导言
在数字化转型时代，数据中心对高带宽、低功耗、高性能和多功能数据传输的需求与日俱增。硅基光电子技术是将光学组件集成到硅芯片上的技术，已成为满足这些需求的关键推动因素。本文将探讨硅基光电子技术在数据中心中的作用及其未来前景。
驱动力： 数据中心光纤传输
随着数字化转型的加速，数据中心的流量在智能设备、人工智能和高性能计算等各种终端用户需求的推动下蓬勃发展。光纤传输因其优于铜缆的优势，已成为数据中心内部和数据中心之间互联的主流技术。
图 1 重点介绍了光纤相对于铜缆的显着优势，包括更高的带宽、更长的传输距离、更低的功耗、更高的抗拉强度、更轻的重量和更小的直径。硅基光电子光收发器的演变
光收发器将服务器上的电信号转换成光信号，通过光纤进行传输，是目前硅基光电子技术的主要产品。主流光收发器的数据传输速率已从 2016 年的 100 Gbps 发展到 2023 年的 800 Gbps，目前正在努力达到 1.6 Tbps。
图 2 描述了与之前基于分立组件的 100 Gbps 设备相比，思科 400 Gbps 光收发器集成硅基光电子技术后实现的尺寸和功耗降低。
图 3 展示了硅基光电子光收发器的结构，将硅芯片、半导体激光器、调制器、分路器、光电探测器和光纤耦合器集成到一个可插拔的光纤连接器中。
硅基光电子技术供应链
硅基光电子技术供应链始于绝缘体硅 （SOI） 晶圆和光子外延晶圆，这些晶圆经过设计、制造和封装后形成光收发器、开关和系统等系统产品。
图 4 描述了硅基光电子技术供应链，其中一些收发器开发商依赖代工厂制造硅光子芯片。未来应用和趋势
虽然数据中心和通信应用目前推动着硅基光电子技术的发展，但未来的应用将扩展到用于人工智能和高性能计算工作负载的电路板级光数据交换（OBO/CPO），最终实现片上数据传输和光 I/O。
图 5 显示了硅基光电子技术应用路线图，短期重点是数据中心和通信应用，长期将扩展到医疗、汽车和航空航天行业的传感应用。随着交换机带宽要求的不断提高，到 2025 年将达到 51.2 Tbps，对更高速光收发器和集成光子引擎的需求也将随之增加，这给空间和热管理带来了挑战。
图 6 说明了作为可插拔收发器的替代品，共封装光学器件 （CPO） 如何减少信号损耗、提高封装密度和加强热管理。
板载和共封装光学器件之路
为了满足数据中心交换日益增长的需求，硅基光电子技术正在从可插拔收发器过渡到板载光学器件 （OBO） 和共封装光学器件 （CPO），在板载光学器件和共封装光学器件中，光子引擎集成到了更靠近交换芯片的位置，从而最大限度地减少了铜缆线长度和相关信号损耗。
图 8 展示了从可插拔收发器到 OBO 和 CPO 的演变过程，光子引擎通过 2.5D 和 3D 异构集成封装更靠近交换芯片。
图 9 显示了硅基光电子光发射器的 2.5D 异构集成封装结构，其中硅芯片、激光器和光纤耦合器被集成到硅中间件上，形成一个光模块。为满足客户对硅基光电子技术产品的需求，台积电利用其 2.5D 和 3D 先进封装技术，推出了 COUPE（紧凑型通用光子引擎）异质封装平台。台积电与全球通信组件/模块供应商和网络设备提供商合作，目前有 200 名研究人员致力于该项目，目标是在 2025 年实现 COUPE 的量产。
随着数据中心继续其数字化转型之旅，硅基光电子技术将在实现高速、低功耗和高性能数据传输方面发挥非常重要的作用。从可插拔收发器到板载和共封装光学器件的演变，再加上异构集成封装的进步，将为数据中心互连带来新的可能性，推进未来在传感及其他领域的应用。
参考来源
资讯工业策进会资讯工业策进会（Institute for Information Industry，III）
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