共封裝光學(xué)技術(shù)平臺(tái)方興未艾

在過去的50年中，每十年都會(huì)一波又一波地推出移動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。移動(dòng)帶寬需求已經(jīng)從語音通話和短信發(fā)展到超高清(UHD)視頻和各種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)應(yīng)用，在線服務(wù)也推動(dòng)了數(shù)據(jù)流量的大幅增長。盡管疫情爆發(fā)對(duì)電信基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)鏈產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，但全球消費(fèi)者和企業(yè)用戶不斷在為網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)創(chuàng)造新的需求。

社交網(wǎng)絡(luò)、商務(wù)會(huì)議、超高清視頻流、電子商務(wù)和游戲應(yīng)用將繼續(xù)高增長。隨著新的數(shù)字設(shè)備的出現(xiàn)，其功能和智能得到不斷增強(qiáng)，Yole集團(tuán)旗下的YoleIntelligence每年都觀察到更高的設(shè)備采用率。聯(lián)網(wǎng)汽車、自動(dòng)化物流和制造設(shè)施(包括AR/VR)的帶寬已經(jīng)遠(yuǎn)高于當(dāng)前的超高清流媒體應(yīng)用。

圖1：全球業(yè)務(wù)增長的主要?jiǎng)恿碜愿叻直媛室曨l流業(yè)務(wù)。

就所需的電密度和光密度、熱問題和功耗而言，目前可插拔光學(xué)器件的外形尺寸在支持1.6Tb/s、3.2Tb/s和更高容量的能力方面受到限制。作為分立電子器件實(shí)現(xiàn)方案，功耗和熱管理正在成為未來可插拔光學(xué)器件的限制因素。

共封裝光學(xué)器件(CPO)是一種新方法，旨在通過使光學(xué)器件更接近開關(guān)ASIC來克服這些挑戰(zhàn)。CPO技術(shù)被認(rèn)為是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的一種新部署模型，是成熟的可插拔光學(xué)器件的替代品。一旦得到商用，CPO可能會(huì)在特定應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，雖然這并不一定意味著可插拔光學(xué)器件將消失。

CPO市場(chǎng)產(chǎn)生的收入在2020年達(dá)到了約600萬美元，預(yù)計(jì)到2032年將達(dá)到22億美元，在2020-2032年期間的復(fù)合年增長率有望達(dá)到65%。與可插拔光學(xué)器件相比，這種增長動(dòng)力是源于CPO的實(shí)質(zhì)性節(jié)能(>30%)和以美元/Gbps為單位衡量的支出節(jié)省。

圖2：2020年、2026年和2032年數(shù)據(jù)通信光學(xué)器件收入增長預(yù)測(cè)。

硅光子集成能力的優(yōu)勢(shì)

CPO采用單個(gè)封裝組件為以太網(wǎng)交換機(jī)或分布式計(jì)算提供光學(xué)I/O接口，解決了可插拔光學(xué)器件帶來的一些挑戰(zhàn)，包括端口密度、功耗、熱管理和帶寬。目標(biāo)是將電光轉(zhuǎn)換過程盡可能靠近計(jì)算、交換機(jī)或ASIC芯片，從而實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和能源效率。

硅光子學(xué)(SiPh)雖然仍被認(rèn)為是一種新興技術(shù)平臺(tái)，但在中等距離應(yīng)用的可插拔光學(xué)器件中得到了很好的認(rèn)可。CPO的商業(yè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低于當(dāng)前400G(DR或FR)可插拔光學(xué)器件的價(jià)格，而支持SiPh的更高水平的光電子集成可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。SiPh被發(fā)現(xiàn)能以更低的成本提供集成和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)。2021年，SiPh收發(fā)器的出貨量超過了800萬個(gè)。預(yù)計(jì)SiPh收發(fā)器的出貨量將在未來五年內(nèi)大幅增長，單位年均復(fù)合增長率為25%。

激光器：外部安裝VS內(nèi)部集成

高度集成的光學(xué)器件需要成熟、高良率的晶圓廠工藝和器件光子集成電路(PIC)制造技術(shù)。這些要求通過定義新角色迫使行業(yè)在新的基礎(chǔ)上密切合作。這種轉(zhuǎn)變不可能在一夜之間實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，仍有許多CPO技術(shù)挑戰(zhàn)尚待解決。

暫時(shí)先不要將激光器與波導(dǎo)和調(diào)制器進(jìn)行深度集成，而是使用安裝在外部的激光源作為首選，來解決對(duì)激光器可靠性和熱管理的擔(dān)憂，不過，這樣做的代價(jià)是會(huì)引入其他方面的復(fù)雜性。外部激光源需要更高的激光功率來克服從激光器到調(diào)制器的路徑中的額外光學(xué)損耗，而且需要額外的面板空間、更高的激光器封裝成本以及額外的光纖和連接器。

為了簡化CPO組裝架構(gòu)并減少激光模塊和光纖的數(shù)量，使用高功率激光器并在光學(xué)小芯片之間分配功率是有優(yōu)勢(shì)的。采用單片集成方法的SiPh PIC可實(shí)現(xiàn)III-V器件的更高制造良率和低損耗集成?；赟iPh的PIC可以集成共享更多通道的激光器、波導(dǎo)、調(diào)制器、檢測(cè)器、多路復(fù)用器和用于光纖連接的V型槽。這樣可以減少封裝步驟，為批量制造工藝鋪平道路。

光學(xué)行業(yè)面臨艱難轉(zhuǎn)型

越來越多的證據(jù)表明，光學(xué)行業(yè)正在認(rèn)真對(duì)待轉(zhuǎn)變。2020年，就CPO的進(jìn)一步發(fā)展，光互連和交換設(shè)備行業(yè)展開了深入而廣泛的討論。至今已經(jīng)宣布了好幾項(xiàng)戰(zhàn)略合作，并且最近出現(xiàn)了概念的初次證明。在標(biāo)準(zhǔn)方面，光互聯(lián)論壇(OIF)和車載光學(xué)聯(lián)盟(COBO)已經(jīng)建立了內(nèi)部的CPO推進(jìn)項(xiàng)目，多源協(xié)議(MSA)活動(dòng)也將效仿。四家超大規(guī)模云運(yùn)營商中的兩家——臉書和微軟——已經(jīng)正在積極努力，支持CPO滲透到其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。

圖3：光收發(fā)器技術(shù)的關(guān)鍵趨勢(shì)。

如今的CPO已經(jīng)圍繞半導(dǎo)體和交換設(shè)備供應(yīng)商初步形成完整的產(chǎn)業(yè)，而這些供應(yīng)商也紛紛收購或與創(chuàng)新的SiPh設(shè)計(jì)師展開了合作。他們尋求新的方式為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商提供CPO生態(tài)系統(tǒng)。絕大多數(shù)涉及CPO的參與者是美國公司;而中國傳統(tǒng)的可插拔光學(xué)供應(yīng)商尚未將CPO技術(shù)引入其路線圖。雖然CPO市場(chǎng)將被塑造成支持多供應(yīng)商的商業(yè)模式，但它的形成可能會(huì)導(dǎo)致可插拔光學(xué)行業(yè)的整合，盡管CPO不會(huì)來自這些參與者。相反，CPO技術(shù)需要新的合作和一致的戰(zhàn)略合伙來滿足用戶需求、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。

預(yù)計(jì)2028年CPO將得到首次全面部署，交換容量為200TB。盡管CPO具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但仍然很難與可插拔模塊競(jìng)爭，在很長一段時(shí)間內(nèi)可插拔模塊仍是首選。只有少數(shù)參與者(博通、英特爾、Ranovus和其他一些公司)會(huì)將專有解決方案推向市場(chǎng)。為了滿足市場(chǎng)需求，并讓最終用戶相信CPO的可行性，多供應(yīng)商商業(yè)模式和制造產(chǎn)量必須發(fā)展到可接受的水平。未來幾年應(yīng)該會(huì)讓CPO技術(shù)解決方案的前景變得更清晰，尤其是商業(yè)和供應(yīng)鏈模型。

圖4：FPP和CPO的部署模式比較。

CPO的下一步?

如今，光模塊在垂直市場(chǎng)已建立良好產(chǎn)業(yè)鏈：元器件供應(yīng)商、光學(xué)供應(yīng)商和組裝/測(cè)試集成商。根據(jù)定義，多供應(yīng)商模型涉及許多供應(yīng)商，一個(gè)交換設(shè)備中多個(gè)不同的可插拔模塊的互操作性有助于提高行業(yè)的靈活性。這些是目前可插拔方法相較于CPO的主要優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)CPO成為主流時(shí)，傳統(tǒng)的工業(yè)光學(xué)格局可能會(huì)顯著縮小。CPO技術(shù)將嚴(yán)重依賴SiPh。憑借高度集成的光學(xué)器件和硅芯片，將迫切需要全新的工程能力和代工廠。這對(duì)于傳統(tǒng)的中型企業(yè)來說是無法接受的，因?yàn)橹挥袃r(jià)值數(shù)十億美元的光學(xué)供應(yīng)商們才能負(fù)擔(dān)得起從可插拔設(shè)備轉(zhuǎn)向CPO的成本。

許多較小的企業(yè)數(shù)據(jù)中心在這些技術(shù)獲得良好口碑之前，不會(huì)采用最新的互連技術(shù)，因此技術(shù)交流的速度也要慢得多。這意味著即使CPO成為主流技術(shù)，但對(duì)于CPO在技術(shù)或經(jīng)濟(jì)上尚不可行的一些應(yīng)用，例如長途應(yīng)用或邊緣數(shù)據(jù)中心，可插拔模塊仍將保持高需求。

Yole Intelligence認(rèn)為可插拔技術(shù)在未來10年內(nèi)不會(huì)被完全淘汰。然而，隨著CPO市場(chǎng)的發(fā)展和多供應(yīng)商商業(yè)模式的建立，可插拔光學(xué)行業(yè)可能會(huì)出現(xiàn)整合。

審核編輯 ：李倩