应用于CPO封装模块内的光纤互联方案

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随着Serdes传输速率的提升，交换机功耗和信号损失、系统集成度等问题愈发具有挑战, CPO新技术渗透率加速提升。根据LightCounting的数据显示，人工智能对网络速率的需求是当前的10倍以上。LightCounting预计CPO技术的出货将从800G和1.6T端口开始，在2024至2025年期间开始商用，2026至2027年开始规模上量，主要应用于超大型云服务商的数通短距场景。

CPO发展Roadmap
共封装光学CPO（Co-Packaged Optics）是一种将光引擎和交换芯片共同封装在一起的光电共封装技术，起到高集成度、降低成本、降低功耗的目的。光引擎（OE, Optical Engines）指的是光收发模块中负责处理光信号的部分，CPO将光引擎和交换芯片共同装配的同一个Socketed上，形成芯片和模组的共封装。光引擎离交换芯片越近，光信号距离越短，SerDes功耗越小。


英伟达的最新产品线路图显示，将于3Q25推出CPO版本的Quantum 3400 X800 IB交换机， 26年推出CPO版本的Spectrum4 Ultra X800以太网交换机。 IB交换机有144个MPO光接口，支持36个3.2T CPO， 内部有4个28.8T的交换芯片（总共115.2T的交换能力）。


芯片之间采用多平面技术。即每一根交换机外面的光纤从MPO口进来之后，会用光纤分纤盒（shuffle box）将其信号拆分成四路并分别连接到四个不同的交换机芯片上，从而将信源切割成最小单元，最终在CX8网卡端进行数据汇聚。允许多个独立平面同时运行。Shuffle box起到关键的信号分配和处理作用。


Shuffle Box – 倍数级容量提升
高速率CPO交换机内部预计需要数千根光纤，这些光纤需要在交换机内部狭小空间中进行排布，还需要解决板中每个光引擎到前面面板的距离（每个OE位于ASIC芯片周围，到前面面板的距离都会有所不同）不一产生的光纤长度不一致带来的制造可靠性问题，除了需要采用更多高密度连接头和适配器，光引擎到端面的连接方式采用光纤柔性光背板shuffle的方式可以有效解决上述问题。



柔性光背板产品设计在灵活的薄膜基板上，可自定义任何光纤路由线路，最大限度减少光纤交叉的应力，同时提供复杂信号通道的路由。常规的光纤配线架1U空间仅支持24芯光纤熔接和分配，按2m高的机柜40U空间计算，1台机柜总容量仅有24×40=960芯容量。利用光纤柔性板技术，结合高密度MT光纤接头，1U光纤机箱可支持12×50=600芯光纤熔接和分配，按2m机柜40U空间计算，1台机柜总容量可达600×40=24000芯，光纤配置容量为常规方案的20倍以上。


高密度连接器需求
Shuffle box依赖高密度连接器（如MPO/MMC连接器等）来实现高速、高密度的信号连接和传输，以满足数据中心等应用场景对网络性能和设备集成度的要求。CPO交换机内部需要大量光纤部署，采用高芯数的MPO可以有效缩减前面板所需端口数量。例如，51.2T CPO内部或需要1152根光纤，普通光纤1024F（和保偏光纤128F），若采用16芯MPO，则需要64个MPO连接器（16×64=1024），对应 CPO 前面板上需要 64个适配器端口。可以对比一下，如果不采用MPO，采用双芯LC连接器，则1024F需要512个连接器（512×2=1024），那对应CPO前面板上需要512个适配器端口，普通1U尺寸的机箱容纳不了这么多数量。这样对比就突显出来高密度连接器的需求。



保偏光纤强需求
CPO激光光源有两种，集成激光源（ILS, Integrated Laser Source）和外部激光源（ELS，External Laser Source）。集成激光源（ILS）：是指将激光源与 PIC 集成在同一封装上，形成单一封装解决方案。外部激光源（ELS）：将激光源与 PIC 分离成一个独立模块。虽然这种配置占用的空间更大，但其优点是制造工艺更简单、成本更低，降低ASIC芯片散热对激光器稳定性影响。

由于其易于维护和广泛的可及性，外部激光源（External laser source，ELS）是 CPO光源目前较多的解决方案。CPO光引擎的性能对于入射ELS光的偏振状态非常敏感，需要外部光源发射信号时保持激光偏振态，因此需要保偏光纤（Polarization Maintaining Fiber, PMF）连接光源和交换芯片。保偏光纤的使用使得光在光纤中仅沿着一个偏振方向传播，保证了光信号传输的稳定性。由于保偏光纤成本较高，通常用于光信号的引入，而从光芯片到外部端面的光信号导出还是采用非保偏光纤。


光子集成电路(Photonic Integrated Circuit, PlC) 连接
硅基集成光电芯片与外部光纤之间的光互联是芯片封装的关键技术，需要在微米级范围内实现光信号的低损耗传输和高对准精度的耦合。硅基材料因其高折射率特性，导致波导模场直径通常远小于单模光纤的模场直径，从而在模式转换时容易产生高插入损耗。3D光波导能够实现光信号在三维空间的灵活引导和耦合，解决了传统平面光波导技术的局限性，能适应更加复杂的封装需求。通过先进的加工工艺（如光刻、激光直写技术）制造的3D光波导，具备高精度的几何控制和优异的光学性能，为未来硅基光电芯片的高效互联提供了可靠保障。

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