共封装光学器件的现状与挑战

本文简单介绍了共封装光学器件的现状与挑战。  

1、Device fabrication/设备制造。需要为CPO开发先进的制造工艺和器件结构。以3D集成CPO的形式，硅光子芯片充当插入器，以实现更短的迹线和更低的功耗。此外，标准硅光子制造技术必须和封装开发相结合。

图1 CUMEC硅光子PDK示意图

图2 用于光输入的PM光纤和用于光输出的非PM光纤的混合封装

图3 片上光源的异质结构集成和异质集成

图4 使用硅光子插入器和TSV结构的混合组装光学模块。b硅光子中介层上的TSV制造工艺

2、External laser source/外部激光源。分析了激光芯片的要求。结果表明，高功率激光器和TEC是主要的贡献者。提出了降低激光功耗的潜在解决方案。

图5 102.4 T共封装光学器件的配置

表1 光学引擎的链路预算分析

表2 ELS封装总功耗

图6 高功率激光器性能

3、Optical power delivery/光功率传输。在最近的提案中，光功率传输系统经常被过度简化甚至被忽视。试图从三个方面解决光功率传输中的基本问题，具体来说，功率需求是如何增长的，需要什么技术，以及主要挑战是什么。

图7 简单光链路所示的光功率传输挑战

4、用于CPO的DSP。DSP芯片在CPO中起着重要作用。总结了主机侧和线路侧链路的电气要求，并提供了DSP设计考虑因素，包括收发器架构、时钟方案和均衡实现。

图8 a 可插拔光学模块。b CPO架构

图9 XSR顶层结构框图及XSR应用和要求

图10 LR架构和性能要求

图11 时钟路径

图12 a收发器的端子。b带T线圈峰值的TX。

c具有T_线圈和9电感峰值的RX。d带LC-π网络的RX

图13 a 基于ADC-DSP的SerDes中的均衡器。b DF-NL-MLSE

5、Microring-based transmitter array for CPO/基于微环的CPO发射机阵列。微环调制器具有面积小、功率效率高、与波分复用兼容等优点，使其成为CPO的有前景的候选者。然而，它面临着许多挑战，如波长控制和偏振灵敏度。总结了基于微环的收发器阵列的挑战和最新进展，并提出了应对这些挑战的建议。

图14 基于MRR的收发器示意图，包括驱动器、MRM、接收器、MRR DEMUX和热调谐器

6、Mach–Zehnder modulator (MZM) based transmitter for CPO/基于马赫曾德调制器（MZM）的CPO发射机。MZM已经商业化，是替代现有可插拔光学模块的有前景的解决方案。然而，MZM驱动器设计在电压摆动、带宽、能效和其他方面带来了许多挑战。本节概述了MZM发射机，重点介绍了其驱动器设计。

7、Optical receiver front-end for CPO/CPO的光接收机前端。与BiCMOS相比，基于CMOS的光接收器在集成度、功耗和成本方面与CPO更兼容。本节将介绍基于CMOS的光接收器前端电子设计的最新进展，希望这将为未来CPO的完全集成电子IC铺平道路。

图15 NRZ可插拔与PAM-4 CPO收发器

红色：SiGe，蓝色：CMOS，紫色：硅光子学

8、2.5D and 3D packaging for CPO/CPO的2.5D和3D封装。2.5D、3D封装技术可以实现CPO的高带宽、高集成度和低功耗。本节主要讨论IMECAS开发的2D/2.5D/3D硅光子共封装模块、2D MCM光子模块封装问题以及硅光子晶片级封装的挑战。

图16 过去十年交换机和ASIC的带宽增长

图17 共封装开关的完整组装，显示了十六个收发器模块

图18 CPO solutions. a IBM and II-VI. b Ranovus. c Intel. d Ayarlabs. e Hengtong Rockley

图19光电三维集成截面2.5D解决方案。b 3D解决方案

9、Electronic-photonic co-simulation for CPO/CPO的电子-光子协同模拟。电子光子协同模拟是大规模电子光子协同设计的前提。然而，该领域相对不成熟，面临着许多方法和工程挑战。主流方法是将光子器件集成到电子设计自动化平台中。主要讨论光子器件建模、时域模拟和频域模拟的挑战和解决方案。

10、HPC光子互连的系统考虑因素。本节将光子互连链路分解为硬件和软件组件，相应地讨论了它们的现状、挑战以及它们如何影响光子链路和网络的完整性。最后，讨论了HPC网络光子互连未来的下一个里程碑。

11、HPC中的光电混合接口。出于兼容性考虑，HPC一直不愿转向新技术。到目前为止，光电混合集成并没有真正利用集成的优势。分析了CPO的不同互连设计考虑因素，并为加快CPO在HPC中的应用提供了建议。

图 20 XSR-AUI CPO示意图

图 21 Development of physical layer

12、CPO development and standardization/CPO development and standardization/CPO开发和标准化。中国计算机互联技术联盟（CCITA）协调了学术界和工业界的努力，以启动中国CPO标准化。概述了中国CPO标准化工作的技术和经济考虑因素。

图22 扩展物理层的架构

图23 当CPU需要更多的I/O带宽但受到封装的限制时，光学I/O可以帮助解决这个问题

图24 光连接技术成熟度水平

图 26 CCITA CPO and chiplet standard outline

参考文献：

Co‑packaged optics (CPO) status, challenges, and solutions，Min Tan等。