激光阵列或为共封装光学技术简化实现路径

核心要点

将光子集成电路与硅基芯片封装在一起虽能提升性能，但激光器仍未纳入该封装体系

新型单片激光阵列可实现数百种波长输出，且每个波长均可通过软件独立调谐

相关技术正加速产品化，有望推动共封装光学技术的商业化落地

共封装光学（CPO）技术的发展愿景，是将光子集成电路（PIC）与电子集成电路（EIC）集成至同一封装中。

但激光器通常并未纳入这一封装体系，其光束需通过服务器机柜的面板引入。不过一种全新技术方案有望将激光器整合至系统内部（虽仍未纳入芯片封装）。

企业通过单片集成方式打造激光阵列，可有效降低分立激光器与光学元件对接时的对准难度，该方案有望实现数百个激光器的集成。同时，将激光器设计为软件可编程模式，可对任意波长组合进行灵活调谐；通过省去大量外围元件，这一方案还能提升系统的可靠性。

Lightmatter 公司近期发布了一款光引擎产品，该产品沿用了其早前光子中介层产品 Passage 的核心技术，其光子芯片设计由楷登电子（Cadence）和新思科技（Synopsys）的工具完成，这两家企业还为 Passage 提供了产品接口知识产权（IP）支持。

淘汰服务器内的长铜缆

传统方案中，实现服务器间信号传输的光纤最终接入服务器面板，包含激光器的可插拔光模块集成了光信号转电信号的所有核心元件，随后由铜缆将电信号传输至封装内的处理器或其他芯片，信号全程保持串行传输，直至抵达目标端后再转换为并行信号。

图 1：传统架构中，电子模块包含光信号驱动、放大元件及串并转换收发器（SerDes），以实现与专用集成电路（ASIC）或片上系统（SoC）中标准并行架构的信号转换。专用集成电路与收发器可集成于同一芯片（虚线框所示），此时互连为片上互连，无需采用通用芯片互连接口（UCIe）；该接口仅适用于独立的收发器芯粒。来源：拜伦・莫耶 /《半导体工程》

这一架构的核心问题在于，由收发器驱动的长铜缆会消耗大量能耗。若将光学元件向信号使用端靠近、进一步集成至电路板内部，即可通过光纤将光信号从面板直接传输至使用端，从而大幅降低能耗。

日月光集团工程与业务发展副总裁张家豪表示：“共封装光学技术的核心是实现元件的近距离集成。可插拔光模块的带宽存在瓶颈，若要延续技术路线、保持性能提升，就必须向共封装光学这类技术转型，实现元件的高密度近距集成。”

激光器的独立现状

值得注意的是，出于可靠性考量，激光器目前仍独立置于可插拔光模块中（这类模块也被称为外置激光小型可插拔模块，ELSFP）。

Lightmatter 首席执行官尼克・哈里斯表示：“当前行业内的可插拔光模块中，大多采用电吸收调制激光器（EML），这类直接调制激光器集成于光收发器内部。”

激光器模块是这类系统中可靠性最差的元件之一，因此其一直采用易拆卸的可插拔设计，便于低成本快速更换。若将其集成至电路板，一旦发生故障，可能需要更换整个昂贵的电路板，得不偿失。

哈里斯补充道：“在多数共封装光学方案中，激光器与调制器是相互分离的 —— 调制器集成于共封装光学模块（或近封装光学模块 NPO）内部，而激光器则为独立器件。”

这一变化也将对硅晶圆代工厂产生影响。新思科技接口知识产权产品管理总监普利扬克・舒克拉表示：“传统模式下，光子芯片由特定晶圆代工厂制造，电子芯片则由多家企业通过标准 CMOS 工艺生产，最后由封装厂完成一体化封装。”

将电子芯片与光子芯片集成至同一封装，推动了单晶圆代工厂一体化工艺的发展，即同一家工厂可同时制造电子和光子器件。舒克拉指出：“台积电正处于领先地位，推出了全套工艺平台，可同时制造光引擎和电子集成电路。”

图 2：共封装光学技术将大部分光学元件与电子芯粒集成至同一封装，出于可靠性考量，激光器仍保留在服务器面板处，以实现便捷更换。来源：拜伦・莫耶 /《半导体工程》

安靠封装高级封装开发总监苏雷什・贾亚拉曼表示：“部分最新一代可插拔光模块已具备共封装光学的特征，还有部分方案将光收发器、光子集成电路（含光纤连接用微透镜阵列）全部集成至同一封装中。”

波分复用技术：需要多激光器协同

在单根光纤中实现多波长信号复用，是无需增加光纤数量即可提升带宽的有效手段，这一技术即为波分复用（WDM）—— 将不同信号调制至不同波长，使其在同一根光纤中传输。但该技术的弊端在于，每个复用波长都需要配备独立的激光器。

若激光器为分立设计，就必须进行精密管控，防止单个激光器的波长漂移幅度过大；若各波长间距过小，不同波长信号可能发生重叠，导致信号失真。应对这一问题的简易方法是减少波长数量，扩大波长间距，并预留漂移保护带，但这会造成波长资源的浪费，无法实现带宽的最大化利用。

若能让所有激光器在受温度等环境因素影响时同步调谐，或实现每个激光器的波长独立稳频锁定，就能在光纤中集成更多波长，进一步提升带宽。

深挖激光器的可靠性问题

业界普遍认为激光器本身可靠性较差，实则问题根源并非激光器芯片，而是激光模块的封装组件。哈里斯表示：“激光二极管本身极少发生故障，故障多源于由激光器、透镜、波分复用器等外围光学元件组成的封装组件。”

这些外围元件并非单片集成，而是通过胶粘方式与激光器贴合，其中包含透镜 - 隔离器 - 透镜集成芯片（核心作用是实现多波长复用），而易受污染、易发生释气的环氧树脂胶会严重影响模块可靠性。“环氧树脂的释气物质可能附着在透镜表面，甚至堵塞光纤，这类组装式组件的可靠性极低。”

从另一角度来看，若能省去这些外围元件，激光模块的可靠性将得到质的提升。

图 3：当前激光模块的典型架构，激光出射后在空气中传播，因此需要透镜等光学元件进行光束调控。来源：

公司

传统激光器还面临制造端的挑战：每个激光器及其外围元件都需精密对准，以最大限度减少光损耗和信号失真；若要实现多波长输出，还需对多个激光组件进行相互对准，这不仅会导致良率问题，人工对准还极易产生误差。

激光巴条是实现多波长输出且降低对准难度的一种方案，但巴条内的激光器无法独立调谐，存在调谐瓶颈。哈里斯解释道：“激光巴条的调谐方式为衬底加热，这会导致所有激光器同步调谐；同时，激光器工作时产生的大量热量会相互影响，导致器件效率下降、光功率大幅衰减。”

无外围元件的多激光器集成方案

Lightmatter 公司发布的 Guide 激光模块，为解决上述问题提供了一种可行方案。该模块集成了光子和电子元件，既可作为光源，又能实现激光器的配置与稳频。

该产品的制造核心是单片集成同规格激光器阵列（可集成百余个激光器），每个激光器均配备局部激光腔加热器和反馈环路，实现波长精准稳频；波分复用器可将不同波长的激光导入对应光纤，传输至系统其他部分，现有封装接口可支持多光纤连接。

单片集成工艺彻底省去了人工对准步骤，通过工艺设计实现元件的精准对准，这一变革与惯性测量单元（IMU）的发展历程相似：早期加速度计仅能实现单维度测量，实现二维测量需将两个传感器精准对准 90°，而双向单片集成传感器的问世，彻底淘汰了对准工序。

哈里斯表示，Guide 产品的研发受益于 Passage 产品的技术积累：“Passage 产品集成了 1000 个微环调制器，这类微环结构为超小型谐振腔，对环境极为敏感，我们已掌握其超高精度调控技术，而 Guide 产品正是沿用了这一核心技术。”

软件定义激光器

激光器的波长分配与系统启动流程绑定，可通过软件向每个激光器写入波长参数，该参数将成为系统启动固件的一部分。

哈里斯解释道：“芯片内置微控制器，系统启动时，操作人员只需向芯片下达指令 ——‘设定某激光器为某一波长’，芯片就会与激光二极管通信，完成波长配置。”

图 4：软件在系统启动时完成波长分配，可实现任意激光器的任意波长配置。来源：Lightmatter 公司

此外，激光器的波长可在系统运行过程中重新分配，实现冗余备份：若某一激光器在生产测试或运行过程中发生故障，可通过软件将另一激光器重新编程为相同波长，同时由波分复用器将新激光器的光束导入对应光纤。

哈里斯表示：“无论是生产初期、老化测试阶段，还是系统调试过程中，只要有激光器发生故障，我们都能快速替换为备用激光器。”

图 5：只要有备用激光器，无论激光器在生命周期的哪个阶段发生故障，均可实现快速替换。来源：Lightmatter 公司

与传统外置激光小型可插拔模块不同，Guide 模块的激光出射后直接进入半导体波导，而非在空气中传播，因此无需透镜进行光束调控 —— 波导本身可实现光束的约束传输。这一设计省去了可靠性较差的外围光学元件，使模块本身的可靠性远超传统外置激光小型可插拔模块，也意味着其可直接集成至电路板，而非局限于服务器面板；单颗芯片可为电路板上的多个位置提供光源，光束通过可拆卸光纤连接器传输至系统外部。

图 6：激光器不再局限于可插拔模块，可直接集成至电路板，靠近信号使用端。来源：拜伦・莫耶 /《半导体工程》

目前，激光器仍未与其他芯粒共封装，这一现状短期内难以改变 —— 封装内部的集中式高热量会对激光器的性能和可靠性造成严重影响，因此激光器需远离高发热元件。但即便不置于服务器面板，电路板上仍有大量合适的位置可供激光器集成。

每个激光器的独立加热设计，既解决了分立激光器的波长独立漂移问题，也规避了激光巴条的同步调谐瓶颈，同时有效避免了多激光器间的热耦合干扰。

Passage 产品集成通用芯片互连接口与高速收发器

尽管 Guide 与 Passage 并非直接关联产品，但二者可形成互补。Passage 同样集成了光子和电子元件，而芯粒间的通信是其核心需求：传统标准中介层仅能通过通用芯片互连接口（UCIe）或晶圆键合（BoW）等协议实现芯粒间的电互连，而 Passage 可实现芯粒间的光互连。

为使芯粒制造商无需考虑互连端的器件类型，Passage 集成了楷登电子和新思科技的通用芯片互连接口及 224Gbps 高速收发器，基于通用芯片互连接口的电信号至光信号的转换，全部在 Passage 内部完成，芯粒制造商无需额外设计光接口。

尽管共封装光学技术的研发初衷是淘汰图 1 中高功耗的收发器架构，但其核心目标是去除连接服务器面板的长铜缆—— 驱动这类长铜缆的收发器必须为高功率版本，才能保证信号的高完整性传输。

新思科技的舒克拉表示：“若收发器驱动长距离信道（如信道损耗达 40 分贝，或对应 19 英寸的背板传输），则需采用长距收发器，其功耗会大幅增加。”

在共封装光学架构中，收发器仍不可或缺 —— 需将串行光信号转换为芯片内部标准的并行总线信号，只是其无需采用传统的高功率版本。

舒克拉补充道：“人工智能加速器需处理并行数据，因此收发器是必备元件；但共封装光学架构中的收发器为短距收发器，仅驱动封装内的信道，信道损耗仅 3-5 分贝，能效表现极佳。”

目前，该团队已完成一款简易电子芯片的集成，作为技术概念验证。舒克拉表示：“当前一代产品将验证电子芯片驱动光学元件的可靠性，随着产业生态的不断完善，真正的人工智能加速器将集成至该封装体系中。”

电子设计自动化企业与系统厂商的合作，将在未来的产品设计中持续深化。楷登电子硅解决方案集团高级副总裁兼总经理博伊德・费尔普斯表示：“为满足前所未有的市场需求和工作负载，人工智能的算力正呈爆发式增长，算力的纵向升级与横向扩展正重塑人工智能基础设施。我们与 Lightmatter 的合作，彰显了我们对先进互连技术发展的坚定承诺；通过将高速收发器和通用芯片互连接口知识产权集成至这一新共封装光学平台，我们正助力客户打造更具扩展性、更高能效的人工智能系统。”

技术细节暂未公开

业界对该技术的实现细节充满好奇，但 Lightmatter 表示其技术研发难度极大，且核心得益于 Passage 产品的技术积累，并未透露更多细节。哈里斯直言：“我们绝不会公开具体的实现方法。”

同时，该技术也为光子学行业带来了新的挑战：若 Lightmatter 的共封装光学方案取得成功，必将引发行业的跟进入局。该公司表示，其方案实现了光子器件从人工制造向大规模自动化制造的转型，这与集成电路从小规模集成（SSI）、中规模集成（MSI）、大规模集成（LSI）到超大规模集成（VLSI）的发展历程高度相似；事实上，Lightmatter 将其技术命名为超大规模光子集成（VLSP）。

共封装光学技术的研发难度大，商业化规模化落地进程缓慢，而 Guide 这类激光引擎产品的问世，将为高光子集成度系统的研发与规模化落地降低难度。