技術論文：數據中心光模塊技術及演進

  1 數據中心光模塊技術創(chuàng)新點

  作為數據存儲和計算的中心，數據中心在各個時期承載的主要功能有所差異。自2000年以來，全球數據中心從計算中心發(fā)展到信息中心，再發(fā)展至云計算中心，目前正向算力中心演變。

  1.1 算力時代下低功耗成為技術創(chuàng)新點

  算力需求提升帶動網絡帶寬成倍增加，數據中心能耗呈指數型增長。設備廠商 Cisco 的數據顯示[1] ，2010—2022 年全球數據中心的網絡交換帶寬提升了80倍，背后的代價是交換芯片功耗增加約8倍，光模塊功耗增加26倍，交換芯片串行器/解串器（SerDes）功耗增加25倍。

  如何解決功耗問題成為下一代高速光互聯應用的最大挑戰(zhàn)。液冷技術成為數據中心突破節(jié)能瓶頸最有效的方式。液冷光模塊是未來技術的一個亮點。

  在光模塊降耗的發(fā)展趨勢下，行業(yè)圍繞驅動器、調制器、激光器及電接口4個方面降低功耗。在驅動器方面，如果采用線性驅動可插撥光模塊（LPO）技術路線，則可在數據鏈路中只使用線性模擬元件，無需數字信號處理 （DSP）或者時鐘數據恢復 （CDR） 芯片，從而降低 DSP/CDR 產生的功耗。在調制器方面，薄膜鈮酸鋰基于自身較低的半波電壓，所需要的驅動電壓更小，從而具備優(yōu)越的低功耗特性，成為產業(yè)界嘗試解決調制器功耗問題的重要途徑。在激光器方面，提高激光器的電光效率和耦合效率是兩種降低功耗的途徑。在電接口方面，縮短交換芯片和光引擎之間的連接長度，采用諸如近封裝光學 （NPO） 和共封裝光學 （CPO） 之類的超密集封裝，可實現更高密度的高速端口，提升整機的帶寬密度。而NPO/CPO背后的技術，即硅光技術，是以光子和電子為信息載體的硅基光電子大規(guī)模集成技術。

  1.2 算力時代下高帶寬需求是技術原動力

  數據中心設備之間的連接由高速光接口提供，并且根據連接距離不同分為短距離 （SR）、DR （指500 m距離）、遠距離（FR）、長距離（LR）等規(guī)格，不同傳輸距離采用的技術方案也會有所不同。高速光接口的速率發(fā)展與數據中心的交換機容量以及SerDes技術的發(fā)展息息相關。交換機容量每 2 年翻一番，預計 2030 年會出現 400 Tbit/s 交換容量，單端口速率需要增長到3.2 Tbit/s。根據接收技術的不同，光連接技術可以分為直檢檢測技術和相干檢測技術。直檢檢測技術由于成本低、功耗低，在 800GE之前，為數據中心高速光接口的主要技術。隨著速率的提升，直檢檢測技術受到色散、四波混頻等問題的影響，傳輸距離下降，使得相干技術下沉到數據中心成為可能。在 800GE 時代，IEEE 802.3dj 針對 10 km 場景將定義相干和直檢兩條技術路徑。但相干技術面臨功耗高、成本高的挑戰(zhàn)。未來 3.2T 時代，直檢技術和相干技術將同時存在。直檢檢測技術在 3.2T 時代仍是主力技術路徑之一。在單通道速率持續(xù)提升的同時，通過增加光纖或者波分復用技術來增加并行路數的方法也將持續(xù)發(fā)展。800GE 時代不僅使用單通道 100G技術，還使用了單通道200G的技術。3.2T時代將會依托單通道200G技術進行多路復用，當然也可能會發(fā)展單通道400G的技術。

  2 光模塊新技術演進路徑

  算力時代對光模塊有著低功耗、高帶寬的需求。目前業(yè)界技術演進方向如下：

  1） 液冷光模塊。冷板式液冷系統(tǒng)中的冷卻液不與發(fā)熱電子部件直接接觸，所以目前常規(guī)光模塊在冷板式液冷系統(tǒng)中應用時，一般無須考慮兼容性問題。浸沒式和噴淋式液冷系統(tǒng)的冷卻液都與散熱器件直接接觸。尤其是浸沒式液冷系統(tǒng)，其直接將散熱器件浸泡在冷卻液里。而常規(guī)光模塊的設計都基于風冷的應用場景，在浸沒或噴淋的液冷環(huán)境下可能出現失效的情況，因此需要針對液冷環(huán)境的應用進行設計并規(guī)范相關技術要求，以保障液冷場景下的數據傳輸。

  2） LPO方案。LPO通過線性直驅技術替換傳統(tǒng)的DSP，將功能集成到交換芯片中，只留下驅動芯片 （Driver） 和跨阻放大器（TIA）芯片。LPO光模塊中用到的Driver和TIA芯片性能也有所提升，從而實現更好的線性度。

  3） CPO方案。CPO是指把光引擎和交換芯片共同封裝在一起的光電共封裝，沒有采用可插拔光模塊的形式。這種方式能夠使得電信號在引擎和芯片之間更快地傳輸，縮短了光引擎和交換芯片間的距離，有效減少尺寸、降低功耗、提高效率。

  4）硅光技術。硅光技術是一種基于硅光子學的低成本、高速光通信技術，利用基于硅材料的互補金屬氧化物半導體（CMOS） 微電子工藝實現光子器件的集成制備。該技術結合了CMOS技術的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗（CPO/LPO架構下）的優(yōu)勢。

  5） 薄膜鈮酸鋰技術。相比于傳統(tǒng)體材料鈮酸鋰，薄膜鈮酸鋰波導可以制作亞微米尺度的光波導，不但提高了器件的集成度，而且大大提高了對光場的限制能力，增強了光場和鈮酸鋰材料的相互作用，因而可以實現超高電光帶寬、超低驅動電壓以及超低光學損耗。該技術有望在電光調制器領域掀起一場革命。

  6） 相干下沉。在數據中心本身的范圍內，強度調制直接檢測 （IM-DD） 技術仍然占主導地位。認識到 IM-DD 在滿足不斷發(fā)展的需求方面的局限性，業(yè)界正在探索“相干精簡版”解決方案（一種專門為較短距離的數據中心連接而設計的相干技術方案）。

  7）光進光出（OIO）技術。OIO是一種基于芯片的光互連解決方案，與計算芯片（中央處理器、圖形處理器、張量處理器）集成在同一封裝中，旨在實現分布式計算系統(tǒng)中它們之間的無縫通信 （跨板、機架和計算行），其帶寬密度、能源成本和延遲與封裝內的電氣互連相當。具體產品形態(tài)包括板載光學 （OBO）、NPO、CPO及未來可能部署的光電子集成電路 （OEIC）。OIO有望提供百倍以上的通道密度，每個通道可以提供百倍以上的帶寬，很可能成為交換芯片向 100T、200T乃至更高容量演進的必要技術。

  2.1 液冷光模塊

  當數據中心中采用浸沒或者噴淋式液冷系統(tǒng)時，板上芯片封裝 （COB） 工藝的光模塊在液體環(huán)境中無法直接使用。在液冷數據中心中宜使用蝶形封裝BOX和同軸封裝TO-CAN 兩種氣密性封裝光組件，并進行模塊的整體液密封裝，或者對光電部分 COB 封裝的光模塊進行全塑封設計 （液密封裝），以有效防止液冷環(huán)境中的冷卻液對光模塊光路部分造成干擾。圖1展示了易飛揚液冷光模塊的密封工藝，該工藝主要通過納米涂覆和低壓注塑密封實現^[2] 。

  為滿足高性能計算和通信應用需求，提高系統(tǒng)性能、能效、可靠性，液冷光模塊技術還需要在以下方面實現突破：

  1）液冷光模塊的技術要求；

  2）液冷光模塊的封裝方式和密封性技術；

  3） 液冷光模塊的液冷測試環(huán)境和可靠性測試環(huán)境的配置、搭建以及對應測試方法；

  4）液冷光模塊的運維管理相關技術；

  5）液冷光模塊的布線連接技術。

  目前，市場上已經有多個廠家發(fā)布液冷光模塊產品。易飛揚發(fā)布了支持浸沒式或者噴淋式液冷散熱方案的液冷光模塊，涵蓋 25 Gbit/s、100 Gbit/s 和 200 Gbit/s 速率；海光芯創(chuàng)也演示了自 研的200G QSFP56 SR4液冷光模塊；光迅科技已經可以提供全套的液冷光模塊產品，目前已經批量交付100 Gbit/s 液冷光模塊；海信寬帶的 25G Pigtail-SFP28 封裝液冷光模塊于 2023 年已批量生產。另外，華工正源、中天科技也在進行液冷光模塊的研究。

  2.2 LPO方案

  雖然 DSP 具有數字時鐘恢復功能和色散補償功能，能夠以較低的誤碼率實現信號恢復，但它也帶來了較高的功耗和成本開銷。例如，在400G光模塊中用到的 7 nm DSP，其功耗約為 4 W，占到了整個模塊功耗的 50% 左右。從成本的角度來看，400G光模塊中，DSP 的物料清單 （BOM） 成 本 約 占 20%～40%。 為 了 降 低功耗和成本，并滿足高速、高密度光通信連接，以及光網絡靈活性和可升級性的需求，LPO應運而生。LPO方案不采用DSP/CDR芯片，而是將相關功能集成到設備側的交換芯片中。如圖2所示，該光模塊只留下了線性度較高的Driver和TIA，并分別集成連續(xù)時間線性均衡 （CTLE） 和均衡 （EQ） 功能，用于對高速信號進行一定程度的補償^[3] 。

  LPO具有突出的優(yōu)勢：低功耗、低成本、低延時、易維護。具體表現在：

  1） 低功耗。去掉DSP后，光模塊功耗大幅度下降。相比于可插拔光模塊，LPO的功耗下降約50%，這與CPO的功耗接近。Arista采用Linear-Drive，使硅光、垂直腔面發(fā)射激光器 （VCSEL）、薄膜鈮酸鋰不同光學方案的功耗均下降 40%左右。

  2） 低成本。DSP 的 BOM 成本約占 20%～40%。去除 DSP后，雖然Driver和TIA集成了EQ，局部成本略有增加，但整體成本還是下降的。以800G光模塊為例，使用LPO系統(tǒng)可以使總成本下降大約8%。

  3）低延時。去除DSP會使得光模塊減少一個處理過程，數據的傳輸時延也隨之下降。這對人工智能（AI）計算和超級計算場景來說尤為重要。

  4） 易維護。在LPO方案中，光模塊的封裝形式沒有顯著改變，采用可插拔設計，這樣方便插入和拔出光學模塊，使得光學連接更加靈活便捷。這種設計簡化了光纖布線和設備維護，提高了系統(tǒng)的可管理性和可維護性。

  然而，當前LPO仍存在兩大缺點：

  1） 通信距離短，應用場景受限制。去除DSP后會導致

  系統(tǒng)的誤碼率提升，進而導致傳輸距離變短。 2） 標準化剛起步，互聯互通存在挑戰(zhàn)。目前由于交換機廠商不傾向于改動交換機，因此光模塊需要適應各個通路之間不同的情況。這里我們給出全球主要企業(yè)的LPO部署進度：英偉達披露了在其內部人工智能集群中部署LPO 的計劃，將在2024 年量產 LPO 光模塊；Meta 公司預計在 2024 年上半年導入 LPO 技 術；Arista 公 司 在 2023 年 光 纖 通 信 會 議 和 展 覽 會（OFC 2023） 上首次展示了有關降低LPO功耗的數據，在網絡研討會上分享了他們在 LPO 方面的最新研究結果；新易盛、劍橋科技等已發(fā)布相關產品；海信寬帶已推出800G線性互聯光纜。

  2.3 CPO方案

  CPO是在成本、功耗、集成度各個維度上優(yōu)化數據中心的光電封裝方案。如圖3所示，CPO將光模塊不斷向交換芯片 （ASIC 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芯片[4] 。在理想情況下，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，從而使系統(tǒng)成本、功耗和尺寸都得到進一步優(yōu)化。如圖 4 所示[5] ，按照物理結構分類，CPO 可分為 3 種技術形態(tài)：2D 平面 CPO、2.5D CPO和3D CPO。

  1）2D 封裝的CPO技術

  基于2D封裝的CPO技術是將光子集成電路PIC和集成電路并排放置在基板或PCB上，通過引線或基板布線實現互連。2D封裝的優(yōu)點是易于封裝、靈活性高。電子集成電路 EIC和光子集成電路PIC都可以使用不同的材料、不同的工藝單獨制作。根據芯片和基板互連方式不同，基于2D封裝的技術發(fā)展出了基于引線鍵合的CPO、基于倒裝的CPO、基于扇出型晶圓級封裝技術的CPO 3種技術路徑。

  2）基于2.5D封裝的CPO技術 2.5D 封 裝 將 EIC 和 PIC 均 倒 裝 在 中 介 層 （Interposer）上。通過中介層上的金屬互連PIC和EIC，中介層與下方的封裝基板或PCB板相連。根據所用轉接板的材料不同，基于 2.5D封裝的技術發(fā)展出了基于玻璃轉接板的CPO、基于硅轉接板的CPO和基于嵌入式多芯片互連橋接3種技術路線。 3）基于3D封裝的CPO技術

  3D封裝技術將光電芯片進行垂直互連，可以不僅能實現更短的互連距離、更高的互連密度和更好的高頻性能，還能實現更低的功耗、更高的集成度和更緊湊的封裝?；? 3D封裝的CPO技術是目前CPO技術研究的熱點。

  CPO技術將增加先進封裝工藝需求。如圖5所示，目前封裝工藝是限制CPO技術發(fā)展的主要因素。CPO技術在封裝過程中會用到硅穿孔 （TSV）、凸點 （Bumping） 和重布線（RDL）等先進封裝技術[6] ，對傳統(tǒng)光模塊封裝廠商提出新的挑戰(zhàn)。

  CPO目前處于產業(yè)化初期，在工藝、仿真以及測試等方面仍面臨很多挑戰(zhàn)。封裝工藝能力是制約CPO 發(fā)展的重要因素，涉及TSV、RDL等多種先進復雜的封裝技術。每一種封裝技術都有利弊，因此我們需要不斷探尋最可靠的方案。散熱問題對于CPO來說是一個重大挑戰(zhàn)。CPO中放置光器件和電器件的空間十分有限，并且光器件對熱特別敏感。CPO 標準工作組做的模擬仿真表明，在風速5 m/s的條件下，當采用 16 個的 CPO 模塊和 1 個開關芯片模型設計時，開關芯片的溫度達到 151.76 ℃，幾乎無法正常工作。主流的熱可插拔模塊維修簡單，但作為不可插拔的CPO 封裝技術維修難度較高，因此測試、良率以及可靠性問題成為CPO 產業(yè)化的關鍵。由于光芯片是直接與電芯片通過先進封裝工藝封裝在一起的，如果某顆芯片發(fā)生了損壞，整個模塊就無法正常工作。這不僅使良率下降，也給測試帶來了諸多困難。 CPO光學器件的通道密度與以往任何子組件不同，這意味著現有的測試解決方案需要改進。

  CPO的發(fā)展需要產業(yè)鏈協同推進，這將考驗光模塊/光引擎廠商的長期綜合實力。如圖6所示，CPO的技術路線優(yōu)化本質上是對整個網絡架構的優(yōu)化[5] ，需要數據中心整體產業(yè)鏈的協同推進。其中，在現有光模塊產業(yè)鏈的基礎上，有些環(huán)節(jié)還需要交換芯片及設備廠商、各元器件廠商共同參與。因此CPO的發(fā)展本質上是對光模塊/光引擎廠商綜合實力的長期考驗。

  2020年以來，CPO逐漸從學術研究成果轉變?yōu)槭袌鲂枨螽a品。如表 1 所示，博通、Cisco、Marvell等行業(yè)內龍頭企業(yè)均已推出多款基于CPO樣品，其他企業(yè)也在積極地布局相關產品，并推進CPO技術標準化。云服務廠商 Facebook 和 Microsoft 創(chuàng)建了CPO聯盟，旨在打造一個平臺，以吸引各細分行業(yè)龍頭企業(yè)加入聯盟，推動CPO 標準的建立和產品的發(fā)展。中國企業(yè)則普遍較晚進入CPO領域，在產品開發(fā)進度及技術研究方面存在明顯的差距。中國計算機互連技術聯盟 （CCITA） 牽頭的 CPO 標準是當前中國唯一原生的 CPO 技術標準。該標準旨在結合目前全球光互連技術發(fā)展，聯合中國光模塊、光收發(fā)芯片、電驅動放大芯片、光源、連接器等廠商，共同打造更加適合中國的 CPO 標準。光迅科技、中際旭創(chuàng)、華工科技等都已開始涉足光電共封領域，但由于起步較晚，目前還沒有CPO相關的產品推向市場。

  2.4 硅光技術

  相對于傳統(tǒng)光模塊，硅光模塊在高速率領域具有高集成度、低成本、低功耗的顯著優(yōu)勢。硅是用量最大的半導體晶圓材料，具有低成本和加工工藝成熟的優(yōu)勢。硅光基于硅和硅基襯底材料，通過 CMOS 工藝進行光器件開發(fā)和集成。硅光模塊產生的核心理念是以光代電，即利用激光束代替電子信號進行數據傳輸。傳統(tǒng)光模塊采用分立式結構，制造過程中需要依次封裝電芯片、光芯片、透鏡、對準組件、光纖端面等器件，部件物料多。如圖7所示，硅光模塊將激光器、調制器、探測器等光/ 電芯片都集成在硅光芯片上。傳統(tǒng)器件中的透鏡和大型組件都被取代，陶瓷、銅等材料用量大幅降低，晶圓、硅光芯片等電子材料占比上升。光模塊價值向硅光芯片、硅光引擎轉移。傳統(tǒng)光模塊制造過程中封裝工序較為復雜，需要投入較多人工成本，而硅光芯片高度集成，組件與人工成本也相對減低，對下游封裝廠或制造商的要求也會降低。

  硅光技術的發(fā)展可以分為4個階段。第1階段，硅基器件逐步取代分立元器件，即將硅作為光通信底層器件，并達到工藝的標準化水平。第2階段，集成技術從耦合集成向單片集成演進，實現部分集成，再通過不同器件的組合，把這些器件集成不同的芯片。第3階段，光電一體技術融合，實現光電全集成化。把光和電都集成起來，可實現更加復雜的功能。第4階段，硅光技術實現可編程芯片。這一階段器件能夠分解為多個硅單元排列組合，局針化表征類。該種通過編程來改變內部結構的芯片，可自定義全功能。目前硅光技術已經發(fā)展到了第2個階段。硅光子核心器件主要是以硅半導體材料的光有源及無源器件：硅基激光器（負責將電信號轉化成光信號）、硅基光調制器 （負責將光信號帶寬提升）、硅基光探測器 （負責將光信號轉化成電信號）、光波導 （負責光信號在硅基材料上傳輸）、光柵耦合器 （負責與對外連接的光纖對準降低插損）等。

  1） 硅基激光器。硅基激光器指集成在以硅為襯底的光芯 片 上 的 激 光 器。常 用 的 硅 基 激 光 器 按 照 結 構 可 分 為 VCSEL芯片、分布式布拉格反射激光器（DBR）芯片、分布式反饋激光器（DFB） 芯片和電吸收調制激光器（EML） 芯片。制作材料主要以III-V族半導體材料為主。對于III-V族激光器與硅光芯片的耦合，主流設計方案主要有片上倒裝焊集成、異質鍵合集成和直接外延生長集成。異質鍵合集成和直接外延生長集成是未來實現硅光大規(guī)模生產的可行方案。

  2） 硅光調制器。硅光調制器指集成在硅光芯片上的調制器。硅光調制器集成度高、消光比較高、損耗低、驅動電壓小，但線性度差，因此目前業(yè)界多使用混合集成調制器。通過異質鍵合、外延等技術，將成熟的鈮酸鋰調制器、lnP 調制器等集成到硅基上，可實現微米級大小，調制效率為全硅調制器的5倍以上。

  3） 硅基光探測器。光電探測器將接收的光信號轉變?yōu)殡娦盘?。由于硅?.1 μm以上的光波透明，單體硅無法制作探測器。目前集成在硅基片上的高頻探測器主要有混合集成III-V族和硅鍺混合探測器。前者耦合效率高、靈敏度高、響應快；后者性能優(yōu)越，器件制備技術與CMOS工藝兼容，更適合大規(guī)模集成，是目前的主流方案。

  就硅光技術在通信設備中的具體應用而言，目前除了激光器外，光模塊中大部分器件的制造都已實現，典型的如光波導、外調制器件、雪崩光電二極管（APD）接收器等。不過由于硅光技術產業(yè)尚處于起步階段，業(yè)內并未形成權威的行業(yè)規(guī)范與技術標準，各主流廠商采用硅光技術設計生產元器件時采用的技術路線不盡相同，因此最終的技術方案還有待優(yōu)化完善。如圖8所示，從工藝角度來看，硅光可以分成單片集成和混合集成。目前混合集成使用較廣，但是單片集成性能更優(yōu)，是未來發(fā)展趨勢。單片集成是指將光子學組件直接集成到同一塊硅芯片上，包括光源、光調制器、波導、耦合器等光學元件，從而形成一個緊湊的光學電路。單片集成方式的優(yōu)勢在于可以減小尺寸，提高集成度，降低制造成本?；旌霞墒侵笇⒐栊酒c其他材料的光學組件結合在一起，即將電子器件 （硅鍺、CMOS、射頻等）、光子器件 （激光/探測器、光開關、調制解調器等）、光波導回路集成在一個硅芯片上。其中，硅芯片主要負責電子部分的處理，而其他材料的光學元件則負責光的生成和調制?；旌霞傻膬?yōu)勢在于可以利用硅芯片的電子器件和其他材料的優(yōu)異光學特性，實現更高效的光通信和傳感應用。

目前來看，光器件如波分復用器、變換調諧器等已經可以實現單芯片集成，而光模塊尚需要混合集成。雖然硅光集成技術具有巨大的市場前景，但目前仍然面臨諸多挑戰(zhàn)：

  1） 硅光器件性能問題。目前的硅光技術已可以替代很多傳統(tǒng)的光器件，但是還有一些需要克服的技術難題，比如：如何減少硅波導的損耗，如何實現波導與光纖的有效耦合，如何克服溫度對于功率和波長穩(wěn)定性的影響等。這些技術難題會影響到硅光技術的普及以及在數據中心場景中的應用。

  2）測試流程復雜。與常規(guī)的大規(guī)模集成電路芯片不同，光電芯片本身成本高、制造流程多、工藝復雜、廢品率高，因此需要先在晶圓上進行測試和篩選，然后再和其他電芯片進行集成，以避免后期由殘次芯片造成的不必要的封裝成本。

 3） 標準化方案缺乏。硅光芯片在各個環(huán)節(jié)都缺少標準化方案，例如：設計環(huán)節(jié)需要使用專用的EDA工具，制造與封裝環(huán)節(jié)缺乏提供硅光工藝晶圓代工服務的廠家。這使得硅光技術大規(guī)模產業(yè)化變得更加困難。

  硅光技術主要布局公司如表2所示。當前，臺積電計劃攜手博通、英偉達等共同開發(fā)硅光子技術、共同封裝光學元件等新產品。制程技術從45 nm延伸到7 nm。臺積電已組建一支由約200名專家組成的研發(fā)團隊，專注于利用硅光子技術開發(fā)未來芯片。

 2.5 薄膜鈮酸鋰技術

  電光調制器是超高速數據中心和相干光傳輸的核心光器件。通過調制將通信設備中的高速電子信號轉化為光信號，電光調制器成為光通信系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)。如表 3 所示，目前光調制的技術主要基于硅光、磷化銦和鈮酸鋰3種材料的電光調制器。其中，鈮酸鋰電光系數顯著高于磷化銦，而硅沒有直接電光系數，因而鈮酸鋰調制器是高帶寬光電信息處理系統(tǒng)中的關鍵器件。傳統(tǒng)鈮酸鋰電光調制器為體材料鈮酸鋰調制器。體材料鈮酸鋰調制器具有帶寬高、穩(wěn)定性好、信噪比高、傳輸損耗小、工藝成熟等優(yōu)點，但在傳輸速率需求不斷提升的形勢下，體材料鈮酸鋰調制器也在一些性能上遭存在瓶頸，而且體積較大，不利于集成。新一代薄膜鈮酸鋰調制器芯片技術將解決這些問題。鈮酸鋰材料具有 “光學硅”之稱。通過最新微納工藝制備出的薄膜鈮酸鋰調制器，具有高性能、小尺寸、可批量化生產且與CMOS工藝兼容等優(yōu)點。

  與磷化銦相比，薄膜鈮酸鋰在長距離/超長距離的產品封裝上具有優(yōu)勢。它可以采用非氣密封裝，從而降低成本，而磷化銦則需要氣密封裝。在性能方面，薄膜鈮酸鋰對比硅光和磷化銦都有明顯優(yōu)勢。鈮酸鋰薄膜調制器利用容性電極和石英襯底，同時實現低微波損耗和光電同步傳輸。容性行波電極不僅可以降低金屬微波損耗，還可以降低微波速率，使光波和微波在調制區(qū)域以相同的速率傳輸，光和電達到完美匹配。如圖 9 所示，當前 800G 主流方案包括 DR8/SR8/ 2FR4 等方案。無論是單模還是多模方案，都使用單通道 100 Gbit/s速率。向單波200/400 Gbit/s速率演進時，薄膜鈮酸鋰的大帶寬優(yōu)勢將更加突出。未來對于成本、功耗、性能等要求會越來越高。薄膜鈮酸鋰調制器憑借功耗、成本、性能等方面的優(yōu)勢，有望迎來快速發(fā)展。

  薄膜鈮酸鋰目前主要面臨兩個方面的挑戰(zhàn)：1） 低成本制備工藝。薄膜鈮酸鋰目前成本較高，而商用后的市場需求與單位成本息息相關。因此，如何解決產業(yè)化后的成本問題是關鍵。2） 鈮酸鋰的晶圓尺寸。目前鈮酸鋰的晶圓尺寸以 4英寸 （1英寸=2.54 cm） 和6英寸為主。8英寸和12英寸能否實現產業(yè)化與后期的成本相關。

  考慮到薄膜鈮酸鋰材料優(yōu)異的性能，如表4所示，當前主要光模塊廠商均已布局鈮酸鋰技術。

  2.6 相干下沉

  相干技術是長距光傳輸采用的技術。由于直檢技術面臨色散、四波混頻等挑戰(zhàn)，傳輸距離不斷縮小。業(yè)界出現了相干技術下沉到數據中心互聯的發(fā)展趨勢。相干技術傳輸性能好，可以靈活地采用光數字信號處理 （oDSP） 技術進行色散補償，但是成本和功耗較高。為了降低成本和功耗，許多高校及企業(yè)提出了 Coherent-Lite 的概念，并提出 O 波段相干、灰色（固定波長）激光器和自相干。

  1） O波段相干。目前數據中心內部光信號傳輸的波長都是O波段，而傳統(tǒng)的相干光通信是C波段。C波段最大的好處是光纖功率損耗最小，所以非常適合長距離的光纖傳輸；但同時C波段的光纖色散比較大，需要用DSP進行色散和各種損傷的補償。而在 O 波段，雖然光纖功率損耗變大了，但好在傳輸距離并不遠，功率衰減不多，所以也不需要光放大器。同時在O波段光纖的色散最小，這樣的話就不需要DSP來補償色散。因此，DSP的功能可以進一步簡化，這使得系統(tǒng)成本和功耗進一步降低。

  2） 灰色 （固定波長） 激光器。由于數據中心內部架構不需要在光纖中進行密集的波長傳輸，因此可以使用灰色（固定波長） 激光器。它的使用消除了對波長調諧以及相關控制電路和算法的需求，簡化了實施過程，降低了操作的復雜性。

  3） 自相干。傳統(tǒng)的相干方案是異源相干，本振 （LO）光要求與信號載波頻率相位對齊，而自相干是同源相干，即一根光纖雙向傳輸數據，一根光纖雙向傳輸LO，如圖10所示[7] 。這個架構的好處是：不需要使用昂貴的激光器，無溫控熱電制冷器 （TEC），無波鎖，可有效降低模塊成本和功耗。此外，接收機信號不存在頻偏和相噪問題，DSP可以得到進一步簡化。

    隨著傳輸速率提升至800G，相干技術方案在80 km傳輸距離的基礎上將進一步向10 km等更短距離拓展應用。當傳輸速率達到1.6T時，相干會進一步下沉到2 km。IEEE 802.3 正在標準化 800G/1.6T 以太網接口，包括單通道 100G 和 200G 兩路不同傳輸距離的接口。值得一提的是，2023 年， IEEE 802.3dj就800G 10 km應用是采用強度調制和直接檢測（IMDD） 還是采用相干技術進行了激烈討論。最終，IEEE 802.3dj決定為800G 10 km設定兩個項目目標，分別采用不同的技術解決方案?？梢钥吹?，隨著單通道速率的提升，相干技術正在不斷下沉，相關應用場景也在不斷拓展。

  3 結束語

  液冷技術具備超高能效、超高熱密度等優(yōu)點，是解決數據中心散熱壓力和節(jié)能挑戰(zhàn)的重要途徑。液冷光模塊是大勢所趨。LPO具有短距離、低功耗、低時延等特性，能夠適配 AI計算中心。由于可以直接應用于目前成熟的光模塊供應鏈，LPO在高線性度TIA/Driver 廠商的大力推動下或可快速落地。CPO方案通過交換機光電共封裝降低成本和功耗，是未來實現高集成度、低功耗、低成本、超高速率模塊應用方面是綜合最優(yōu)的封裝方案。雖然硅光產品的研發(fā)投資和銷售額仍小于III-V族材料，在產品性能、工藝、成本等方面仍面臨一定挑戰(zhàn)，但基于其在成本和功耗方面的優(yōu)勢，硅光技術有望成為未來光器件的主流技術。薄膜鈮酸鋰是超高速數據中心和相干光傳輸的核心光器件，具有高性能、低成本、小尺寸、可批量生產且與CMOS工藝兼容等優(yōu)點，是未來高速光互連極具競爭力的解決方案。當數據中心內部連接的要求超過 1.6T 并走向 3.2T 時，色散損傷和鏈路預算將對直接檢測（IM-DD）解決方案提出更高要求。因此，相干精簡版解決方案有望成為大批量 3.2T 數據中心內互聯應用的有力競爭者。

  參考文獻

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  [6] 卞玲艷, 曾艷萍, 蔡瑩, 等 大數據時代光電共封技術的機遇與挑戰(zhàn) [J]. 激光與光電子學進展, 2024, 61(11). DOI：10.3788/LOP231348

  [7] GUI T, WANG X F, TANG M, et al. Real-time demonstration of 600 Gbit/s DP-64QAM selfomodyne coherent bi-direction transmission with uncooled DFB laser [C]//2020 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), 2020, IEEE. DOI: 10.1364/OFC.2020.Th4C.3

  本文作者：張平化 中興光電子 工程師；王會濤 中興光電子 規(guī)劃總工；付志明 中興光電子工程師