向共封裝光學（CPO）方向發展，有望將光子集成電路（PIC）與電子集成電路（EIC）集成在同一封裝內。

激光器通常無法被集成進該封裝，一般通過服務器機架前面板將光信號引入。但一種全新方案可將激光器移入系統內部，盡管仍無法放入封裝。

通過單片式制造激光陣列，企業可簡化分立激光器與光學器件相關的對準難題。該方案可實現數百個激光器，且這些激光器支持軟件可編程，可對任意波長隨機組合進行調諧。通過省去大量其他元器件，該方案可提升系統可靠性。

Lightmatter 近期發布了此類光引擎，該技術與其早期推出的 Passage 產品（光子中介層）同源。楷登電子與新思科技的工具為該光子芯片設計提供支持，同時這兩家企業也為 Passage 產品提供接口 IP。

省去服務器內部的長銅線

傳統上，服務器間傳輸信號的光纖終接于服務器前面板。包含激光器在內的可插拔模塊集成光信號轉電信號所需全部組件。隨后通過銅線將信號傳輸至封裝內的處理器或其他芯片。信號保持串行形式，到達目的地后再轉換為并行信號。

圖 1：傳統架構中，電子部分包含光信號驅動器、放大器，以及用于與 ASIC 或 SoC 常用并行架構相互轉換的 SerDes。ASIC 與 SerDes 可集成在同一芯片上（虛線框所示），此時互連為片上形式，無需使用 UCIe。僅獨立 SerDes 裸片需要 UCIe 接口。

該架構的難點在于，通常由 SerDes 驅動的長銅線功耗極高。將光學器件向信號使用位置靠近、深入電路板內部，可降低功耗。光纖可將光信號從前面板傳輸至使用位置。

“CPO 將器件進一步靠近。” 日月光集團工程與業務開發副總裁 Calvin Cheung 表示，“可插拔器件的帶寬存在上限。因此，為延續技術路線并保持性能，必須轉向 CPO 這類方案，讓器件距離更近。”

激光器仍獨立外置

值得注意的是，出于可靠性考量，激光器通常保留在可插拔模塊內（即外置激光器小型可插拔模塊，ELSFP）。

“在當前行業術語中，大量可插拔器件采用電吸收調制激光器（EML）。”Lightmatter 首席執行官 Nick Harris 表示，“這些 EML 是直接調制激光器，集成在收發器內部。”

激光模塊是此類系統中可靠性最低的組件之一。因此，其保留便捷的可插拔形式，便于低成本、簡易更換。若設計人員將其移入電路板，一旦出現故障，可能需要更換整塊昂貴的電路板。

“在多數 CPO 方案中，激光器與調制器相互分離。”Harris 繼續說道，“調制器置于 CPO（或近封裝光學 NPO）內部，而激光器為獨立器件。”

這一變化同樣將對硅晶圓代工廠產生影響。“傳統模式下，光子裸片由特定代工廠制造，電子裸片由多家企業采用標準 CMOS 工藝制造。” 新思科技接口 IP 產品管理總監 Priyank Shukla 表示，“隨后由封裝廠完成合封。”

將電子與光子裸片集成于單一封裝，推動了單一晶圓廠一體化制造電子與光子技術的工藝發展。“臺積電處于領先地位，可提供完整平臺。”Shukla 稱，“其可同時制造光子引擎與電子 IC。”

圖 2：CPO 將大部分光學器件與電子小芯片集成于同一封裝。出于可靠性考慮，激光器仍保留在前面板，便于更換。

“最新一代部分可插拔光模塊可被視作 CPO 方案。” 安靠封裝開發高級總監 Suresh Jayaraman 表示，“還有其他實現方案，將光收發器、光子 IC（含用于光纖耦合的微透鏡陣列）集成在同一封裝內。”

波分復用需要多個激光器

在單根光纖中實現多波長復用，是在不增加光纖數量的前提下提升帶寬的有效方式，即波分復用（WDM）。不同波長調制的多路信號可在同一光纖傳輸。但其缺點是，每個復用波長均需要獨立激光器。

若這些激光器相互獨立，則必須嚴格管控，避免某一激光器波長漂移量超出其他激光器。若波長間距過近，兩個波長會發生重疊，導致對應信號失真。最簡單的解決方式是減少波長數量，拉大波長間距，通過保護帶寬容納漂移。

但波長之間的間隔無法被有效利用，造成帶寬浪費。僅當激光器漂移至該區域時才會占用，且無法提升帶寬。若所有激光器可在環境因素（如溫度）影響下同步漂移，或每個激光器可獨立鎖定至穩定波長，則可支持更多波長。

深入探究激光器可靠性

激光器本身可靠性低的認知，可能歸因對象錯誤。問題根源或在于激光組裝結構。“失效的并非激光二極管。”Harris 表示。組裝結構包含激光器及后續透鏡、復用器等光學組件。

這些器件并非單片式制造，而是通過粘接固定在激光器附著的表面。

該組裝結構包含透鏡 — 隔離器 — 透鏡芯片，用于實現不同波長的復用。環氧樹脂易受污染、存在放氣現象，會影響可靠性。“有時其釋放的氣體會附著在透鏡上，堵塞光纖。這類組件組合的可靠性極低。”

換言之，省去這些附加組件可提升激光模塊可靠性。

圖 3：當前主流方案。激光器出光后在空氣中傳輸，因此需要透鏡等器件。

傳統激光器的另一難點在于制造。每個激光器及其后續組件必須精準對準，以降低光損耗與失真。若需要多波長，則需要多個激光組裝結構，且相互之間必須對準。這會帶來良率問題，人工操作時極易出錯。

激光條是降低對準難度、實現多波長的一種方案，但激光條內的激光器無法獨立控制，存在調諧難題。“原因在于，其調諧方式為加熱襯底，所有激光器同步調諧。”Harris 稱，“這些激光器發熱量極大，相互加熱，導致效率下降，亮度大幅降低。”

多激光器集成，無額外組件

Lightmatter 針對該難題發布了 Guide 激光模塊方案。該方案集成光子與電子組件，可完成激光器配置與穩定，同時作為光源使用。

制造時，企業單片式制造完全相同的激光器陣列（數量可達上百個），每個激光器配備獨立腔溫加熱器與反饋環路，實現波長穩定。復用器可將激光導入對應光纖，傳輸至系統其他部分。該封裝現有接口可支持大量光纖。

單片式制造省去了人工對準步驟，結構設計可保證天然對準。這與慣性測量單元（IMU）的發展歷程類似：早期加速度計僅支持單維度測量，雙維度需要將兩個傳感器精準 90° 對準；單片式雙向傳感器的出現省去了對準步驟。

Harris 表示，Guide 得益于公司在 Passage 產品上的技術積累。“Passage 芯片集成 1000 個微環調制器。”Harris 稱，“微環屬于諧振腔，尺寸極小、靈敏度極高，我們已掌握極致的控制技術。Guide 完全復用了同類技術。”

軟件定義激光器

波長配置與啟動流程綁定。軟件可向每個激光器寫入波長參數，作為啟動固件的一部分。

“芯片自帶微控制器。”Harris 解釋道，“啟動時可指令：‘我需要該激光器輸出此波長，另一激光器輸出彼波長’。芯片接收指令后，與激光二極管通信，完成波長配置。”

圖 4：芯片啟動時由軟件分配波長，任意激光器可配置為任意波長。

此外，激光器波長可在運行過程中重新分配，實現冗余功能。若激光器在制造測試或運行中失效，可將另一激光器編程為相同波長，由復用器將新激光器的光導入對應光纖。

“若出廠時出現失效，可切換備用激光器。老化測試中失效，可切換。訓練過程中失效，同樣可切換。”Harris 稱。

圖 5：若任一激光器失效（無論早期或后期），在有備用激光器的前提下可完成切換。

與 ELSFP 不同，Guide 激光器的出光直接進入半導體波導，而非空氣。因此無需透鏡傳輸光線，波導自身可完成光約束。這省去了可靠性低的組件，天生比傳統 ELSFP 更可靠。這意味著其可直接貼裝在電路板上，而非前面板。單顆芯片可為板上多個位置提供多路光源，光信號通過可拔插光纖連接器輸出系統。

圖 6：激光器不再置于可插拔模塊內，可移至電路板上靠近使用位置。

現階段，激光器仍未與其他小芯片共封裝。由于封裝內部熱量集中，會嚴重干擾激光器性能，因此仍需將激光器與高溫器件分離。但其在電路板上仍有大量安裝位置，無需放置在前面板。

每個激光器獨立加熱，解決了分立激光器漂移與激光條的相關難題，同時避免多個激光器之間通過熱量相互耦合。

Passage 集成 UCIe 與 SerDes

盡管 Guide 與 Lightmatter 的 Passage 產品無直接綁定，但二者可形成互補。Passage 同樣集成電子與光子組件，小芯片之間需要相互通信。傳統中介層僅通過 UCIe、BoW 等協議實現兩個小芯片的電氣互連，而 Passage 支持光互連。

為讓小芯片設計方無需關心互連對面的器件類型，Passage 將集成楷登電子與新思科技的 UCIe 及 224Gbps SerDes IP。基于 UCIe 的信號到光信號的轉換全部在 Passage 內部完成，小芯片設計方無需額外提供光接口。

CPO 方案的初衷是省去圖 1 中高功耗 SerDes 架構，其核心是去掉連接至前面板的長銅線。驅動此類長線的 SerDes 需要高功耗才能保證信號完整性。

“若該 SerDes 驅動長通道，例如通道損耗 40dB 或背板長度 19 英寸，則屬于長距 SerDes，功耗更高。” 新思科技 Shukla 表示。

在 CPO 架構中，仍需要 SerDes 完成串行光信號與片上并行總線的適配。但其無需傳統方案的高功耗。

“加速器需要處理并行數據，因此必須使用 SerDes。”Shukla 繼續說道，“這類 SerDes 為短通道 SerDes，僅驅動共封裝通道，通道損耗僅 3dB~5dB，能效極高。”

作為首個項目，團隊已集成簡易電子裸片完成概念驗證。“當前一代產品將驗證電子裸片可穩定驅動光學器件。隨著生態成熟，封裝內將集成真正的加速器。”Shukla 補充道。

EDA 企業與系統供應商的合作將在未來設計中持續深化。“隨著 AI 算力大幅擴張以滿足空前的需求與負載，橫向擴展與縱向升級正在重構 AI 基礎設施。” 楷登電子硅解決方案集團高級副總裁兼總經理 Boyd Phelps 表示，“我們與 Lightmatter 的合作體現了對先進互連技術演進的投入。通過將高速 SerDes 與 UCIe IP 集成至全新 CPO 平臺，我們助力客戶打造更具擴展性、更低功耗的 AI 系統。”

核心技術保密

行業對其具體實現方式充滿好奇。Lightmatter 表示該技術實現難度極高，團隊得益于 Passage 的技術積累，但僅透露至此。“我們永遠不會公開具體實現細節。”Harris 稱。

公司同時向光子行業發出挑戰：若 Lightmatter 的 CPO 方案成功，其他企業也將跟進。與當前依賴人工的方案不同，該公司將其方案定義為向大批量自動化制造的轉型，類似于集成電路從小規模集成（SSI）到中規模（MSI）、大規模（LSI）、超大規模（VLSI）的發展歷程。該公司將其方案稱為超大規模光子集成（VLSP）。

CPO 技術難度高，規模化落地進程緩慢。Guide 這類光引擎方案，將降低高算力系統中光子技術的規模化應用難度。