光电共封装技术：ChatGPT带火的先进封装新方向
光电共封装技术：ChatGPT带火的先进封装新方向
最近，先进封装领域中一种被ChatGPT带火的分支技术——光电共封装（Co-packaged Optics, CPO）在不同场合频繁出现。虽然在搜索引擎中关于“光电共封装”的信息相对较少，但这项技术因其在数据中心和AI算力领域的巨大潜力而备受关注。
光电共封装技术原理
光电共封装技术的核心是将交换芯片和光引擎（光模块）封装在一起。光引擎的主要功能是将输入的光纤信号转换为数字信号，同时将ASIC（专用集成电路）芯片输入的数字信号转化为光信号进行输出。通过这种封装方式，可以显著缩短交换芯片和光引擎之间的距离，使电信号在芯片和光模块之间更快传输，从而提高效率、减小尺寸并降低功耗。因此，CPO技术有望成为解决AI高算力需求的最佳方案之一。
技术演进与发展趋势
2019年，微软和Facebook就开始联合开发CPO技术，主要驱动因素是数据中心架构的快速增长和交换机设计的不断发展。通过CPO技术连接光纤与ASIC可以缩短互连长度，降低开关光电气I/O的功耗。主要技术包括电信号接口、光标准、光模块管理接口、可靠性要求等。图1展示了交换机ASIC带宽的演变过程，目标是在短期内实现51.2Tbps的传输速度。
图1 交换机ASIC带宽演变
光电共封装技术的演进形式如图2所示。从最初的ASIC与铜缆通过主板连接（Copper DAC），到引入光模块并通过接口与主板相连（Pluggable Optics TRX），再到将光电转换功能从面板搬到主板处理器旁（On-Board Optics TRX），进一步缩短连接长度。接着是2.5D CPO技术，将光驱动与Switch ASIC封装在同一基板上，增加I/O密度。最后是通过3D封装技术实现小于50um pitch的I/O间距相连。
图2 光电共封装的封装形式及发展趋势
国际研究进展
2022年，英特尔在集成光电方面取得了突破性进展。英特尔在一个平台上实现了所有关键模块的集成，包括光电发射、放大、检测和调制等功能，均通过CMOS工艺制造，大幅降低了整体尺寸和功耗。此外，英特尔还研制了一个在硅基晶圆上的8个波长激光器阵列，这对于提升光电封装的准确性和能效具有重要意义。
图3展示了Intel的光电研究进展。在展示现场，Intel通过与苏格兰实验室的连线，首次解决了硅光芯片与光纤连接的问题。Intel的新型连接器采用可插拔方式，可以直接将光纤连接到CPO封装上，如图5和图6所示。
图3 Intel光电研究进展
图5 Intel CPO技术展示，将光纤直接与芯片相连
图6 Intel CPO技术展示，将光纤直接与芯片相连
Intel的集成于硅晶片上的八波长分布式反馈（DFB）激光阵列具有出色的性能。该阵列具有±0.25 dB的输出功率均匀性和±6.5%的波长间隔均匀性，处于多波长集成光学领域的领先地位。这项技术确保了光源的一致波长分离，满足光计算互连和密集波分复用（DWDM）的通信要求。与传统的III-V族晶圆制造相比，Intel的技术提高了波长均匀性，具有大规模制造和广泛部署的潜力。
图7 八波长分布式反馈激光器阵列接口
国内研究进展
我国中山大学光电材料与技术国家重点实验室在该领域也有重要研究。2022年，该实验室的论文指出其可以将波长段数扩展到16段波长。该实验室于2018年推出了世界首例硅基DFB激光器阵列，如图8所示。虽然实验室产品距离量产仍有一定差距，但这些研究成果为我国光电共封装技术的发展奠定了重要基础。
图8 中山大学硅基DFB激光器示意图
总结
光电共封装技术作为先进封装领域的重要分支，正受到越来越多的关注。随着数据中心和AI算力需求的快速增长，CPO技术凭借其高效率、低功耗的特点，有望成为未来的重要解决方案。国内外研究机构在该领域的持续突破，为CPO技术的商业化应用奠定了坚实基础。