共封裝光學技術平臺方興未艾

在過去的50年中，每十年都會一波又一波地推出移動技術創(chuàng)新。移動帶寬需求已經(jīng)從語音通話和短信發(fā)展到超高清(UHD)視頻和各種增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實(AR/VR)應用，在線服務也推動了數(shù)據(jù)流量的大幅增長。盡管疫情爆發(fā)對電信基礎設施供應鏈產(chǎn)生了深遠的影響，但全球消費者和企業(yè)用戶不斷在為網(wǎng)絡和云服務創(chuàng)造新的需求。

社交網(wǎng)絡、商務會議、超高清視頻流、電子商務和游戲應用將繼續(xù)高增長。隨著新的數(shù)字設備的出現(xiàn)，其功能和智能得到不斷增強，Yole集團旗下的YoleIntelligence每年都觀察到更高的設備采用率。聯(lián)網(wǎng)汽車、自動化物流和制造設施(包括AR/VR)的帶寬已經(jīng)遠高于當前的超高清流媒體應用。

圖1：全球業(yè)務增長的主要動力來自高分辨率視頻流業(yè)務。

就所需的電密度和光密度、熱問題和功耗而言，目前可插拔光學器件的外形尺寸在支持1.6Tb/s、3.2Tb/s和更高容量的能力方面受到限制。作為分立電子器件實現(xiàn)方案，功耗和熱管理正在成為未來可插拔光學器件的限制因素。

共封裝光學器件(CPO)是一種新方法，旨在通過使光學器件更接近開關ASIC來克服這些挑戰(zhàn)。CPO技術被認為是整個生態(tài)系統(tǒng)的一種新部署模型，是成熟的可插拔光學器件的替代品。一旦得到商用，CPO可能會在特定應用領域占據(jù)主導地位，雖然這并不一定意味著可插拔光學器件將消失。

CPO市場產(chǎn)生的收入在2020年達到了約600萬美元，預計到2032年將達到22億美元，在2020-2032年期間的復合年增長率有望達到65%。與可插拔光學器件相比，這種增長動力是源于CPO的實質(zhì)性節(jié)能(>30%)和以美元/Gbps為單位衡量的支出節(jié)省。

圖2：2020年、2026年和2032年數(shù)據(jù)通信光學器件收入增長預測。

硅光子集成能力的優(yōu)勢

CPO采用單個封裝組件為以太網(wǎng)交換機或分布式計算提供光學I/O接口，解決了可插拔光學器件帶來的一些挑戰(zhàn)，包括端口密度、功耗、熱管理和帶寬。目標是將電光轉(zhuǎn)換過程盡可能靠近計算、交換機或ASIC芯片，從而實現(xiàn)更高的帶寬和能源效率。

硅光子學(SiPh)雖然仍被認為是一種新興技術平臺，但在中等距離應用的可插拔光學器件中得到了很好的認可。CPO的商業(yè)目標是實現(xiàn)低于當前400G(DR或FR)可插拔光學器件的價格，而支持SiPh的更高水平的光電子集成可以實現(xiàn)這一目標。SiPh被發(fā)現(xiàn)能以更低的成本提供集成和可靠性方面的優(yōu)勢。2021年，SiPh收發(fā)器的出貨量超過了800萬個。預計SiPh收發(fā)器的出貨量將在未來五年內(nèi)大幅增長，單位年均復合增長率為25%。

激光器：外部安裝VS內(nèi)部集成

高度集成的光學器件需要成熟、高良率的晶圓廠工藝和器件光子集成電路(PIC)制造技術。這些要求通過定義新角色迫使行業(yè)在新的基礎上密切合作。這種轉(zhuǎn)變不可能在一夜之間實現(xiàn)。與此同時，仍有許多CPO技術挑戰(zhàn)尚待解決。

暫時先不要將激光器與波導和調(diào)制器進行深度集成，而是使用安裝在外部的激光源作為首選，來解決對激光器可靠性和熱管理的擔憂，不過，這樣做的代價是會引入其他方面的復雜性。外部激光源需要更高的激光功率來克服從激光器到調(diào)制器的路徑中的額外光學損耗，而且需要額外的面板空間、更高的激光器封裝成本以及額外的光纖和連接器。

為了簡化CPO組裝架構(gòu)并減少激光模塊和光纖的數(shù)量，使用高功率激光器并在光學小芯片之間分配功率是有優(yōu)勢的。采用單片集成方法的SiPh PIC可實現(xiàn)III-V器件的更高制造良率和低損耗集成?；赟iPh的PIC可以集成共享更多通道的激光器、波導、調(diào)制器、檢測器、多路復用器和用于光纖連接的V型槽。這樣可以減少封裝步驟，為批量制造工藝鋪平道路。

光學行業(yè)面臨艱難轉(zhuǎn)型

越來越多的證據(jù)表明，光學行業(yè)正在認真對待轉(zhuǎn)變。2020年，就CPO的進一步發(fā)展，光互連和交換設備行業(yè)展開了深入而廣泛的討論。至今已經(jīng)宣布了好幾項戰(zhàn)略合作，并且最近出現(xiàn)了概念的初次證明。在標準方面，光互聯(lián)論壇(OIF)和車載光學聯(lián)盟(COBO)已經(jīng)建立了內(nèi)部的CPO推進項目，多源協(xié)議(MSA)活動也將效仿。四家超大規(guī)模云運營商中的兩家——臉書和微軟——已經(jīng)正在積極努力，支持CPO滲透到其網(wǎng)絡架構(gòu)中。

圖3：光收發(fā)器技術的關鍵趨勢。

如今的CPO已經(jīng)圍繞半導體和交換設備供應商初步形成完整的產(chǎn)業(yè)，而這些供應商也紛紛收購或與創(chuàng)新的SiPh設計師展開了合作。他們尋求新的方式為數(shù)據(jù)中心運營商提供CPO生態(tài)系統(tǒng)。絕大多數(shù)涉及CPO的參與者是美國公司;而中國傳統(tǒng)的可插拔光學供應商尚未將CPO技術引入其路線圖。雖然CPO市場將被塑造成支持多供應商的商業(yè)模式，但它的形成可能會導致可插拔光學行業(yè)的整合，盡管CPO不會來自這些參與者。相反，CPO技術需要新的合作和一致的戰(zhàn)略合伙來滿足用戶需求、技術和經(jīng)濟可行性。

預計2028年CPO將得到首次全面部署，交換容量為200TB。盡管CPO具有技術優(yōu)勢，但仍然很難與可插拔模塊競爭，在很長一段時間內(nèi)可插拔模塊仍是首選。只有少數(shù)參與者(博通、英特爾、Ranovus和其他一些公司)會將專有解決方案推向市場。為了滿足市場需求，并讓最終用戶相信CPO的可行性，多供應商商業(yè)模式和制造產(chǎn)量必須發(fā)展到可接受的水平。未來幾年應該會讓CPO技術解決方案的前景變得更清晰，尤其是商業(yè)和供應鏈模型。

圖4：FPP和CPO的部署模式比較。

CPO的下一步?

如今，光模塊在垂直市場已建立良好產(chǎn)業(yè)鏈：元器件供應商、光學供應商和組裝/測試集成商。根據(jù)定義，多供應商模型涉及許多供應商，一個交換設備中多個不同的可插拔模塊的互操作性有助于提高行業(yè)的靈活性。這些是目前可插拔方法相較于CPO的主要優(yōu)勢。

當CPO成為主流時，傳統(tǒng)的工業(yè)光學格局可能會顯著縮小。CPO技術將嚴重依賴SiPh。憑借高度集成的光學器件和硅芯片，將迫切需要全新的工程能力和代工廠。這對于傳統(tǒng)的中型企業(yè)來說是無法接受的，因為只有價值數(shù)十億美元的光學供應商們才能負擔得起從可插拔設備轉(zhuǎn)向CPO的成本。

許多較小的企業(yè)數(shù)據(jù)中心在這些技術獲得良好口碑之前，不會采用最新的互連技術，因此技術交流的速度也要慢得多。這意味著即使CPO成為主流技術，但對于CPO在技術或經(jīng)濟上尚不可行的一些應用，例如長途應用或邊緣數(shù)據(jù)中心，可插拔模塊仍將保持高需求。

Yole Intelligence認為可插拔技術在未來10年內(nèi)不會被完全淘汰。然而，隨著CPO市場的發(fā)展和多供應商商業(yè)模式的建立，可插拔光學行業(yè)可能會出現(xiàn)整合。

審核編輯 ：李倩