核心要點

1. 將光子集成電路與硅基芯片封裝在一起雖能提升性能，但激光器仍未納入該封裝體系

2. 新型單片激光陣列可實現數百種波長輸出，且每個波長均可通過軟件獨立調諧

3. 相關技術正加速產品化，有望推動共封裝光學技術的商業化落地

共封裝光學（CPO）技術的發展愿景，是將光子集成電路（PIC）與電子集成電路（EIC）集成至同一封裝中。

但激光器通常并未納入這一封裝體系，其光束需通過服務器機柜的面板引入。不過一種全新技術方案有望將激光器整合至系統內部（雖仍未納入芯片封裝）。

企業通過單片集成方式打造激光陣列，可有效降低分立激光器與光學元件對接時的對準難度，該方案有望實現數百個激光器的集成。同時，將激光器設計為軟件可編程模式，可對任意波長組合進行靈活調諧；通過省去大量外圍元件，這一方案還能提升系統的可靠性。

Lightmatter 公司近期發布了一款光引擎產品，該產品沿用了其早前光子中介層產品 Passage 的核心技術，其光子芯片設計由楷登電子（Cadence）和新思科技（Synopsys）的工具完成，這兩家企業還為 Passage 提供了產品接口知識產權（IP）支持。

淘汰服務器內的長銅纜

傳統方案中，實現服務器間信號傳輸的光纖最終接入服務器面板，包含激光器的可插拔光模塊集成了光信號轉電信號的所有核心元件，隨后由銅纜將電信號傳輸至封裝內的處理器或其他芯片，信號全程保持串行傳輸，直至抵達目標端后再轉換為并行信號。

圖 1：傳統架構中，電子模塊包含光信號驅動、放大元件及串并轉換收發器（SerDes），以實現與專用集成電路（ASIC）或片上系統（SoC）中標準并行架構的信號轉換。專用集成電路與收發器可集成于同一芯片（虛線框所示），此時互連為片上互連，無需采用通用芯片互連接口（UCIe）；該接口僅適用于獨立的收發器芯粒。來源：拜倫?莫耶 /《半導體工程》

這一架構的核心問題在于，由收發器驅動的長銅纜會消耗大量能耗。若將光學元件向信號使用端靠近、進一步集成至電路板內部，即可通過光纖將光信號從面板直接傳輸至使用端，從而大幅降低能耗。

日月光集團工程與業務發展副總裁張家豪表示：“共封裝光學技術的核心是實現元件的近距離集成。可插拔光模塊的帶寬存在瓶頸，若要延續技術路線、保持性能提升，就必須向共封裝光學這類技術轉型，實現元件的高密度近距集成。”

激光器的獨立現狀

值得注意的是，出于可靠性考量，激光器目前仍獨立置于可插拔光模塊中（這類模塊也被稱為外置激光小型可插拔模塊，ELSFP）。

Lightmatter 首席執行官尼克?哈里斯表示：“當前行業內的可插拔光模塊中，大多采用電吸收調制激光器（EML），這類直接調制激光器集成于光收發器內部。”

激光器模塊是這類系統中可靠性最差的元件之一，因此其一直采用易拆卸的可插拔設計，便于低成本快速更換。若將其集成至電路板，一旦發生故障，可能需要更換整個昂貴的電路板，得不償失。

哈里斯補充道：“在多數共封裝光學方案中，激光器與調制器是相互分離的 —— 調制器集成于共封裝光學模塊（或近封裝光學模塊 NPO）內部，而激光器則為獨立器件。”

這一變化也將對硅晶圓代工廠產生影響。新思科技接口知識產權產品管理總監普利揚克?舒克拉表示：“傳統模式下，光子芯片由特定晶圓代工廠制造，電子芯片則由多家企業通過標準 CMOS 工藝生產，最后由封裝廠完成一體化封裝。”

將電子芯片與光子芯片集成至同一封裝，推動了單晶圓代工廠一體化工藝的發展，即同一家工廠可同時制造電子和光子器件。舒克拉指出：“臺積電正處于領先地位，推出了全套工藝平臺，可同時制造光引擎和電子集成電路。”

圖 2：共封裝光學技術將大部分光學元件與電子芯粒集成至同一封裝，出于可靠性考量，激光器仍保留在服務器面板處，以實現便捷更換。來源：拜倫?莫耶 /《半導體工程》

安靠封裝高級封裝開發總監蘇雷什?賈亞拉曼表示：“部分最新一代可插拔光模塊已具備共封裝光學的特征，還有部分方案將光收發器、光子集成電路（含光纖連接用微透鏡陣列）全部集成至同一封裝中。”

波分復用技術：需要多激光器協同

在單根光纖中實現多波長信號復用，是無需增加光纖數量即可提升帶寬的有效手段，這一技術即為波分復用（WDM）—— 將不同信號調制至不同波長，使其在同一根光纖中傳輸。但該技術的弊端在于，每個復用波長都需要配備獨立的激光器。

若激光器為分立設計，就必須進行精密管控，防止單個激光器的波長漂移幅度過大；若各波長間距過小，不同波長信號可能發生重疊，導致信號失真。應對這一問題的簡易方法是減少波長數量，擴大波長間距，并預留漂移保護帶，但這會造成波長資源的浪費，無法實現帶寬的最大化利用。

若能讓所有激光器在受溫度等環境因素影響時同步調諧，或實現每個激光器的波長獨立穩頻鎖定，就能在光纖中集成更多波長，進一步提升帶寬。

深挖激光器的可靠性問題

業界普遍認為激光器本身可靠性較差，實則問題根源并非激光器芯片，而是激光模塊的封裝組件。哈里斯表示：“激光二極管本身極少發生故障，故障多源于由激光器、透鏡、波分復用器等外圍光學元件組成的封裝組件。”

這些外圍元件并非單片集成，而是通過膠粘方式與激光器貼合，其中包含透鏡 - 隔離器 - 透鏡集成芯片（核心作用是實現多波長復用），而易受污染、易發生釋氣的環氧樹脂膠會嚴重影響模塊可靠性。“環氧樹脂的釋氣物質可能附著在透鏡表面，甚至堵塞光纖，這類組裝式組件的可靠性極低。”

從另一角度來看，若能省去這些外圍元件，激光模塊的可靠性將得到質的提升。

圖 3：當前激光模塊的典型架構，激光出射后在空氣中傳播，因此需要透鏡等光學元件進行光束調控。來源：Lightmatter 公司

傳統激光器還面臨制造端的挑戰：每個激光器及其外圍元件都需精密對準，以最大限度減少光損耗和信號失真；若要實現多波長輸出，還需對多個激光組件進行相互對準，這不僅會導致良率問題，人工對準還極易產生誤差。

激光巴條是實現多波長輸出且降低對準難度的一種方案，但巴條內的激光器無法獨立調諧，存在調諧瓶頸。哈里斯解釋道：“激光巴條的調諧方式為襯底加熱，這會導致所有激光器同步調諧；同時，激光器工作時產生的大量熱量會相互影響，導致器件效率下降、光功率大幅衰減。”

無外圍元件的多激光器集成方案

Lightmatter 公司發布的 Guide 激光模塊，為解決上述問題提供了一種可行方案。該模塊集成了光子和電子元件，既可作為光源，又能實現激光器的配置與穩頻。

該產品的制造核心是單片集成同規格激光器陣列（可集成百余個激光器），每個激光器均配備局部激光腔加熱器和反饋環路，實現波長精準穩頻；波分復用器可將不同波長的激光導入對應光纖，傳輸至系統其他部分，現有封裝接口可支持多光纖連接。

單片集成工藝徹底省去了人工對準步驟，通過工藝設計實現元件的精準對準，這一變革與慣性測量單元（IMU）的發展歷程相似：早期加速度計僅能實現單維度測量，實現二維測量需將兩個傳感器精準對準 90°，而雙向單片集成傳感器的問世，徹底淘汰了對準工序。

哈里斯表示，Guide 產品的研發受益于 Passage 產品的技術積累：“Passage 產品集成了 1000 個微環調制器，這類微環結構為超小型諧振腔，對環境極為敏感，我們已掌握其超高精度調控技術，而 Guide 產品正是沿用了這一核心技術。”

軟件定義激光器

激光器的波長分配與系統啟動流程綁定，可通過軟件向每個激光器寫入波長參數，該參數將成為系統啟動固件的一部分。

哈里斯解釋道：“芯片內置微控制器，系統啟動時，操作人員只需向芯片下達指令 ——‘設定某激光器為某一波長’，芯片就會與激光二極管通信，完成波長配置。”

圖 4：軟件在系統啟動時完成波長分配，可實現任意激光器的任意波長配置。來源：Lightmatter 公司

此外，激光器的波長可在系統運行過程中重新分配，實現冗余備份：若某一激光器在生產測試或運行過程中發生故障，可通過軟件將另一激光器重新編程為相同波長，同時由波分復用器將新激光器的光束導入對應光纖。

哈里斯表示：“無論是生產初期、老化測試階段，還是系統調試過程中，只要有激光器發生故障，我們都能快速替換為備用激光器。”

圖 5：只要有備用激光器，無論激光器在生命周期的哪個階段發生故障，均可實現快速替換。來源：Lightmatter 公司

與傳統外置激光小型可插拔模塊不同，Guide 模塊的激光出射后直接進入半導體波導，而非在空氣中傳播，因此無需透鏡進行光束調控 —— 波導本身可實現光束的約束傳輸。這一設計省去了可靠性較差的外圍光學元件，使模塊本身的可靠性遠超傳統外置激光小型可插拔模塊，也意味著其可直接集成至電路板，而非局限于服務器面板；單顆芯片可為電路板上的多個位置提供光源，光束通過可拆卸光纖連接器傳輸至系統外部。

圖 6：激光器不再局限于可插拔模塊，可直接集成至電路板，靠近信號使用端。來源：拜倫?莫耶 /《半導體工程》

目前，激光器仍未與其他芯粒共封裝，這一現狀短期內難以改變 —— 封裝內部的集中式高熱量會對激光器的性能和可靠性造成嚴重影響，因此激光器需遠離高發熱元件。但即便不置于服務器面板，電路板上仍有大量合適的位置可供激光器集成。

每個激光器的獨立加熱設計，既解決了分立激光器的波長獨立漂移問題，也規避了激光巴條的同步調諧瓶頸，同時有效避免了多激光器間的熱耦合干擾。

Passage 產品集成通用芯片互連接口與高速收發器

盡管 Guide 與 Passage 并非直接關聯產品，但二者可形成互補。Passage 同樣集成了光子和電子元件，而芯粒間的通信是其核心需求：傳統標準中介層僅能通過通用芯片互連接口（UCIe）或晶圓鍵合（BoW）等協議實現芯粒間的電互連，而 Passage 可實現芯粒間的光互連。

為使芯粒制造商無需考慮互連端的器件類型，Passage 集成了楷登電子和新思科技的通用芯片互連接口及 224Gbps 高速收發器，基于通用芯片互連接口的電信號至光信號的轉換，全部在 Passage 內部完成，芯粒制造商無需額外設計光接口。

盡管共封裝光學技術的研發初衷是淘汰圖 1 中高功耗的收發器架構，但其核心目標是去除連接服務器面板的長銅纜—— 驅動這類長銅纜的收發器必須為高功率版本，才能保證信號的高完整性傳輸。

新思科技的舒克拉表示：“若收發器驅動長距離信道（如信道損耗達 40 分貝，或對應 19 英寸的背板傳輸），則需采用長距收發器，其功耗會大幅增加。”

在共封裝光學架構中，收發器仍不可或缺 —— 需將串行光信號轉換為芯片內部標準的并行總線信號，只是其無需采用傳統的高功率版本。

舒克拉補充道：“人工智能加速器需處理并行數據，因此收發器是必備元件；但共封裝光學架構中的收發器為短距收發器，僅驅動封裝內的信道，信道損耗僅 3-5 分貝，能效表現極佳。”

目前，該團隊已完成一款簡易電子芯片的集成，作為技術概念驗證。舒克拉表示：“當前一代產品將驗證電子芯片驅動光學元件的可靠性，隨著產業生態的不斷完善，真正的人工智能加速器將集成至該封裝體系中。”

電子設計自動化企業與系統廠商的合作，將在未來的產品設計中持續深化。楷登電子硅解決方案集團高級副總裁兼總經理博伊德?費爾普斯表示：“為滿足前所未有的市場需求和工作負載，人工智能的算力正呈爆發式增長，算力的縱向升級與橫向擴展正重塑人工智能基礎設施。我們與 Lightmatter 的合作，彰顯了我們對先進互連技術發展的堅定承諾；通過將高速收發器和通用芯片互連接口知識產權集成至這一新共封裝光學平臺，我們正助力客戶打造更具擴展性、更高能效的人工智能系統。”

技術細節暫未公開

業界對該技術的實現細節充滿好奇，但 Lightmatter 表示其技術研發難度極大，且核心得益于 Passage 產品的技術積累，并未透露更多細節。哈里斯直言：“我們絕不會公開具體的實現方法。”

同時，該技術也為光子學行業帶來了新的挑戰：若 Lightmatter 的共封裝光學方案取得成功，必將引發行業的跟進入局。該公司表示，其方案實現了光子器件從人工制造向大規模自動化制造的轉型，這與集成電路從小規模集成（SSI）、中規模集成（MSI）、大規模集成（LSI）到超大規模集成（VLSI）的發展歷程高度相似；事實上，Lightmatter 將其技術命名為超大規模光子集成（VLSP）。

共封裝光學技術的研發難度大，商業化規模化落地進程緩慢，而 Guide 這類激光引擎產品的問世，將為高光子集成度系統的研發與規模化落地降低難度。