【光电共封CPO】深度剖析光电共封为何对外置激光光源情有独钟

【湾芯展推荐】本文涉及的相关企业：TSMC、Boardcom、Ayar Labs、Corning

通信领域发展史有两大革新，一个是数字信号，另一个就是光纤互联，而如今高带宽加低时延的需求使得可拔插式光模块也渐渐不能满足，CPO光电共封应运而生。CPO的核心理念是将光学元件与电子芯片集成在一起，以实现更高效的信号传输和更低的功耗，多种元器件集成能够缩短互联距离，单热管理和可靠性也变得越来越复杂，所以行业内目前普遍采用外部激光光源，似乎集成激光光源这一CPO技术的终极目标还遥不可及。

光电共封-算力机组互联革命性力量

随着大模型、自动驾驶和算力中心的飞速发展，算力机组的规模和数据流量呈爆炸式增长，传统的光通信技术在面对如此庞大的数据传输需求时，逐渐显露出其局限性。电连接距离过长和功耗过高的问题，成为制约数据中心进一步发展的瓶颈，所以工程技术专家针对互联新开发出来光电共封CPO来克服诸多难题。CPO的核心就是紧凑，将光学元件与电子芯片集成在一起，可以大幅缩短电连接距离，减少信号传输过程中的损耗和延迟，而且集成化的光学元件可以大幅提升其信号质量和系统能效比。

CPO技术的出现并非一朝一夕，从铜缆互联到可拔插式光模块再到如今的光电共封CPO，在近十几年的发展中，CPO经过材料和结构的不断地改进衍生出许多版本，2D光电、3D垂直通孔、玻璃基板共封等形式层出不穷，有很大一部分是为了解决其互联带来的热管理和可靠性问题。从上图也不难看出，几乎所有的芯片都越来越近，唯独激光光源（ELM）却变成了外置的，这一现状不禁令人好奇，究竟是什么因素阻碍了激光光源的集成呢？

复杂封装面临热管理的技术挑战

ASIC芯片是算力机组互联网络中最核心的部件，其承载了数据传输最底层也是最繁杂的任务，满载负荷时ASIC散热功耗高达数百瓦，芯片内部积热问题及其严重，业界目前采用水冷方案，来确保芯片组的正常运行。如果再将激光光源集成到芯片组中，散热问题就变得更加复杂。而且激光光源对于温度极为敏感，环境温度的细微变化都会影响其性能，更何况ASIC芯片动辄百瓦的高热量，使得激光光源控制变得极为困难，因为在一个温度波动大且持续高温的环境中，维持一个精密仪器的稳定输出，其难度可想而知。

比较了不同方案对于激光光源的集成方式，III-V族异质集成和硅基晶圆混合集成都会有不错的光学插入损耗和耦合损耗，并且理想情况下信号质量和传输距离也能大幅缩短，可惜事与愿违激光光源离ASIC芯片太近会收到高结温的影响变得不再精确而稳定，所以外置激光光源(External laser source)是普遍做法。

在波分复用（WDM）的系统中，激光光源作为光源如同电子电路的基准电位一样，其信号波长的准确性至关重要，即使只有微小的波长偏移，也可能导致通道之间的干扰，进而引发数据错误。除了波长偏移，温度升高还会增加激光光源的阈值电流（阈值电流是激光光源实现激光动作所需的最小驱动电流），尤其是环境温度升高激光光源更多的电能被分流到其他过程，内部载流子泄露奥格复合（一种非辐射复合过程，在这种复合过程中，电子和空穴复合时，能量并不是以光子的形式释放出来，而是以其他方式（如声子或热能）耗散掉），这意味着想要维持同样的输出功率，需要增加更大的驱动电流，功耗提升的同时，激光光源的效率还大大降低。高温会破坏激光光源的寿命，设备寿命随温度升高呈指数级下降，例如，在85°C下运行的激光光源比在25°C下运行的激光光源寿命可能缩短10倍以上。

据CSP服务商公司统计，尤其是超大规模的算力机组互联网络，激光光源是光互联网络中故障率较高的部件之一，在可拔插式光模块互联网络，激光光源故障可以拔插式更换，系统复机时间可以控制在一小时内。然而使用方案一和二的CPO光电共封装，激光光源和ASIC集成在一起，一旦激光光源出现故障，整个封装体都需要更换，按万小时1%故障率来看，万卡集群的维修和换新成本将变得惊人，新建算力中心的费用陡然上升。

外置激光光源是最优解

外部激光光源可说是目前的最优解，将激光光源从ASIC芯片移至前端模块是行业更为明智的选择，这种做法不仅解决了温度控制的难题，还保留了热插拔能力。通过将激光光源放置于前端模块中，CPO封装体内部ASIC芯片的温度将不会影响光源信号质量，而且整个系统也将更加稳定。目前行业通过将外部激光光源小型可插拔（ELSFP）的规格进行了标准化，为CPO技术的商业化应用奠定了坚实的基础。

计划于2026年规模化的800G（100x8或200x4）互联网络中，外置激光光源的CPO方案将是首选，为了验证外部激光光源解决方案的有效性，研究人员进行了大量的实验室测试，外置激光光源比共封装方案在稳定性和可维修性大幅提升，功耗也低了10%左右，商业价值远大于共封方案，这也为外置光源CPO技术的进一步推广和应用提供了坚实的信心。

当然业界对于内置激光光源集成封装也同样给予厚望，其拥有超短的互联距离和超低的光信号质量损耗，随着未来材料科学和制造工艺的不断进步，未来可能会看到基于新材料的集成式激光光源能够适应更高的温度，并且信号质量、功耗和寿命都大幅提升。