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简介

本文为大家介绍麻省理工学院的Microphotonics Center （MphC）与PhotonDelta 在2024年三月底联合发布的 Integrated Photonic System Roadmap-International （IPSR-I）当中的Datacenter & Telecom Application guide篇，这是集成光电子技术应用的重点。

由社交网络、数字娱乐、云计算和物联网（IoT）推动的数据爆炸式增长，正在激发数据中心和电信网络对高带宽、低延迟光纤通信前所未有的需求。由于人工智能（AI）和生成式 AI 应用的广泛采用，这一趋势自 2022 年以来迅速加速。

市场动态已经发生转变，谷歌、Facebook、微软和亚马逊等数据中心运营商正在推动下一代技术平台和指标的发展，而不是传统的电信公司。这种转变正在重塑数据中心架构，使其朝着光子组件与智能光纤互连的更高集成度方向发展，从而提供卓越的性能。

光电共封装 （CPO）： 改变游戏规则

过去三年来最重要的发展之一是光电共封装器件的商业化，即以太网交换机特定应用集成电路（ASIC）和相关光学引擎（不含机械封装的收发器光子集成电路）被集成到同一个封装上。这一创新将促使传统的光纤阵列单元（FAU）过渡到使用紫外线/热固化环氧树脂主动对齐并粘合到光子集成电路（PIC）上。

CPO器件具有多种优势，包括成本较低、电气互连效率高，以及可实现与半导体行业外包组装和测试 （OSAT） 生态系统兼容的自动化组装和测试流程。然而，良品率、返工、可靠性、集中发热和稳健的供应链等挑战仍有待解决。

收发器路线图

为了满足不断增长的数据传输速率需求，光纤通信行业正在不断提高互连速度，即使处理器速度保持相对稳定。收发器路线图面临的主要挑战包括：

1.开发速度更快的光电子器件，如能够以 100 Gbps NRZ 或 200 Gbaud PAM4 速率运行的 100 GHz 调制器，同时保持低功耗和小型化。

2.实现更高的集成度、更高的可靠性和可扩展的经济性，以达到每 Gbps 美元的指标。

3.通过线性驱动光学等创新架构降低功耗。

4.CPO器件可在 150°C 以上的温度下实现非制冷激光器运行。

5.在CPO解决方案中集成光电子组件和电子组件。

表 1 总结了实现收发器路线图目标必须克服的关键技术需求或 "紫色砖墙"（待克服障碍）。

光互连路线图

图 3 所示的光互连路线图概述了推动数据中心和电信光互连设计的关键挑战和技术。

表 2 总结了光互连的关键技术需求或 "紫色砖墙" （有待克服的障碍）。

插拔式（Pluggable）和光电共封装（CPO）

数据中心的光互连传统上使用插入服务器或交换机前面板的可插拔收发器。然而，随着数据速率的提高，ASIC 和前面板之间的电气互连因信号完整性问题和数字信号处理带来的更高功耗而成为瓶颈。

CPO器件通过将光学引擎直接集成到与以太网交换机 ASIC 相同的封装基板上，实现了高效的电气互连和更低的功耗，从而解决了这一难题。

虽然现有的插拔式光学器件和新兴的CPO器件具有相似的 PIC 基底面和通道数，但后者需要创新的光纤管理方案、可拆卸连接器以及与焊接回流和非洁净室装配等 OSAT 工艺的兼容性。

光纤和 V 形槽

玻璃 V 形槽 （FAU） 中的光纤阵列一直是多线 PIC I/O 的主流方法，具有可靠性高、损耗低的特点。然而，要满足日益增长的光互连需求，还需要进一步降低成本和扩大制造规模。

替代 FAU 的潜在方法包括：将硅 V 形槽集成到 PIC 中以实现无源对准、用激光粘合代替环氧树脂以加快装配速度，以及使用内插器或光纤上的精密蚀刻特征来实现新型无源对准技术。

玻璃波导

利用飞秒激光写入或离子交换技术制造的玻璃波导为集成光学器件提供了一种前景广阔的解决方案，可在尺寸稳定的基底上实现低损耗的光学和电气互连。

采用玻璃波导所面临的挑战包括开发在工作温度下具有高波导寿命的优化玻璃成分、与 PIC 和光纤的低损耗光学耦合，以及集成先进电路和穿透玻璃孔以实现高密度电气互连。

聚合物波导和耦合器

与印刷电路板技术兼容的聚合物波导为板载光学和模块内光学互连提供了一条前景广阔的途径。制造技术包括光刻、双光子聚合和微点涂。

虽然聚合物波导在 850 纳米波段的传播损耗较低（≤ 0.05 dB/cm），但仍需进一步开发，将 1310/1550 纳米波段的损耗降至 0.1 dB/cm 以下，以便更广泛地采用。

扩展光束光学器件

扩展光束连接器（EBC）可解决数据中心互连中的关键问题，如防尘和更高的通道数。与传统 MPO 连接器相比，EBC 通过在连接器接口处扩大光束，减少了灰尘的影响，并实现了更高的光纤数量。

EBC 还能放宽准直光束区域的横向对准公差，使其对带有可拆卸连接器的共封装光学器件具有吸引力。不过，要降低插入损耗并开发出与自动装配流程兼容的高性价比、高密度解决方案，还需要进一步努力。

对准和安装

光学互连对准可分为两种途径：具有微米级对准公差的方法（近距离、蒸发耦合）和具有数十微米级公差的方法（扩束光学）。

前者从主动对准发展到对准功能、半自动化，最后发展到高速拾放兼容贴装。后一条道路的重点是开发与半导体加工、自动化和高速贴装兼容的低成本光束扩展技术。

光互连的连接是另一个关键挑战。要扩大制造规模和提高部署速度，就必须从粘合转向与 OSAT 工艺和高速贴装兼容的闩锁机制。

架构考虑因素

使用硅基光电子收发器进行 500 米单模传输，从多模光纤 （MMF） 过渡到单模光纤 （SMF），改变了数据中心的游戏规则，实现了成本效益和面向未来。

在未来 5 到 10 年内，影响最大的将是光纤到服务器（FTTS）架构的采用，其驱动力是交换机带宽不断翻番以及对更高服务器到交换机带宽的需求。FTTS 部署面临成本挑战，但有望带来更低的网络直径、更少的延迟和更低的网络管理复杂性等优势。

机器学习和人工智能网络对服务器之间全并行、全对全网状拓扑结构的要求也推动了对光互连的需求。

未来趋势与挑战

随着数据中心和电信网络的不断快速发展，出现了趋势和挑战：

1.增加使用多芯光纤的空间分复用或模式分复用，以解决标准连接器内的 I/O 密度限制。

2.采用相干收发器和 QAM 调制格式，提高频谱效率，减少 500 米互连中的 I/O 通道数量。

3.CPO器件中的光纤管理挑战，推动了带有波导扇出的玻璃封装基板和用于前面板布线的嵌入式 PCB 波导的发展。

4.紧跟三维电子集成电路堆叠和硅通孔的趋势，为堆叠集成电路和集成电路到板级波导集成三维互连。

5.采用光纤到服务器架构，前提是大幅降低成本，以与直接连接的铜缆解决方案竞争。

结论

数据驱动型应用的持续增长和人工智能技术的出现正在改变数据中心和电信网络，从而推动了对高性能、低延迟光互连的需求。将光学引擎与交换机专用集成电路（ASIC）集成在同一封装上的CPO器件代表了行业的重大转变，有望降低成本，实现高效的电气互连，并与半导体制造工艺兼容。

然而，要充分发挥CPO器件和下一代光互连的潜力，需要克服本文概述的几个关键技术障碍，或称 "紫色砖墙"。这些障碍包括开发速度更快的光子器件、降低功耗、实现非制冷激光运行，以及在共同封装解决方案中集成光电子元件和电子元件。

在光互连方面，玻璃和聚合物波导、扩展光束光学以及先进的对准和连接技术等方面的创新正在为高密度、低损耗和高成本效益的解决方案铺平道路。光纤管理方面的挑战，加上交换机带宽的持续增长，推动了光纤到服务器架构的采用，以及对嵌入式 PCB 波导和 3D 互连的探索。

在业界应对这些挑战的过程中，数据中心运营商、电信供应商和技术开发商之间的合作很重要。克服 "紫色砖墙 "将开启性能、可扩展性和成本效益的新领域，从而支持下一代数据驱动型应用并加速人工智能技术的发展。

数据中心和电信光互联的未来是光明的，但这需要持续的创新、全行业的合作以及不断突破极限的坚定承诺。只要方法得当，整个行业就能充分发挥光通信的潜力，开创高速、低延迟、高能效数据传输的新时代。

参考文献