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流入AI基础设施的投资规模已达到空前水平。美国的数据中心建设支出从起初的适度规模飙升至每年近400亿美元，在ChatGPT于2022年底推出后出现了显著加速。这股建设热潮反映了一个基本现实：AI训练和推理工作负载需要通过极高带宽光网络互连的大规模计算集群。与2000年电信泡沫时期不合理的带宽预期不同，今天的带宽增长代表了支持计算扩展所需的真实需求。

领先的光学组件供应商经历了显著的市值增长，因为投资者认识到了其战略重要性。Arista Networks、Innolight、Lumentum和TFC光通信等公司的市值在短短2到5年内增长了4到10倍。主要AI公司之间的收入流动现在可以与重大自然现象相媲美，说明了这个产业运作的巨大财务规模。

图1：对比领先AI公司之间的收入流动规模与梅丽莎飓风规模的可视化图，展示了驱动光学基础设施投资的巨大财务生态系统。

这一增长背后的基本驱动力仍然令人信服。正如Andy Bechtolsheim在2025年10月的AI峰会上所阐述的，尽管AI集群吞吐量已经实现了百倍增长，但仍需要尽快实现另一个百倍的增长。这种改进将通过算法增益、架构创新、硅性能提升和更大集群规模的组合来实现。所有这些方面都在进行巨额投资，以在未来几年内提供这些能力。

这种爆炸性增长为光子技术产业创造了非凡的机会，但也带来了显著的风险。与2000年的电信泡沫不同，今天的带宽增长是根本真实的，是支持大规模计算需求所必需的。而且，更高效的大语言模型可能不会威胁到所需处理单元的数量，因此不会减少对光子组件和激光器的需求。被称为杰文斯悖论的现象表明，更高效的AI算法实际上可能会增加而不是减少总计算需求，因为较低的成本使更广泛的应用成为可能。

然而，几个威胁缓和了这种乐观的前景。首先，客户群极度集中，购买光学组件的终端客户数量非常有限。这种集中造成了有利于买方的利润压缩和权力失衡。其次，当前的组件短缺将不可避免地随着产能扩张而快速转变为供应过剩。第三，一旦光电共封装成为主导架构，产业将围绕少数几个主要客户进行整合。这引发了关于传统产业会议和展览是否仍然相关的存在性问题，以及欧洲是否能在这个转型后的格局中定义战略角色。

理解激光器集成问题需要检视可插拔光学收发器的现状及其演进。市场已从2024年推出的800 Gbps模块进展到2026年正在量产的1.6 Tbps模块，预计2028年将出现需要新连接器技术的3.2 Tbps模块。400 Gbps、800 Gbps和1.6 Tbps模块的综合年出货率预计到2027年将超过1亿个单元，这代表了一个巨大的制造挑战。

图2：可插拔高速光学器件的演进路线图，显示从800G到1600G再到3200G模块的进展，以及主要的可插拔模块类型，包括AOC、DR8、FR4、FR8、ZR相干和相干Lite配置。

主要的可插拔模块类型各自服务于特定的距离和波长要求。使用VCSEL的有源光缆服务于最远100米的短距离应用，尽管使用1064纳米波长的200 Gbps版本正在出现。使用1.31微米波长的DR8模块可达500米，采用每个激光器4或8个通道。FR4和2xFR4模块使用20纳米间隔的粗波分复用，每个激光器2个通道。FR8模块采用10纳米网格间隔的LAN WDM，未来实现将需要激光器阵列。对于更长的距离，ZR相干模块服务于40到80公里的数据中心互连应用，而相干Lite模块则与LR强度调制直接检测方法竞争10公里链路市场。

AI需求正在加速光电共封装的采用，但这一转型面临着重大的实际挑战。从零扩展到每年1亿个单元不可能一夜之间完成。实现这种规模的唯一可行路径依赖于成熟的技术和最大化自动化的工艺。任何新的光学技术本质上都需要大量时间才能达到高产量制造的成熟度。主要的收发器公司继续推动可插拔光学器件的极限，包括今天在每通道100 Gbps的线性可插拔光学器件以及即将推出的200 Gbps，12.8 Tbps可插拔模块，以及开放式封装近封装光学架构。

光电共封装的功耗优势为这一转型提供了令人信服的动力。基于硅基光电子的可插拔解决方案通常需要每1.6 Tbps链路8个EML激光器，整个模块消耗约20瓦。相比之下，使用与硅基光电子集成的连续波激光器的光电共封装可以仅用2瓦的激光功率实现相同的吞吐量，代表了3.5倍的功率降低。这种显著的改进来自消除了困扰可插拔架构的22分贝电信号损耗，这些损耗来自连接器、印刷电路板和基板。通过将光学器件直接集成在交换机基板上，光电共封装将这些损耗降低到仅4分贝。

图3：可插拔交换机架构（上部）需要20W和10W在不同阶段的电信号损耗和功耗，与光电共封装（下部）仅需2W的详细比较，展示了通过集成实现的3.5倍功耗节省。

可靠性考虑显著影响AI网络基础设施的架构决策。Meta对大规模训练集群中不可用事件的分析显示，硬件网络故障是导致中断的主要原因之一。虽然GPU相关故障占主导地位，但网络电缆故障和其他光学组件问题代表了显著的停机时间贡献因素。这个现实使可靠性成为总拥有成本的一个关键组成部分，与初始设备成本和功耗并列。

图4：Meta的条形图显示按故障类型划分的总中断次数，硬件网络故障在GPU故障、DRAM错误、SRAM错误和网络电缆故障中占据显著位置。

光学收发器故障的排名随着时间推移发生了显著演变。历史上，"未发现故障"位居故障模式列表之首，其次是激光器故障。在连续波激光器与硅基光电子线路结合的当代时代，故障层次已经转变。"未发现故障"仍然排在第一位，但由DSP固件问题、连接器、DFB模式跳变甚至未知原因引起的链路波动现在排在第二位。包括焊线和光学接口在内的机械光学组装问题排在第三位，其次是包括DSP、TIA和驱动器在内的电子器件排在第四位。连续波激光器已降至第五位，而硅基光电子线路基本上从不发生故障，故障时间率低于0.1。

二极管激光器可靠性的物理原理为集成决策提供了重要见解。连续波激光器表现出根本上优于高速直接调制激光器、VCSEL和电吸收调制激光器的可靠性。连续波激光器中较低的电流密度代表了实现其卓越可靠性的一个关键因素。此外，几个低功率激光器被证明比在等效总输出下运行的单个高功率激光器更可靠。

半导体激光器的失效加速因子包括温度、电流密度（可以通过更长的腔长保持在可接受水平）和光功率密度（对于高输出功率设计会增加）。控制这些加速因子的数学关系显示指数依赖性，温度和电流的综合效应由激活能项描述，而光功率和电流密度显示幂律关系，指数通常大于4。

图5：显示激光电流增加对频率响应影响的图表，以及各种老化参数之间的关系，并附有描述涉及温度、电流密度和光功率密度的失效加速因子的数学公式。

更广泛的系统架构决定了单个组件故障如何影响整体网络可用性。Drew Alduino在PECC峰会上的演讲概述了部署策略必须如何考虑故障"影响半径"的影响。这个概念认识到不同的组件故障会影响不同数量的链路。收发器故障通常需要端口到端口的路由备份，其中一个收发器模块支持两个或更多链路。光电共封装ELS故障需要显著更多的端口到端口路由备份，因为一个ELSFP模块支持8个或更多链路。交换机ASIC或机箱故障需要交换节点备份，其中一个CPO交换平台支持128个链路。这种分层备份策略直接影响拥有成本，包括不仅包括初始成本和功耗，还包括包括平均故障间隔时间和平均修复时间在内的可靠性指标。

Meta关于光电共封装链路故障率的早期数据提供了令人鼓舞的结果，尽管统计数据仍然有限。在受压实验室条件下对CPO系统的测试显示，每个400 Gbps端口的全部故障率为0.34%，不可维修故障低于0.06%。最重要的是，在前1500万器件小时的测试中未观察到不可维修的CPO故障。可维修故障显示相对可插拔模块约有6倍改善，进一步评估正在进行中。CPO故障率改善的主要驱动因素包括技术因素，如接口数量减少和更深层次的集成，以及制造优势，通过在平台内集成光学器件，可以在制造过程中进行系统级测试和筛选。

图6：比较2x400G FR4可插拔模块与实验室受压条件下CPO系统的年度链路故障率和平均故障间隔时间，显示CPO的卓越可靠性指标，包括不可维修故障的平均故障间隔时间大于1500万小时。

鉴于连续波激光器和硅基光电子线路的改进可靠性，以及使用多个较低功率激光器的好处，一个基本问题出现了：为什么不将激光器直接放置在光电子集成芯片上？当考虑到光学器件故障不再主导AI集群中的故障层次，而激光器特别是已经在排名中下降时，这个问题变得特别相关。

光电共封装的外部光源架构将激光器与硅基光电子芯片分离，同时仍然实现显著的功耗节省。这种方法保留了减少电信号损耗的集成优势，同时避免了直接激光器集成的潜在复杂性。该配置使用连续波激光器，安置在通过光纤阵列单元将光耦合到硅基光电子线路的外部模块中。对于1.6 Tbps链路，这种架构仅需要2个连续波激光器，总共消耗2瓦，而可插拔解决方案中的8个EML激光器消耗20瓦。

图7：示比较可插拔收发器架构（左）与外部光源CPO架构（右），说明ELS配置如何从可插拔模块中消除DFB激光器和透镜组件，同时通过单独的光纤阵列单元保持激光器隔离和耦合。

保持激光器离开光电子集成芯片的关键优势包括几个技术考虑因素。首先，可以在外部激光器模块中加入光隔离器，消除可能导致模式跳变和良率损失的背向反射的担忧。其次，热管理变得更简单，因为外部激光器的预期工作温度低于片上设计。第三，烧机程序可以在集成之前在光引擎级别执行，在烧机过程中捕获InP DFB激光器典型的几个百分点的不良品。第四，波长控制可以保持较宽松的要求，相比微环调制器架构需要更严格的要求，在那种架构中相邻组件之间的热串扰构成挑战。

将激光器与硅基光电子线路集成存在几种不同的方法，每种方法都有特定的权衡。边缘耦合提供了最直接的路径，将光直接从边发射激光器的解理面耦合到光电子芯片的波导端面。这种方法能够实现主动对准以获得最佳性能，并支持最佳的激光器性能。然而，边缘耦合对位移敏感，施加了激光器设计约束，并且在组装期间需要耗时的主动对准。

倏逝耦合代表了一种更复杂的集成方法，其中激光器和波导被置于非常近的距离，允许光功率通过倏逝场重叠转移。这种方法已经经过20多年的广泛开发，投入了巨额投资，从2019年起生产高产量的CWDM 100 Gbps收发器。这些是第一批100 Gbps（4x25 Gbps）收发器，显示出比基于直接调制激光器、EML或VCSEL的设计显著更好的可靠性。然而，尽管技术成熟，倏逝耦合目前面临市场份额挑战。

图8：比较显示边缘耦合（左）与直接激光器到波导连接和焊线细节，倏逝耦合（中）与双波导配置，以及光栅耦合（右）使用绝热锥形波导和光束扩展器。

光栅耦合相对边缘耦合提供带宽优势和降低的偏振敏感性，尽管引入了额外的复杂性。该方法使用特别设计的光栅结构在垂直和水平传播方向之间重定向光，实现顶部表面耦合。光束扩展器可以与光栅耦合器集成，以改善耦合效率和对错位的容忍度。

几个主要产业参与者在使用倏逝耦合的异质集成方面进行了大量投资。英特尔的方法涉及将基于InP的材料芯片键合到硅器件晶圆上，在III-V激光器结构和硅基光电子线路之间建立紧密接触。Scintil开发了在需要激光器的地方键合III-V增益芯片的工艺，使用埋氧层和硅衬底创建集成结构。IMEC和X-Celeprint开创了微转移打印技术，使用弹性印章和二阶布拉格光栅进行耦合，选择性地将小型激光器芯片放置在硅基光电子线路上。OpenLight展示了使用InP DFB激光器通过埋氧层耦合到硅基光电子波导的集成方法。

图9：英特尔的芯片键合方法（左上）、Scintil的埋氧集成（上中）、IMEC/X-Celeprint的微转移打印工艺及详细耦合结构（右上和下方）以及OpenLight的集成架构（下方）与DFB和SOA组件。

这些异质集成方法具有共同的特征。经过20多年的传奇开发努力和巨额资本投资，实现了第一批高产量CWDM 100 Gbps收发器，具有比前代技术更好的可靠性。然而，尽管有这些技术成就，使用倏逝耦合的异质集成在当今维持竞争市场地位方面面临挑战，与替代方法相比。

使用边缘对边缘耦合的混合集成代表了几个硅基光电子代工厂追求的替代路径。GlobalFoundries开发了包含点尺寸转换器和光栅耦合器的工艺，以将边发射激光器与硅波导接口。Rockley Photonics展示了使用精确定位的激光器腔与波导结构对准的方法。包括GlobalFoundries、Tower Semiconductor、AMF和可能的台积电在内的几个硅基光电子制造设施提供支持边缘耦合激光器集成的平台。

图10：GlobalFoundries的图表显示点尺寸转换器和调制器与无源和有源光子器件的集成，以及来自Rockley Photonics的图表（右上和右下）说明激光器腔对准和集成方案。

PhotonBridge开发了与硅基光电子集成的边缘耦合DFB激光器阵列的专门能力，展示了单波长和多波长阵列配置。这些混合方法能够利用硅基光电子代工厂的广泛制造基础设施，同时保持与标准边发射激光器设计的兼容性。

最具野心的集成方法涉及直接在硅衬底上异质外延生长III-V激光器结构。量子点有源区为这种方法提供了特别的优势，因为其三维载流子限制降低了对必然由III-V材料与硅之间晶格失配产生的晶体缺陷的敏感性。

这一领域的研究进展已经很可观。2015年，分子束外延工艺在硅上实现了量子点激光器，阈值电流密度约为10的6次方每平方厘米，温度为30摄氏度，老化电流约为2000安培每平方厘米。到2018年，MBE工艺改进至7倍10的6次方每平方厘米阈值，温度为35摄氏度，老化电流约为500安培每平方厘米，结温为105摄氏度，预计寿命超过20年。2024年使用全MOCVD外延的最新成就展示了阈值密度为9倍10的6次方每平方厘米，温度为55摄氏度，老化电流为600至800安培每平方厘米，预计寿命超过20年。

图11：在硅上生长的量子点激光器结构的横截面透射电子显微镜图像（左）显示有源区细节，以及显示完整器件结构与调制器和边缘耦合器的示意图（中），和跟踪从2015年到2024年外延工具、阈值电流密度、老化温度、老化电流和平均失效时间进展的表格（右）。

虽然这些结果展示了非凡的科学进展，但生产部署仍存在几个实际挑战。透射电子显微镜中可见的2微米厚有源区揭示了所需外延结构的复杂性。生产规模下的制造良率和均匀性需要进一步发展。

无论使用何种特定集成方法，将激光器直接放置在光电子集成芯片上都会引入几个基本约束。对于使用倏逝耦合的异质集成，激光器的垂直波导结构必须相对于为自由站立激光器优化的设计进行修改，以实现适当的模式重叠。此外，光功率在激光器腔的两端分裂，而不是从单个面提取，降低了耦合效率。

异质和混合边缘对边缘集成方法都共享额外的挑战。在集成配置中没有空间容纳光隔离器。任何背向反射都会增加模式跳变的风险，直接影响制造良率。因此，光电子集成芯片设计必须将背向反射保持在远低于负35分贝的水平，对光子线路设计施加更严格的要求。热管理问题变得更加复杂，因为激光器在比外部光源设计更高的温度下运行。烧机测试必须在光引擎级别执行，因为InP DFB激光器在烧机期间典型的几个百分点的不良品在集成之前无法筛选。对于微环调制器架构，波长控制必须特别严格，以在热变化的情况下保持激光器波长和环谐振之间的对准。

来自集成连续波DFB激光器的实际性能数据展示了当前技术的成就和局限性。英特尔的异质集成激光器显示输出功率在250毫安驱动电流下达到50毫瓦，功率转换效率在中等温度下峰值约为25%。相比之下，用于比较的自由站立InP连续波DFB激光器通常在150毫安驱动电流下实现50毫瓦，展示了更高的效率。

OpenLight的集成DFB激光器展示了类似的特征，1.6 Tbps光电子集成芯片运行的11.2毫瓦要求在室温下约100毫安驱动电流下满足。然而，效率在高温下显著下降。Scintil采用更高功率运行的方法报告在50摄氏度冷板温度下壁插效率约为20%，激光器在此温度下每器件产生超过150毫瓦，并趋向更高的功率水平。

图12：来自英特尔（左上）、自由站立InP参考激光器（右上）、OpenLight（左下）和Scintil（右下）的功率-电流-电压和效率曲线集合，显示不同集成激光器方法在-10°C至110°C温度范围内的性能特征。

这些性能比较表明，光电子集成芯片上的集成激光器通常在更高的电流密度和更低的效率下运行，相比独立优化的自由站立激光器。集成要求施加的约束损害了激光器性能，相比独立优化所能实现的性能。

一个重要的历史视角认识到电吸收调制激光器本质上代表了早期形式的"片上激光器"集成。这些器件单片集成了连续波DFB激光器部分和多量子阱电吸收调制器部分，在单个芯片上创建了一个紧凑的发射器。集成方法提供了性能和成本优势，使EML技术成为许多应用的主导解决方案。

图13：EML芯片的照片（左）显示物理器件布局，以及详细的横截面图（右）说明层结构，包括DFB光栅、量子阱有源层、电吸收调制器部分以及形成完整集成发射器的各种掺杂区域和涂层。

然而，从基于EML的模块向用于1.6 Tbps应用的连续波激光器加外部调制器架构的产业转型揭示了重要的教训。与单独的连续波激光器结合的硅基光电子平台提供了优势，包括更少的组件、更低的成本、更高的良率、更好的可靠性、线性可插拔光学应用的改进线性度、差分驱动配置对电磁干扰的更好容忍度，以及来自超大规模数据中心运营商的强烈认可，他们青睐硅基光电子。200 Gbps马赫-曾德尔调制器已经商品化，而200 Gbps微环调制器正由英伟达和台积电开发用于未来应用。

薄膜铌酸锂代表了一个新兴的光子集成平台，对于某些应用具有几个潜在优势，相对硅基光电子而言。该材料的功率处理能力显著超过硅，因为避免了在高光功率水平下限制硅的双光子吸收。对于数据通信强度调制直接检测收发器，单个高功率激光器结合在薄膜铌酸锂中制造的低功率光分配器可以馈送4个或8个调制器，而硅基光电子将需要单独的激光器或遭受双光子吸收的损耗。

与硅相比，薄膜铌酸锂的低折射率提供了更大的对准容忍度。模式锥形器可以设计成更大的光斑尺寸，降低耦合损耗并放宽组装容忍度。薄膜铌酸锂还表现出显著低于硅基光电子的传播损耗，使扩展腔配置更有效率，并实现更窄的激光器线宽。这些特性意味着使用硅上二氧化硅的氮化硅点尺寸转换器的额外复杂性可能可以通过薄膜铌酸锂平台避免。

薄膜铌酸锂调制器的电光响应能够实现波长调谐功能，相对硅基光电子中使用的热调谐器不消耗功率，并且在操作期间不产生热量。这一优势对于热敏感应用特别重要，在这些应用中相邻热调谐器之间的串扰限制了性能。

具有集成电吸收调制激光器的单片磷化铟光电子集成芯片代表了几家公司正在追求的另一种架构方法，包括Infinera、诺基亚、SMART Photonics、Coherent、Lumentum和用于EAM-D应用的Inpho。这些平台在单个光子芯片上集成了8个激光器和PAM4调制器以及两个4对1复用器，创建了完整的发射器功能。

图14：集成InP光子芯片的详细布局图，显示8个激光器通道、PAM4调制器和4:1复用器结构，由Gunnar Stolze和SMART Photonics提供。

对于当前一代在1.6 Tbps、每通道200 Gbps的DR8和2FR5应用，InP平台面临相对硅基光电子替代方案的成本竞争力挑战。然而，支持者将每通道400 Gbps的3.2 Tbps应用视为市场切入点，其中InP优势可能证明该平台的合理性。展望更远的未来，高密度可插拔12.8 Tbps模块和光电共封装代表了潜在应用。关键发展领域包括电子集成方法以及是否集成激光器或使用外部光源的决定。

量子点激光器技术为光子集成应用提供了几个特别有价值的特性。点结构中载流子的三维量子限制提供了在高温下保持的高功率输出和高功率转换效率。量子点激光器展示出相对量子阱设计降低15到20分贝的背向反射敏感性，解决了集成配置的关键挑战之一。也许最重要的是，量子点激光器显示基本上没有早期失效，可能消除激光器芯片本身的烧机要求，同时允许在光引擎级别进行烧机。

制造平台使用6英寸GaAs晶圆，无需再生长步骤处理，相对基于InP的制造提供了潜在的成本和良率优势。Innolume展示了在0到90摄氏度温度范围内运行的100毫瓦量子点DFB激光器，无需光隔离器并使用非气密封装，与主要III-V合同制造商合作在2025年第四季度实现了完整的Telcordia认证。

图15：四个图表显示从-10°C到110°C运行的100mW量子点DFB激光器的功率-电流特性、功率转换效率与电流、电压-电流关系以及功率与温度，展示了在整个商业温度范围内的稳定性能。

对于需要更高输出功率的外部光源应用，量子点DFB设计已经展示了在65摄氏度下600毫瓦和在85摄氏度下400毫瓦的输出，功率转换效率为22%。7乘35度的光束发散能够实现仅1.3分贝的耦合损耗。

图16：在25°C至85°C的多个温度下光功率和功率转换效率与驱动电流的关系，展示了在65°C下600mW输出，效率为22%，用于外部光源应用优化的量子点DFB激光器。

量子点激光器的基本可靠性优势源于其独特的有源介质结构。原位窗口结构防止了可能困扰量子阱激光器的灾难性光学镜面损伤。与量子阱设计相比，量子点增益介质展示了螺旋位错对阈值电流和微分效率的影响减少。量子点还提供了100到1000倍更高的辐射硬度，这对某些应用很重要。

图17：并排比较图显示量子阱激光器结构（左）遭受灾难性光学镜面损伤和表面复合的影响，而量子点结构（右）通过窗口结构和减少的螺旋位错敏感性抑制这些失效机制，用能带图和结构示意图说明。

超过1.5年的1310纳米量子点DFB激光器加速寿命测试提供了令人信服的可靠性数据。在85摄氏度壳温下，芯片p面朝上安装的测试包括182个器件，工作电流从250到500到1000毫安，产生高达300毫瓦。在105摄氏度壳温下，p面朝上安装，结温超过125摄氏度的额外测试包括39个器件，电流为700到1000毫安，产生高达250毫瓦。在Innolume运营的整个生命周期中，未观察到量子点激光器的单一突然故障。使用量子点激光器生产的模块尽管出货了数千个单元，但没有发生退货或保修索赔，而基于量子阱激光器的模块偶尔会发生此类退货。收集的内部数据仍不足以推断与制造工艺相关的故障时间率，因为未检测到故障。基于当前老化数据，在85摄氏度下100毫瓦的预期寿命超过7年。

图18：两个老化图显示182个器件（上）在85°C测试和39个器件（下）在105°C测试的归一化光功率随时间变化，测试持续时间分别超过13,200和9,000小时，展示了稳定的性能，未观察到故障。

由量子点激光器支持的第一个生产规模的集成光引擎展示了这些技术的实际应用。与合作伙伴开发的AIO Core平台将量子点激光二极管与硅基光电子线路集成，包括点尺寸转换器、波导、滤波器、调制器、光栅耦合器和锗光电探测器，全部在硅衬底上。在激光器和光电子集成芯片之间无光隔离的情况下运行，该平台在20到85摄氏度的温度下实现了超过60毫瓦的光输出功率，即使在105摄氏度结温下眼图也保持质量。

图19：AIO Core集成光引擎架构的示意横截面（上）显示激光二极管与硅基光电子的集成，包括调制器和探测器元件，物理器件的照片与标记的组件（左下），以及在多个温度下光输出功率与驱动电流的关系（右）以及在25°C、85°C和105°C下展示信号完整性的眼图。

这种无光隔离器的成功集成展示了量子点激光器对背向反射的不敏感性转化为实际制造优势。在高温下运行同时保持性能的能力为要求苛刻的光电共封装热环境提供了余地。

管理光功率预算的另一种方法采用放置在光电子集成芯片之后的波分复用半导体光放大器。这种配置允许从初始激光源使用更低的每波长功率，然后放大组合的复用信号以补偿耦合和传输损耗。对于具有20分贝总损耗的16波长系统，从光电子集成芯片发射每波长5毫瓦需要每个DFB激光器50毫瓦，在15%激光功率转换效率和70摄氏度下消耗333毫瓦电功率。相比之下，每波长仅发射0.5毫瓦需要每个激光器仅5毫瓦，消耗33毫瓦电功率。添加提供10分贝增益、效率为5%的半导体光放大器消耗15毫瓦。总电功率48毫瓦代表了相对高功率激光器方法的87%节省，为16波长系统节省了4.6瓦。

图20：两个并排图表比较具有每波长50mW激光器的光电子集成芯片（左）与每波长5mW激光器加10dB增益SOA（右），说明通过放大架构实现的显著功率节省，同时在20dB系统损耗后保持每通道相同的8mW总输出。

这种方法提供了几个好处，包括较低的功耗、由于较低的电流和光子密度而更好的激光器可靠性、低功率二极管激光器的较低成本以及来自中间阶段降低功率的眼睛安全优势。然而，挑战包括由放大器添加的噪声和信号失真引起的误码率惩罚，包括放大自发辐射和三阶非线性效应，如自增益调制、交叉增益调制、自相位调制、交叉相位调制和四波混频。还必须考虑半导体光放大器芯片和封装的额外成本。

Innolume开发的超低噪声波分复用量子点半导体光放大器专门解决了这些挑战。器件在两种不同模式下运行。对于WDM数据传输应用，放大器在从1290到1310纳米的整个波段提供高达13分贝的增益，使400 Gbps PAM4在25公里上的传输，误码率保持在10的负3次方以下。对于用于自由空间光通信和地面FSO的高饱和功率应用，输出功率超过1.5瓦，饱和输出功率约为26分贝（参考1毫瓦），在高达105摄氏度的温度下运行，功率转换效率达到28%。

图21：量子点WDM SOA的性能特征显示跨波长的增益与输入功率（左）、FSO应用的饱和输出功率能力（中左）、400Gb/s PAM4的BER性能与发射功率（中右）以及物理器件照片（右），展示双模式运行能力。

这种半导体光放大器技术在2025年6月慕尼黑激光世界光子学展上获得光学信息和通信类别的创新奖，被认可为第一个掺铒光纤放大器的半导体类似物。与传统EDFA模块相比，紧凑的外形尺寸提供了显著的集成优势。

最近的研究展示了使用微转移打印技术将量子点半导体光放大器直接集成到硅上的可行性。横截面图像显示通过BCB粘合层键合到具有埋氧的硅衬底上的GaAs SOA结构。片上增益测量显示在从负20到正1分贝（参考1毫瓦）的宽范围波导耦合输入功率下约7分贝。约6分贝的饱和输出功率使数据传输的误码率低于NRZ和PAM4调制格式的KP4前向纠错阈值，跨越宽范围的总SOA输入功率。

图22：转移打印在硅上的GaAs SOA的扫描电子显微镜横截面（左）、在各种驱动电流下片上增益与耦合输入功率（中），以及针对NRZ、PAM4和PAM8调制格式计算的饱和输出功率减小信号增益与总输入功率（右），展示了4x100Gbps或2x200Gbps应用的可行性能。

这些结果表明，使用光电子集成芯片后的集成光放大器的节能架构代表了一条可行的技术路径，在保持高速数据传输所需的信号质量的同时提供显著的电功率降低。

对于光电共封装是将激光器集成在光电子集成芯片上还是使用外部光源的问题，涉及跨性能、可靠性、成本和制造可扩展性维度的复杂权衡。对于硅基光电子平台，高温性能和制造良率继续需要改进。量子点激光器技术可能通过卓越的温度稳定性、降低的背向反射敏感性和增强的可靠性基础提供解决这些挑战的使能方案。

片上半导体光放大器集成在技术上似乎可行，但不能损害误码率性能。集成在光电子集成芯片上的超低噪声量子点波分复用半导体光放大器在光链路设计中提供了额外的架构灵活性，实现了节能配置，在保持系统性能的同时降低激光功率要求。

薄膜铌酸锂集成对于某些应用空间可能提供比硅基光电子更好的性能和良率，尽管该平台需要进一步的开发成熟度。具有集成电吸收调制激光器的单片磷化铟光电子集成芯片今天面临成本挑战，但可能在每通道400 Gbps的3.2 Tbps速度下找到市场切入点。几家领先的InP公司正在考虑将激光器阵列定位在光电子集成芯片外部，结合400 Gbps InP调制器阵列作为替代集成策略。

目前，连续波激光器加光电子集成芯片的配置仍然是可插拔收发器应用的主导和最具成本效益的解决方案。然而，接近每年1亿个单元的破坏性生产量增长使得开发集成光引擎对于简化和自动化最终光学模块组装过程至关重要。手工组装操作的可扩展性挑战在这些量级下变得无法克服。

特别是对于光电共封装，片上激光器集成的接受可能取决于首先在高产量可插拔市场证明该方法，其中现场经验可以在规模上展示可靠性和可制造性。集中的客户群和AI训练集群中可靠性的关键性质意味着保守的、经过验证的方法将主导初始部署。然而，光电共封装引人注目的功率节省和集成优势确保了所有技术的持续积极开发。

激光器片上还是片外的十亿美元问题最终可能没有单一答案。对功率效率、成本、可靠性和性能有不同优先级的不同应用空间可能会优化到不同的解决方案。光子技术产业支持多种集成方法，同时继续推动激光器可靠性、光电子线路性能和制造自动化改进的能力，将决定光电共封装能够以多快的速度扩展以满足人工智能浪潮对光互连基础设施提出的巨大需求。