向共封装光学（CPO）方向发展，有望将光子集成电路（PIC）与电子集成电路（EIC）集成在同一封装内。
激光器通常无法被集成进该封装，一般通过服务器机架前面板将光信号引入。但一种全新方案可将激光器移入系统内部，尽管仍无法放入封装。
通过单片式制造激光阵列，企业可简化分立激光器与光学器件相关的对准难题。该方案可实现数百个激光器，且这些激光器支持软件可编程，可对任意波长随机组合进行调谐。通过省去大量其他元器件，该方案可提升系统可靠性。
Lightmatter 近期发布了此类光引擎，该技术与其早期推出的 Passage 产品（光子中介层）同源。楷登电子与新思科技的工具为该光子芯片设计提供支持，同时这两家企业也为 Passage 产品提供接口 IP。
省去服务器内部的长铜线
传统上，服务器间传输信号的光纤终接于服务器前面板。包含激光器在内的可插拔模块集成光信号转电信号所需全部组件。随后通过铜线将信号传输至封装内的处理器或其他芯片。信号保持串行形式，到达目的地后再转换为并行信号。
图 1：传统架构中，电子部分包含光信号驱动器、放大器，以及用于与 ASIC 或 SoC 常用并行架构相互转换的 SerDes。ASIC 与 SerDes 可集成在同一芯片上（虚线框所示），此时互连为片上形式，无需使用 UCIe。仅独立 SerDes 裸片需要 UCIe 接口。
该架构的难点在于，通常由 SerDes 驱动的长铜线功耗极高。将光学器件向信号使用位置靠近、深入电路板内部，可降低功耗。光纤可将光信号从前面板传输至使用位置。
“CPO 将器件进一步靠近。” 日月光集团工程与业务开发副总裁 Calvin Cheung 表示，“可插拔器件的带宽存在上限。因此，为延续技术路线并保持性能，必须转向 CPO 这类方案，让器件距离更近。”
激光器仍独立外置
值得注意的是，出于可靠性考量，激光器通常保留在可插拔模块内（即外置激光器小型可插拔模块，ELSFP）。
“在当前行业术语中，大量可插拔器件采用电吸收调制激光器（EML）。”Lightmatter 首席执行官 Nick Harris 表示，“这些 EML 是直接调制激光器，集成在收发器内部。”
激光模块是此类系统中可靠性最低的组件之一。因此，其保留便捷的可插拔形式，便于低成本、简易更换。若设计人员将其移入电路板，一旦出现故障，可能需要更换整块昂贵的电路板。
“在多数 CPO 方案中，激光器与调制器相互分离。”Harris 继续说道，“调制器置于 CPO（或近封装光学 NPO）内部，而激光器为独立器件。”
这一变化同样将对硅晶圆代工厂产生影响。“传统模式下，光子裸片由特定代工厂制造，电子裸片由多家企业采用标准 CMOS 工艺制造。” 新思科技接口 IP 产品管理总监 Priyank Shukla 表示，“随后由封装厂完成合封。”
将电子与光子裸片集成于单一封装，推动了单一晶圆厂一体化制造电子与光子技术的工艺发展。“台积电处于领先地位，可提供完整平台。”Shukla 称，“其可同时制造光子引擎与电子 IC。”
图 2：CPO 将大部分光学器件与电子小芯片集成于同一封装。出于可靠性考虑，激光器仍保留在前面板，便于更换。“最新一代部分可插拔光模块可被视作 CPO 方案。” 安靠封装开发高级总监 Suresh Jayaraman 表示，“还有其他实现方案，将光收发器、光子 IC（含用于光纤耦合的微透镜阵列）集成在同一封装内。”
波分复用需要多个激光器
在单根光纤中实现多波长复用，是在不增加光纤数量的前提下提升带宽的有效方式，即波分复用（WDM）。不同波长调制的多路信号可在同一光纤传输。但其缺点是，每个复用波长均需要独立激光器。
若这些激光器相互独立，则必须严格管控，避免某一激光器波长漂移量超出其他激光器。若波长间距过近，两个波长会发生重叠，导致对应信号失真。最简单的解决方式是减少波长数量，拉大波长间距，通过保护带宽容纳漂移。
但波长之间的间隔无法被有效利用，造成带宽浪费。仅当激光器漂移至该区域时才会占用，且无法提升带宽。若所有激光器可在环境因素（如温度）影响下同步漂移，或每个激光器可独立锁定至稳定波长，则可支持更多波长。
深入探究激光器可靠性
激光器本身可靠性低的认知，可能归因对象错误。问题根源或在于激光组装结构。“失效的并非激光二极管。”Harris 表示。组装结构包含激光器及后续透镜、复用器等光学组件。
这些器件并非单片式制造，而是通过粘接固定在激光器附着的表面。
该组装结构包含透镜 — 隔离器 — 透镜芯片，用于实现不同波长的复用。环氧树脂易受污染、存在放气现象，会影响可靠性。“有时其释放的气体会附着在透镜上，堵塞光纤。这类组件组合的可靠性极低。”
换言之，省去这些附加组件可提升激光模块可靠性。
图 3：当前主流方案。激光器出光后在空气中传输，因此需要透镜等器件。传统激光器的另一难点在于制造。每个激光器及其后续组件必须精准对准，以降低光损耗与失真。若需要多波长，则需要多个激光组装结构，且相互之间必须对准。这会带来良率问题，人工操作时极易出错。
激光条是降低对准难度、实现多波长的一种方案，但激光条内的激光器无法独立控制，存在调谐难题。“原因在于，其调谐方式为加热衬底，所有激光器同步调谐。”Harris 称，“这些激光器发热量极大，相互加热，导致效率下降，亮度大幅降低。”
多激光器集成，无额外组件
Lightmatter 针对该难题发布了 Guide 激光模块方案。该方案集成光子与电子组件，可完成激光器配置与稳定，同时作为光源使用。
制造时，企业单片式制造完全相同的激光器阵列（数量可达上百个），每个激光器配备独立腔温加热器与反馈环路，实现波长稳定。复用器可将激光导入对应光纤，传输至系统其他部分。该封装现有接口可支持大量光纤。
单片式制造省去了人工对准步骤，结构设计可保证天然对准。这与惯性测量单元（IMU）的发展历程类似：早期加速度计仅支持单维度测量，双维度需要将两个传感器精准 90° 对准；单片式双向传感器的出现省去了对准步骤。
Harris 表示，Guide 得益于公司在 Passage 产品上的技术积累。“Passage 芯片集成 1000 个微环调制器。”Harris 称，“微环属于谐振腔，尺寸极小、灵敏度极高，我们已掌握极致的控制技术。Guide 完全复用了同类技术。”
软件定义激光器
波长配置与启动流程绑定。软件可向每个激光器写入波长参数，作为启动固件的一部分。
“芯片自带微控制器。”Harris 解释道，“启动时可指令：‘我需要该激光器输出此波长，另一激光器输出彼波长’。芯片接收指令后，与激光二极管通信，完成波长配置。”
图 4：芯片启动时由软件分配波长，任意激光器可配置为任意波长。此外，激光器波长可在运行过程中重新分配，实现冗余功能。若激光器在制造测试或运行中失效，可将另一激光器编程为相同波长，由复用器将新激光器的光导入对应光纤。
“若出厂时出现失效，可切换备用激光器。老化测试中失效，可切换。训练过程中失效，同样可切换。”Harris 称。
图 5：若任一激光器失效（无论早期或后期），在有备用激光器的前提下可完成切换。
与 ELSFP 不同，Guide 激光器的出光直接进入半导体波导，而非空气。因此无需透镜传输光线，波导自身可完成光约束。这省去了可靠性低的组件，天生比传统 ELSFP 更可靠。这意味着其可直接贴装在电路板上，而非前面板。单颗芯片可为板上多个位置提供多路光源，光信号通过可拔插光纤连接器输出系统。
图 6：激光器不再置于可插拔模块内，可移至电路板上靠近使用位置。现阶段，激光器仍未与其他小芯片共封装。由于封装内部热量集中，会严重干扰激光器性能，因此仍需将激光器与高温器件分离。但其在电路板上仍有大量安装位置，无需放置在前面板。
每个激光器独立加热，解决了分立激光器漂移与激光条的相关难题，同时避免多个激光器之间通过热量相互耦合。
Passage 集成 UCIe 与 SerDes
尽管 Guide 与 Lightmatter 的 Passage 产品无直接绑定，但二者可形成互补。Passage 同样集成电子与光子组件，小芯片之间需要相互通信。传统中介层仅通过 UCIe、BoW 等协议实现两个小芯片的电气互连，而 Passage 支持光互连。
为让小芯片设计方无需关心互连对面的器件类型，Passage 将集成楷登电子与新思科技的 UCIe 及 224Gbps SerDes IP。基于 UCIe 的信号到光信号的转换全部在 Passage 内部完成，小芯片设计方无需额外提供光接口。
CPO 方案的初衷是省去图 1 中高功耗 SerDes 架构，其核心是去掉连接至前面板的长铜线。驱动此类长线的 SerDes 需要高功耗才能保证信号完整性。
“若该 SerDes 驱动长通道，例如通道损耗 40dB 或背板长度 19 英寸，则属于长距 SerDes，功耗更高。” 新思科技 Shukla 表示。
在 CPO 架构中，仍需要 SerDes 完成串行光信号与片上并行总线的适配。但其无需传统方案的高功耗。
“加速器需要处理并行数据，因此必须使用 SerDes。”Shukla 继续说道，“这类 SerDes 为短通道 SerDes，仅驱动共封装通道，通道损耗仅 3dB~5dB，能效极高。”
作为首个项目，团队已集成简易电子裸片完成概念验证。“当前一代产品将验证电子裸片可稳定驱动光学器件。随着生态成熟，封装内将集成真正的加速器。”Shukla 补充道。
EDA 企业与系统供应商的合作将在未来设计中持续深化。“随着 AI 算力大幅扩张以满足空前的需求与负载，横向扩展与纵向升级正在重构 AI 基础设施。” 楷登电子硅解决方案集团高级副总裁兼总经理 Boyd Phelps 表示，“我们与 Lightmatter 的合作体现了对先进互连技术演进的投入。通过将高速 SerDes 与 UCIe IP 集成至全新 CPO 平台，我们助力客户打造更具扩展性、更低功耗的 AI 系统。”
核心技术保密
行业对其具体实现方式充满好奇。Lightmatter 表示该技术实现难度极高，团队得益于 Passage 的技术积累，但仅透露至此。“我们永远不会公开具体实现细节。”Harris 称。
公司同时向光子行业发出挑战：若 Lightmatter 的 CPO 方案成功，其他企业也将跟进。与当前依赖人工的方案不同，该公司将其方案定义为向大批量自动化制造的转型，类似于集成电路从小规模集成（SSI）到中规模（MSI）、大规模（LSI）、超大规模（VLSI）的发展历程。该公司将其方案称为超大规模光子集成（VLSP）。
CPO 技术难度高，规模化落地进程缓慢。Guide 这类光引擎方案，将降低高算力系统中光子技术的规模化应用难度。
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