改变材料的光学特性，以响应电场（电吸收、电光等）。

由于成本低、功耗低且相对简单，IM-DD 可插拔收发器几十年来一直是数据中心网络的主力军。然而，ASIC 和收发器之间通过铜线传输的高速电信号面临着信号完整性方面的挑战，这使得远距离传输变得困难。

根据数据传输距离的不同，光通信使用四个主要的光频段来传输数据。以下是一些基本原则：

使用 850nm 直接调制 VCSEL 实现短距离传输（例如在托盘内）。

使用 O 波段进行中距离数据通信和 CPO（Scale-up和scale-out）

使用 C 和 L 频段进行电信和相干长途传输（scale-across）

由于本文重点讨论用于规模化生产的CPO，我们将主要介绍O波段的外部调制方案。相干光调制本身非常复杂，因此本文暂不讨论。

CPO：从可插拔到Scale-up和Scale-out

CPO 的目的是最大限度地降低功耗，并缩短信号在铜线上的传输距离，以应对高频传输的传输距离限制。CPO 尽可能在 ASIC 芯片附近执行 EO 和 OE 域转换，从而在光域中高效地在芯片间传输数据。CPO 引擎还支持更轻量的 SerDes 电路，这些电路无需像传统电路那样复杂且功耗高的数字信号处理器 (DSP) 来驱动和校正长距离铜线上的信号。

CPO 最初是为横向扩展（Scale-out）交换机托架设计的，旨在解决由于基于 DSP 的可插拔收发器而导致的前面板空间拥挤问题。CPO 交换机直接连接到网络交换机 ASIC，例如博通的 Tomahawk、思科的 Silicon One 或英伟达的 Spectrum-X/Quantum-X。需要注意的是，截至 2026 年 9 月，CPO在横向扩展环境中尚未广泛部署，但已开始出现早期、有限的部署。

在2026年2月举行的DesignCon大会上，Meta公司的人工智能架构师Halil Cirit指出，目前224G/通道的构建模块是1.6T光引擎，配备8个224G-PAM4 O波段MZM硅光子晶体。马赫-曾德尔调制器（MZM）是宽带器件，通常具有良好的热稳定性，拥有成熟的制造生态系统，并且在51.2T/102.4T大型开关ASIC封装中具有足够的面积。总体而言，这种开关具有非常好的线性度、低失真和易于集成等优点。

然而，鉴于人工智能对海量数据的需求，CPO 正在成为纵向扩展领域连接大规模并行 GPU 的主要交换解决方案。将这项技术从横向扩展移植到纵向扩展面临着提升数据速率和与 xPU 集成方面的诸多挑战，其中包括：

1、SiPh 的带宽限制（约 56 - 60GHz）——这正好是奈奎斯特频率为 56GHz 的 224G PAM4 信号的带宽极限。

2、ASIC芯片与HBM和功率模块竞争的极限

3、发热GPU的热特性

4、计算/交换托架整个生命周期内底层组件的可靠性和可维护性

因此，将现有的横向扩展解决方案移植到纵向扩展需要对标准调制器架构和底层材料进行根本性的改造。在光子学方面，由于尺寸紧凑，环形调制器和电吸收调制器是最有前景的两种调制器。

CPO 解决了人工智能数据移动中带宽扩展的瓶颈问题，但应结合其他几个可能限制数据移动的因素进行评估：

1、新的、规模更大的模型架构和稀疏的 MoE 并行性可能会成为横向扩展域中数据传输的瓶颈。

2、网络争用可能导致计算资源利用率不足。正如 OpenAI 所指出的，高延迟以及单个数据需要通过横向扩展/纵向扩展交换机传输时的网络争用，可能会阻塞整个并行计算。网络争用对空间/数据流架构的破坏性比对 Rubin 等时间架构更大。

3、对于 448Gbps 以上的光调制器而言，电气域可能成为其性能的瓶颈。换句话说，即使拥有速度最快的顶级光调制器和光电探测器，如果驱动器/TIA 无法足够快地驱动/检测信号，它们的性能也将付之东流。通常情况下，EIC 驱动器会成为带宽瓶颈。

尽管目前带宽扩展仍然是公认的瓶颈，但所有这三个因素对于有效扩展都很重要，以便应对未来模型架构的不可预测性以及可能超出扩展范围的稀疏 MoE 工作负载。

CPO的主要组成

光子器件通常无法单片集成的原因在于硅的光产生性能较差。硅具有间接带隙，电子-空穴复合需要通过声子保持动量守恒，同时以光子的形式释放能量。因此，硅激光器被视为“圣杯级”激光器。

因此，O波段光通信通常将光产生和光操控分离，因为材料通常针对其中一项功能进行专门设计。例如，InP或GaAs等III-IV族半导体只需能量转移即可产生光。然而，与Si和Si₃N₄相比，这些材料的无源光损耗较大。此外，这些材料的加工步骤往往与用于电子集成电路（ EIC ）的CMOS工艺不兼容。

在CPO技术的早期阶段，各个模块是独立的芯片，并以二维方式集成在同一个中介层上，以最大限度地缩短芯片之间的互连距离。发送端由以下模块组成：

1、EIC驱动器：将电信号放大至外部调制器/直接调制激光器

2、激光器：提供载波光信号，用于在特定波长下传输调制数据。对于O波段，该激光器可以来自耦合到外部调制器的外部ELSFP/OSFP光源，也可以来自外部调制的DFB激光器（EML）。

3、PIC：包含无源光波导和外部调制器的光子集成电路

4、光纤：通过单模光纤传输光信号。光纤通常通过光纤阵列单元（FAU）与光子集成电路（PIC）连接，FAU采用V型槽阵列和边缘耦合器或光栅耦合器。

接收方需要满足以下条件：

1、光电探测器——通常是一个PIN二极管，它将光信号转换为电信号。

2、跨阻放大器 (TIA)——将此电流放大为电压

封装方案及挑战

在大规模后硅封装中，光学封装是成本和产能的最大瓶颈。

有很多2.5D和3D复杂集成方案可用于控制来自外部激光光源的光。这里我们展示了12种不同的PIC、EIC和中介层集成技术。一些观察结果：

1、方案 c是近期最常见的实现方案，因为它尽可能缩短了 EIC 和 PIC 之间的电路路径。这有助于最大限度地减少驱动器、TIA 和光调制器/光电探测器之间的寄生电容和电感。

2、铜-铜混合键合技术在高速连接中正变得越来越重要。EIC驱动器/接收器的带宽通常受限于μ凸点固有的寄生电容（数十fF）。关键连接的混合键合对于提升数据吞吐量至关重要。

3、某些配置将EIC和PIC放置在共享中介层的两侧。这些配置用于复杂的布线或多芯片桥接，但会增加成本、组装步骤和热阻。

对于封装而言，面临的主要挑战是良率和精密耦合。

光学器件对制造和封装组装中的任何瑕疵都极其敏感。光信号非常不喜欢波导和接口处的锯齿状边缘或不连续性，这些都会导致光损耗和散射，从而影响激光器的特性。

封装给大规模生产CPO开关带来了一些实际挑战：

1、光耦合的制造公差：批量生产中，将光纤阵列单元（FAU）以纳米级对准公差连接到光子封装上是一项巨大的挑战。

2、可拆卸性是一项关键特性，有助于提高现场CPO单元发生故障时的可维护性。主要有两种可选方案：

（1）采用V型槽的直接光纤连接方式——因其易于对准，常用于传统光收发器。然而，这种方式需要一根粗大的光纤电缆永久悬挂，占用大量海滩空间。

（2）光纤边缘耦合与玻璃耦合器——因其可拆卸性而越来越受欢迎，允许在插入之前对 CPO 模块进行完整的组装和测试。

3、键合良率：对于 448Gbps 以上的高速信号，混合键合几乎是必需的，但其良率本身就有限，因此应该仅限于必要的连接。遗憾的是，混合键合对良率的要求非常高，即使是最成熟的版本，W2W 的单次组装良率也仅为 98-99%，D2W 的单次组装良率也仅为 90-95% 左右。更具体的良率数据并未公开，且受保密协议约束，我认为这是造成人们对混合键合技术成熟度抱有诸多不切实际的乐观情绪的主要原因。

4、热管理：热膨胀系数不匹配会导致凸点和封装材料上产生剪切应力/应变应力。玻璃由于其热膨胀系数远低于硅，因此对热膨胀系数不匹配尤为敏感，因为硅会对凸点施加应力。

5、缺乏标准化。电子领域拥有非常完善的工具流程和标准，但光学领域却缺乏这样的体系，有时甚至感觉像“蛮荒西部”。像OIF这样的主要组织致力于制定一些通用标准，例如模块外形尺寸，但这些标准大多局限于组件层面，而非系统层面。

光操控：PIC调制器材料选项

现在我们来谈谈光操控的两大主力技术：绝缘体上硅（Si-on-Insulator）和氮化硅（Si3N4 ）。需要注意的是，SiPh 在语言学上被用作统称，涵盖了 CPO 中的所有技术选项，但严格来说，SiPh 指的是 CPO 中的绝缘体上硅。

回想一下，在标准光波导中，波导材料的折射率高于周围的氧化物，以确保全内反射，将光限制在波导内。

现代主力硅光电器件依赖于两种材料：绝缘体上硅（SOI）和氮化硅（Si3N4 ）。

一、绝缘体上硅（SOI）采用标准CMOS技术将光学元件集成到硅芯片上。

1、硅利用自由载流子等离子体色散，通过马赫-曾德尔调制器（MZM）和环形调制器对光进行调制。外延锗硅（GeSi）支持电吸收调制（EAM）和用于光电探测器的针极化子绝缘体-绝缘体（PIN）结。

2、绝缘体上硅一直是 224G PAM4 面板的首选材料，但对于未来的 CPO 交换机而言，它面临着几个扩展性挑战：

（1）SOI调制器的带宽限制在56-60GHz ，勉强能够处理在56GHz奈奎斯特频率下运行的224G数据速率。这使得硅并非448Gbps高速调制的理想材料。

（2）双光子吸收（TPA）从本质上限制了耦合进来的激光功率。

二、氮化硅（Si3N4 ）是一种绝缘材料，从可见光谱（400纳米）到中红外光谱（4000纳米）都是透明的。

由于以下原因，Si3N4非常适合用于无源布线：

（1）低损耗光波导能有效处理高功率激光器

（2）5 eV 的巨大带隙完全消除了双光子吸收 (TPA)。

（3）低热光系数（比硅低7.5倍）使其在靠近高温GPU时具有良好的热稳定性。

（4）由于低折射率，实现了高效的光纤到芯片边缘耦合

然而，由于以下两个原因，Si3N4是一种难以调制/检测光的材料：

（1）由于它是绝缘体，因此不能形成PN结或自由载流子。

（2）由于热光系数较低，热光加热器控制光线的有效调谐范围较差。

Si 和 Si3N4通常以两层形式共集成，这两层层叠放，用途各不相同：

（1）Si/TFLN/InP层负责调制

（2）Si3N4可处理低损耗、高功率的布线并执行 WDM 复用。

（3）Ge/InP层负责光电探测

光子集成电路设计中最具挑战性的问题之一是实现层间光的垂直传输。光栅耦合器是片外耦合的主要方法。绝热定向耦合器常用于芯片内部层间耦合，其中波导呈“锥形”排列，迫使光沿垂直方向传播到附近的锥形波导。带有45 °反射镜的光学TSV是目前用于光传输的新兴趋势，相关研究成果已发表在多篇优秀的ECTC 2026论文中。然而，光学TSV对对准和清洁的要求非常严格。

CPO调制的新兴方向

我将重点介绍几种将数据速率扩展到 448Gbps 的新兴方法，其中一种已具备商业可行性，另一种则是人们梦寐以求的“圣杯”。

一、TFLN——薄膜铌酸锂（LiNbO3 ）——被广泛认为是下一代224G/448G单通道调制器最有前途的候选材料。

铌酸锂（LiNbO₃ ）并非新型材料，由于其无啁啾和高可靠性，一直是电信光纤领域的主力材料。然而，传统器件体积较大，且需要较高的驱动电压，因此并不直接适用于CPO（光纤互连）。

在TFLN中，一层300-500纳米厚的铌酸锂薄膜键合在硅衬底上。TFLN利用泡克尔斯效应（或线性电光效应）调制光，其折射率随外加电场线性且几乎瞬时地变化。这是因为，与硅的自由载流子耗尽不同，TFLN中没有物理电子或空穴的移动。

TFLN具有多项非常适合CPO的优势：

（1）电极间距紧密——电极间距为1-2微米。

（2）极低的半波电压（Vπ *L ~ 1.5 - 2.5 V* cm ）需由低压驱动器驱动

（3）带宽可达100-145GHz

然而，TFLN 在前端晶圆厂中会带来严重的污染风险：

（1）锂与 CMOS 晶圆厂不兼容，因为锂会使硅栅极氧化物中毒，设备上的残留痕迹可能会损坏价值数十亿美元的 CMOS 晶圆批次。

（2）正因如此，像台积电这样的顶级晶圆厂出于充分的理由不会将锂集成到其前端CMOS生产线中。

（3）因此，TFLN 光调制器是在专门的光子代工厂中制造的，这些工厂与主流 CMOS 生产线在物理上是分离的，然后在最后与 Si 芯片组合在一起。

二、钛酸钡 (BTO)被广泛认为是 CPO 的“圣杯”材料。

BTO 是一种铁电钙钛矿氧化物，具有非常高的 Pockels 张量系数，只需很小的电场变化即可实现巨大的光学相移。BTO（预购组屋）具有以下几个优势：

（1）极低的驱动电压（Vπ * L ~ 0.2 - 0.5 V*cm），无需耗电放大器/驱动器即可直接从原始 CMOS 电平驱动。

（2）占地面积小

（3）与CMOS晶圆厂兼容

然而，由于以下原因，预购组屋模式尚不成熟：

（1）它需要利用分子束外延法生长均匀、无缺陷的BTO薄膜。

（2）由于晶界效应，波导光损耗较高（2-5dB/cm）。

（3）BTO在居里温度120℃之前通常呈铁电性，需要进行电极化处理以最大程度地发挥其电光效应。

简而言之，BTO 具有巨大的潜力，能够在紧凑的外形尺寸下，以低驱动电压和更高的频率实现超过 100GHz 的频率。然而，不要忘记，它也需要性能相当的 EIC 来驱动/接收足够快的频率。

还有其他几种潜在材料，如有机电光（OEO）聚合物、等离子体调制器和混合等离子体调制器，目前正在积极研究中。

最后，我们必须说明一下，这个文章只是讲述了部分，还有更多相关科普，欢迎大家分享。

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

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