技术论文：数据中心光模块技术及演进

  1 数据中心光模块技术创新点

  作为数据存储和计算的中心，数据中心在各个时期承载的主要功能有所差异。自2000年以来，全球数据中心从计算中心发展到信息中心，再发展至云计算中心，目前正向算力中心演变。

  1.1 算力时代下低功耗成为技术创新点

  算力需求提升带动网络带宽成倍增加，数据中心能耗呈指数型增长。设备厂商 Cisco 的数据显示[1] ，2010—2022 年全球数据中心的网络交换带宽提升了80倍，背后的代价是交换芯片功耗增加约8倍，光模块功耗增加26倍，交换芯片串行器/解串器（SerDes）功耗增加25倍。

  如何解决功耗问题成为下一代高速光互联应用的最大挑战。液冷技术成为数据中心突破节能瓶颈最有效的方式。液冷光模块是未来技术的一个亮点。

  在光模块降耗的发展趋势下，行业围绕驱动器、调制器、激光器及电接口4个方面降低功耗。在驱动器方面，如果采用线性驱动可插拨光模块（LPO）技术路线，则可在数据链路中只使用线性模拟元件，无需数字信号处理 （DSP）或者时钟数据恢复 （CDR） 芯片，从而降低 DSP/CDR 产生的功耗。在调制器方面，薄膜铌酸锂基于自身较低的半波电压，所需要的驱动电压更小，从而具备优越的低功耗特性，成为产业界尝试解决调制器功耗问题的重要途径。在激光器方面，提高激光器的电光效率和耦合效率是两种降低功耗的途径。在电接口方面，缩短交换芯片和光引擎之间的连接长度，采用诸如近封装光学 （NPO） 和共封装光学 （CPO） 之类的超密集封装，可实现更高密度的高速端口，提升整机的带宽密度。而NPO/CPO背后的技术，即硅光技术，是以光子和电子为信息载体的硅基光电子大规模集成技术。

  1.2 算力时代下高带宽需求是技术原动力

  数据中心设备之间的连接由高速光接口提供，并且根据连接距离不同分为短距离 （SR）、DR （指500 m距离）、远距离（FR）、长距离（LR）等规格，不同传输距离采用的技术方案也会有所不同。高速光接口的速率发展与数据中心的交换机容量以及SerDes技术的发展息息相关。交换机容量每 2 年翻一番，预计 2030 年会出现 400 Tbit/s 交换容量，单端口速率需要增长到3.2 Tbit/s。根据接收技术的不同，光连接技术可以分为直检检测技术和相干检测技术。直检检测技术由于成本低、功耗低，在 800GE之前，为数据中心高速光接口的主要技术。随着速率的提升，直检检测技术受到色散、四波混频等问题的影响，传输距离下降，使得相干技术下沉到数据中心成为可能。在 800GE 时代，IEEE 802.3dj 针对 10 km 场景将定义相干和直检两条技术路径。但相干技术面临功耗高、成本高的挑战。未来 3.2T 时代，直检技术和相干技术将同时存在。直检检测技术在 3.2T 时代仍是主力技术路径之一。在单通道速率持续提升的同时，通过增加光纤或者波分复用技术来增加并行路数的方法也将持续发展。800GE 时代不仅使用单通道 100G技术，还使用了单通道200G的技术。3.2T时代将会依托单通道200G技术进行多路复用，当然也可能会发展单通道400G的技术。

  2 光模块新技术演进路径

  算力时代对光模块有着低功耗、高带宽的需求。目前业界技术演进方向如下：

  1） 液冷光模块。冷板式液冷系统中的冷却液不与发热电子部件直接接触，所以目前常规光模块在冷板式液冷系统中应用时，一般无须考虑兼容性问题。浸没式和喷淋式液冷系统的冷却液都与散热器件直接接触。尤其是浸没式液冷系统，其直接将散热器件浸泡在冷却液里。而常规光模块的设计都基于风冷的应用场景，在浸没或喷淋的液冷环境下可能出现失效的情况，因此需要针对液冷环境的应用进行设计并规范相关技术要求，以保障液冷场景下的数据传输。

  2） LPO方案。LPO通过线性直驱技术替换传统的DSP，将功能集成到交换芯片中，只留下驱动芯片 （Driver） 和跨阻放大器（TIA）芯片。LPO光模块中用到的Driver和TIA芯片性能也有所提升，从而实现更好的线性度。

  3） CPO方案。CPO是指把光引擎和交换芯片共同封装在一起的光电共封装，没有采用可插拔光模块的形式。这种方式能够使得电信号在引擎和芯片之间更快地传输，缩短了光引擎和交换芯片间的距离，有效减少尺寸、降低功耗、提高效率。

  4）硅光技术。硅光技术是一种基于硅光子学的低成本、高速光通信技术，利用基于硅材料的互补金属氧化物半导体（CMOS） 微电子工艺实现光子器件的集成制备。该技术结合了CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗（CPO/LPO架构下）的优势。

  5） 薄膜铌酸锂技术。相比于传统体材料铌酸锂，薄膜铌酸锂波导可以制作亚微米尺度的光波导，不但提高了器件的集成度，而且大大提高了对光场的限制能力，增强了光场和铌酸锂材料的相互作用，因而可以实现超高电光带宽、超低驱动电压以及超低光学损耗。该技术有望在电光调制器领域掀起一场革命。

  6） 相干下沉。在数据中心本身的范围内，强度调制直接检测 （IM-DD） 技术仍然占主导地位。认识到 IM-DD 在满足不断发展的需求方面的局限性，业界正在探索“相干精简版”解决方案（一种专门为较短距离的数据中心连接而设计的相干技术方案）。

  7）光进光出（OIO）技术。OIO是一种基于芯片的光互连解决方案，与计算芯片（中央处理器、图形处理器、张量处理器）集成在同一封装中，旨在实现分布式计算系统中它们之间的无缝通信 （跨板、机架和计算行），其带宽密度、能源成本和延迟与封装内的电气互连相当。具体产品形态包括板载光学 （OBO）、NPO、CPO及未来可能部署的光电子集成电路 （OEIC）。OIO有望提供百倍以上的通道密度，每个通道可以提供百倍以上的带宽，很可能成为交换芯片向 100T、200T乃至更高容量演进的必要技术。

  2.1 液冷光模块

  当数据中心中采用浸没或者喷淋式液冷系统时，板上芯片封装 （COB） 工艺的光模块在液体环境中无法直接使用。在液冷数据中心中宜使用蝶形封装BOX和同轴封装TO-CAN 两种气密性封装光组件，并进行模块的整体液密封装，或者对光电部分 COB 封装的光模块进行全塑封设计 （液密封装），以有效防止液冷环境中的冷却液对光模块光路部分造成干扰。图1展示了易飞扬液冷光模块的密封工艺，该工艺主要通过纳米涂覆和低压注塑密封实现^[2] 。

  为满足高性能计算和通信应用需求，提高系统性能、能效、可靠性，液冷光模块技术还需要在以下方面实现突破：

  1）液冷光模块的技术要求；

  2）液冷光模块的封装方式和密封性技术；

  3） 液冷光模块的液冷测试环境和可靠性测试环境的配置、搭建以及对应测试方法；

  4）液冷光模块的运维管理相关技术；

  5）液冷光模块的布线连接技术。

  目前，市场上已经有多个厂家发布液冷光模块产品。易飞扬发布了支持浸没式或者喷淋式液冷散热方案的液冷光模块，涵盖 25 Gbit/s、100 Gbit/s 和 200 Gbit/s 速率；海光芯创也演示了自 研的200G QSFP56 SR4液冷光模块；光迅科技已经可以提供全套的液冷光模块产品，目前已经批量交付100 Gbit/s 液冷光模块；海信宽带的 25G Pigtail-SFP28 封装液冷光模块于 2023 年已批量生产。另外，华工正源、中天科技也在进行液冷光模块的研究。

  2.2 LPO方案

  虽然 DSP 具有数字时钟恢复功能和色散补偿功能，能够以较低的误码率实现信号恢复，但它也带来了较高的功耗和成本开销。例如，在400G光模块中用到的 7 nm DSP，其功耗约为 4 W，占到了整个模块功耗的 50% 左右。从成本的角度来看，400G光模块中，DSP 的物料清单 （BOM） 成 本 约 占 20%～40%。 为 了 降 低功耗和成本，并满足高速、高密度光通信连接，以及光网络灵活性和可升级性的需求，LPO应运而生。LPO方案不采用DSP/CDR芯片，而是将相关功能集成到设备侧的交换芯片中。如图2所示，该光模块只留下了线性度较高的Driver和TIA，并分别集成连续时间线性均衡 （CTLE） 和均衡 （EQ） 功能，用于对高速信号进行一定程度的补偿^[3] 。

  LPO具有突出的优势：低功耗、低成本、低延时、易维护。具体表现在：

  1） 低功耗。去掉DSP后，光模块功耗大幅度下降。相比于可插拔光模块，LPO的功耗下降约50%，这与CPO的功耗接近。Arista采用Linear-Drive，使硅光、垂直腔面发射激光器 （VCSEL）、薄膜铌酸锂不同光学方案的功耗均下降 40%左右。

  2） 低成本。DSP 的 BOM 成本约占 20%～40%。去除 DSP后，虽然Driver和TIA集成了EQ，局部成本略有增加，但整体成本还是下降的。以800G光模块为例，使用LPO系统可以使总成本下降大约8%。

  3）低延时。去除DSP会使得光模块减少一个处理过程，数据的传输时延也随之下降。这对人工智能（AI）计算和超级计算场景来说尤为重要。

  4） 易维护。在LPO方案中，光模块的封装形式没有显著改变，采用可插拔设计，这样方便插入和拔出光学模块，使得光学连接更加灵活便捷。这种设计简化了光纤布线和设备维护，提高了系统的可管理性和可维护性。

  然而，当前LPO仍存在两大缺点：

  1） 通信距离短，应用场景受限制。去除DSP后会导致

  系统的误码率提升，进而导致传输距离变短。 2） 标准化刚起步，互联互通存在挑战。目前由于交换机厂商不倾向于改动交换机，因此光模块需要适应各个通路之间不同的情况。这里我们给出全球主要企业的LPO部署进度：英伟达披露了在其内部人工智能集群中部署LPO 的计划，将在2024 年量产 LPO 光模块；Meta 公司预计在 2024 年上半年导入 LPO 技 术；Arista 公 司 在 2023 年 光 纤 通 信 会 议 和 展 览 会（OFC 2023） 上首次展示了有关降低LPO功耗的数据，在网络研讨会上分享了他们在 LPO 方面的最新研究结果；新易盛、剑桥科技等已发布相关产品；海信宽带已推出800G线性互联光缆。

  2.3 CPO方案

  CPO是在成本、功耗、集成度各个维度上优化数据中心的光电封装方案。如图3所示，CPO将光模块不断向交换芯片 （ASIC 芯片） 靠近，缩短芯片和模块之间的走线距离，最终将光引擎和电交换芯片封装成一个芯片[4] 。在理想情况下，CPO可以逐步取代传统的可插拔光模块，将硅光子模块和超大规模CMOS芯片以更紧密的形式封装在一起，从而使系统成本、功耗和尺寸都得到进一步优化。如图 4 所示[5] ，按照物理结构分类，CPO 可分为 3 种技术形态：2D 平面 CPO、2.5D CPO和3D CPO。

  1）2D 封装的CPO技术

  基于2D封装的CPO技术是将光子集成电路PIC和集成电路并排放置在基板或PCB上，通过引线或基板布线实现互连。2D封装的优点是易于封装、灵活性高。电子集成电路 EIC和光子集成电路PIC都可以使用不同的材料、不同的工艺单独制作。根据芯片和基板互连方式不同，基于2D封装的技术发展出了基于引线键合的CPO、基于倒装的CPO、基于扇出型晶圆级封装技术的CPO 3种技术路径。

  2）基于2.5D封装的CPO技术 2.5D 封 装 将 EIC 和 PIC 均 倒 装 在 中 介 层 （Interposer）上。通过中介层上的金属互连PIC和EIC，中介层与下方的封装基板或PCB板相连。根据所用转接板的材料不同，基于 2.5D封装的技术发展出了基于玻璃转接板的CPO、基于硅转接板的CPO和基于嵌入式多芯片互连桥接3种技术路线。 3）基于3D封装的CPO技术

  3D封装技术将光电芯片进行垂直互连，可以不仅能实现更短的互连距离、更高的互连密度和更好的高频性能，还能实现更低的功耗、更高的集成度和更紧凑的封装。基于 3D封装的CPO技术是目前CPO技术研究的热点。

  CPO技术将增加先进封装工艺需求。如图5所示，目前封装工艺是限制CPO技术发展的主要因素。CPO技术在封装过程中会用到硅穿孔 （TSV）、凸点 （Bumping） 和重布线（RDL）等先进封装技术[6] ，对传统光模块封装厂商提出新的挑战。

  CPO目前处于产业化初期，在工艺、仿真以及测试等方面仍面临很多挑战。封装工艺能力是制约CPO 发展的重要因素，涉及TSV、RDL等多种先进复杂的封装技术。每一种封装技术都有利弊，因此我们需要不断探寻最可靠的方案。散热问题对于CPO来说是一个重大挑战。CPO中放置光器件和电器件的空间十分有限，并且光器件对热特别敏感。CPO 标准工作组做的模拟仿真表明，在风速5 m/s的条件下，当采用 16 个的 CPO 模块和 1 个开关芯片模型设计时，开关芯片的温度达到 151.76 ℃，几乎无法正常工作。主流的热可插拔模块维修简单，但作为不可插拔的CPO 封装技术维修难度较高，因此测试、良率以及可靠性问题成为CPO 产业化的关键。由于光芯片是直接与电芯片通过先进封装工艺封装在一起的，如果某颗芯片发生了损坏，整个模块就无法正常工作。这不仅使良率下降，也给测试带来了诸多困难。 CPO光学器件的通道密度与以往任何子组件不同，这意味着现有的测试解决方案需要改进。

  CPO的发展需要产业链协同推进，这将考验光模块/光引擎厂商的长期综合实力。如图6所示，CPO的技术路线优化本质上是对整个网络架构的优化[5] ，需要数据中心整体产业链的协同推进。其中，在现有光模块产业链的基础上，有些环节还需要交换芯片及设备厂商、各元器件厂商共同参与。因此CPO的发展本质上是对光模块/光引擎厂商综合实力的长期考验。

  2020年以来，CPO逐渐从学术研究成果转变为市场需求产品。如表 1 所示，博通、Cisco、Marvell等行业内龙头企业均已推出多款基于CPO样品，其他企业也在积极地布局相关产品，并推进CPO技术标准化。云服务厂商 Facebook 和 Microsoft 创建了CPO联盟，旨在打造一个平台，以吸引各细分行业龙头企业加入联盟，推动CPO 标准的建立和产品的发展。中国企业则普遍较晚进入CPO领域，在产品开发进度及技术研究方面存在明显的差距。中国计算机互连技术联盟 （CCITA） 牵头的 CPO 标准是当前中国唯一原生的 CPO 技术标准。该标准旨在结合目前全球光互连技术发展，联合中国光模块、光收发芯片、电驱动放大芯片、光源、连接器等厂商，共同打造更加适合中国的 CPO 标准。光迅科技、中际旭创、华工科技等都已开始涉足光电共封领域，但由于起步较晚，目前还没有CPO相关的产品推向市场。

  2.4 硅光技术

  相对于传统光模块，硅光模块在高速率领域具有高集成度、低成本、低功耗的显著优势。硅是用量最大的半导体晶圆材料，具有低成本和加工工艺成熟的优势。硅光基于硅和硅基衬底材料，通过 CMOS 工艺进行光器件开发和集成。硅光模块产生的核心理念是以光代电，即利用激光束代替电子信号进行数据传输。传统光模块采用分立式结构，制造过程中需要依次封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件，部件物料多。如图7所示，硅光模块将激光器、调制器、探测器等光/ 电芯片都集成在硅光芯片上。传统器件中的透镜和大型组件都被取代，陶瓷、铜等材料用量大幅降低，晶圆、硅光芯片等电子材料占比上升。光模块价值向硅光芯片、硅光引擎转移。传统光模块制造过程中封装工序较为复杂，需要投入较多人工成本，而硅光芯片高度集成，组件与人工成本也相对减低，对下游封装厂或制造商的要求也会降低。

  硅光技术的发展可以分为4个阶段。第1阶段，硅基器件逐步取代分立元器件，即将硅作为光通信底层器件，并达到工艺的标准化水平。第2阶段，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再通过不同器件的组合，把这些器件集成不同的芯片。第3阶段，光电一体技术融合，实现光电全集成化。把光和电都集成起来，可实现更加复杂的功能。第4阶段，硅光技术实现可编程芯片。这一阶段器件能够分解为多个硅单元排列组合，局针化表征类。该种通过编程来改变内部结构的芯片，可自定义全功能。目前硅光技术已经发展到了第2个阶段。硅光子核心器件主要是以硅半导体材料的光有源及无源器件：硅基激光器（负责将电信号转化成光信号）、硅基光调制器 （负责将光信号带宽提升）、硅基光探测器 （负责将光信号转化成电信号）、光波导 （负责光信号在硅基材料上传输）、光栅耦合器 （负责与对外连接的光纤对准降低插损）等。

  1） 硅基激光器。硅基激光器指集成在以硅为衬底的光芯 片 上 的 激 光 器。常 用 的 硅 基 激 光 器 按 照 结 构 可 分 为 VCSEL芯片、分布式布拉格反射激光器（DBR）芯片、分布式反馈激光器（DFB） 芯片和电吸收调制激光器（EML） 芯片。制作材料主要以III-V族半导体材料为主。对于III-V族激光器与硅光芯片的耦合，主流设计方案主要有片上倒装焊集成、异质键合集成和直接外延生长集成。异质键合集成和直接外延生长集成是未来实现硅光大规模生产的可行方案。

  2） 硅光调制器。硅光调制器指集成在硅光芯片上的调制器。硅光调制器集成度高、消光比较高、损耗低、驱动电压小，但线性度差，因此目前业界多使用混合集成调制器。通过异质键合、外延等技术，将成熟的铌酸锂调制器、lnP 调制器等集成到硅基上，可实现微米级大小，调制效率为全硅调制器的5倍以上。

  3） 硅基光探测器。光电探测器将接收的光信号转变为电信号。由于硅对1.1 μm以上的光波透明，单体硅无法制作探测器。目前集成在硅基片上的高频探测器主要有混合集成III-V族和硅锗混合探测器。前者耦合效率高、灵敏度高、响应快；后者性能优越，器件制备技术与CMOS工艺兼容，更适合大规模集成，是目前的主流方案。

  就硅光技术在通信设备中的具体应用而言，目前除了激光器外，光模块中大部分器件的制造都已实现，典型的如光波导、外调制器件、雪崩光电二极管（APD）接收器等。不过由于硅光技术产业尚处于起步阶段，业内并未形成权威的行业规范与技术标准，各主流厂商采用硅光技术设计生产元器件时采用的技术路线不尽相同，因此最终的技术方案还有待优化完善。如图8所示，从工艺角度来看，硅光可以分成单片集成和混合集成。目前混合集成使用较广，但是单片集成性能更优，是未来发展趋势。单片集成是指将光子学组件直接集成到同一块硅芯片上，包括光源、光调制器、波导、耦合器等光学元件，从而形成一个紧凑的光学电路。单片集成方式的优势在于可以减小尺寸，提高集成度，降低制造成本。混合集成是指将硅芯片与其他材料的光学组件结合在一起，即将电子器件 （硅锗、CMOS、射频等）、光子器件 （激光/探测器、光开关、调制解调器等）、光波导回路集成在一个硅芯片上。其中，硅芯片主要负责电子部分的处理，而其他材料的光学元件则负责光的生成和调制。混合集成的优势在于可以利用硅芯片的电子器件和其他材料的优异光学特性，实现更高效的光通信和传感应用。

目前来看，光器件如波分复用器、变换调谐器等已经可以实现单芯片集成，而光模块尚需要混合集成。虽然硅光集成技术具有巨大的市场前景，但目前仍然面临诸多挑战：

  1） 硅光器件性能问题。目前的硅光技术已可以替代很多传统的光器件，但是还有一些需要克服的技术难题，比如：如何减少硅波导的损耗，如何实现波导与光纤的有效耦合，如何克服温度对于功率和波长稳定性的影响等。这些技术难题会影响到硅光技术的普及以及在数据中心场景中的应用。

  2）测试流程复杂。与常规的大规模集成电路芯片不同，光电芯片本身成本高、制造流程多、工艺复杂、废品率高，因此需要先在晶圆上进行测试和筛选，然后再和其他电芯片进行集成，以避免后期由残次芯片造成的不必要的封装成本。

 3） 标准化方案缺乏。硅光芯片在各个环节都缺少标准化方案，例如：设计环节需要使用专用的EDA工具，制造与封装环节缺乏提供硅光工艺晶圆代工服务的厂家。这使得硅光技术大规模产业化变得更加困难。

  硅光技术主要布局公司如表2所示。当前，台积电计划携手博通、英伟达等共同开发硅光子技术、共同封装光学元件等新产品。制程技术从45 nm延伸到7 nm。台积电已组建一支由约200名专家组成的研发团队，专注于利用硅光子技术开发未来芯片。

 2.5 薄膜铌酸锂技术

  电光调制器是超高速数据中心和相干光传输的核心光器件。通过调制将通信设备中的高速电子信号转化为光信号，电光调制器成为光通信系统中不可或缺的一环。如表 3 所示，目前光调制的技术主要基于硅光、磷化铟和铌酸锂3种材料的电光调制器。其中，铌酸锂电光系数显著高于磷化铟，而硅没有直接电光系数，因而铌酸锂调制器是高带宽光电信息处理系统中的关键器件。传统铌酸锂电光调制器为体材料铌酸锂调制器。体材料铌酸锂调制器具有带宽高、稳定性好、信噪比高、传输损耗小、工艺成熟等优点，但在传输速率需求不断提升的形势下，体材料铌酸锂调制器也在一些性能上遭存在瓶颈，而且体积较大，不利于集成。新一代薄膜铌酸锂调制器芯片技术将解决这些问题。铌酸锂材料具有 “光学硅”之称。通过最新微纳工艺制备出的薄膜铌酸锂调制器，具有高性能、小尺寸、可批量化生产且与CMOS工艺兼容等优点。

  与磷化铟相比，薄膜铌酸锂在长距离/超长距离的产品封装上具有优势。它可以采用非气密封装，从而降低成本，而磷化铟则需要气密封装。在性能方面，薄膜铌酸锂对比硅光和磷化铟都有明显优势。铌酸锂薄膜调制器利用容性电极和石英衬底，同时实现低微波损耗和光电同步传输。容性行波电极不仅可以降低金属微波损耗，还可以降低微波速率，使光波和微波在调制区域以相同的速率传输，光和电达到完美匹配。如图 9 所示，当前 800G 主流方案包括 DR8/SR8/ 2FR4 等方案。无论是单模还是多模方案，都使用单通道 100 Gbit/s速率。向单波200/400 Gbit/s速率演进时，薄膜铌酸锂的大带宽优势将更加突出。未来对于成本、功耗、性能等要求会越来越高。薄膜铌酸锂调制器凭借功耗、成本、性能等方面的优势，有望迎来快速发展。

  薄膜铌酸锂目前主要面临两个方面的挑战：1） 低成本制备工艺。薄膜铌酸锂目前成本较高，而商用后的市场需求与单位成本息息相关。因此，如何解决产业化后的成本问题是关键。2） 铌酸锂的晶圆尺寸。目前铌酸锂的晶圆尺寸以 4英寸 （1英寸=2.54 cm） 和6英寸为主。8英寸和12英寸能否实现产业化与后期的成本相关。

  考虑到薄膜铌酸锂材料优异的性能，如表4所示，当前主要光模块厂商均已布局铌酸锂技术。

  2.6 相干下沉

  相干技术是长距光传输采用的技术。由于直检技术面临色散、四波混频等挑战，传输距离不断缩小。业界出现了相干技术下沉到数据中心互联的发展趋势。相干技术传输性能好，可以灵活地采用光数字信号处理 （oDSP） 技术进行色散补偿，但是成本和功耗较高。为了降低成本和功耗，许多高校及企业提出了 Coherent-Lite 的概念，并提出 O 波段相干、灰色（固定波长）激光器和自相干。

  1） O波段相干。目前数据中心内部光信号传输的波长都是O波段，而传统的相干光通信是C波段。C波段最大的好处是光纤功率损耗最小，所以非常适合长距离的光纤传输；但同时C波段的光纤色散比较大，需要用DSP进行色散和各种损伤的补偿。而在 O 波段，虽然光纤功率损耗变大了，但好在传输距离并不远，功率衰减不多，所以也不需要光放大器。同时在O波段光纤的色散最小，这样的话就不需要DSP来补偿色散。因此，DSP的功能可以进一步简化，这使得系统成本和功耗进一步降低。

  2） 灰色 （固定波长） 激光器。由于数据中心内部架构不需要在光纤中进行密集的波长传输，因此可以使用灰色（固定波长） 激光器。它的使用消除了对波长调谐以及相关控制电路和算法的需求，简化了实施过程，降低了操作的复杂性。

  3） 自相干。传统的相干方案是异源相干，本振 （LO）光要求与信号载波频率相位对齐，而自相干是同源相干，即一根光纤双向传输数据，一根光纤双向传输LO，如图10所示[7] 。这个架构的好处是：不需要使用昂贵的激光器，无温控热电制冷器 （TEC），无波锁，可有效降低模块成本和功耗。此外，接收机信号不存在频偏和相噪问题，DSP可以得到进一步简化。

    随着传输速率提升至800G，相干技术方案在80 km传输距离的基础上将进一步向10 km等更短距离拓展应用。当传输速率达到1.6T时，相干会进一步下沉到2 km。IEEE 802.3 正在标准化 800G/1.6T 以太网接口，包括单通道 100G 和 200G 两路不同传输距离的接口。值得一提的是，2023 年， IEEE 802.3dj就800G 10 km应用是采用强度调制和直接检测（IMDD） 还是采用相干技术进行了激烈讨论。最终，IEEE 802.3dj决定为800G 10 km设定两个项目目标，分别采用不同的技术解决方案。可以看到，随着单通道速率的提升，相干技术正在不断下沉，相关应用场景也在不断拓展。

  3 结束语

  液冷技术具备超高能效、超高热密度等优点，是解决数据中心散热压力和节能挑战的重要途径。液冷光模块是大势所趋。LPO具有短距离、低功耗、低时延等特性，能够适配 AI计算中心。由于可以直接应用于目前成熟的光模块供应链，LPO在高线性度TIA/Driver 厂商的大力推动下或可快速落地。CPO方案通过交换机光电共封装降低成本和功耗，是未来实现高集成度、低功耗、低成本、超高速率模块应用方面是综合最优的封装方案。虽然硅光产品的研发投资和销售额仍小于III-V族材料，在产品性能、工艺、成本等方面仍面临一定挑战，但基于其在成本和功耗方面的优势，硅光技术有望成为未来光器件的主流技术。薄膜铌酸锂是超高速数据中心和相干光传输的核心光器件，具有高性能、低成本、小尺寸、可批量生产且与CMOS工艺兼容等优点，是未来高速光互连极具竞争力的解决方案。当数据中心内部连接的要求超过 1.6T 并走向 3.2T 时，色散损伤和链路预算将对直接检测（IM-DD）解决方案提出更高要求。因此，相干精简版解决方案有望成为大批量 3.2T 数据中心内互联应用的有力竞争者。

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  本文作者：张平化 中兴光电子 工程师；王会涛 中兴光电子 规划总工；付志明 中兴光电子工程师