一文了解光通信及光模块封装技术

1837年, 美国的莫尔斯 (Samuel Morse) 将信号加载到模拟电流上, 研制出了世界上第一台电磁式电报机, 使用导线为信号传输媒质实现了长途电报通信, 至此电信时代就开启了｡

1864年, 英国物理学家麦克斯韦 (J.c.Maxwel) 预言了电磁波的存在, 提出电磁波与光具有相同性质, 且两者的传播速度均为光速｡

1875年, 贝尔( A. G. Bell) 发明了电话｡ 1887年, 赫兹 (H.R.Hertz)通过实验验证了电磁波的存在, 证明了麦克斯韦的电磁理论, 推动了无线电的诞生和电子信息技术的发展｡ 之后意大利的马可尼和俄国的波波夫分别研制了无线电报, 从此无线信息传输得到了极大发展｡

随着人们日益增加的信息需求, 微波无线通信系统己经无法满足, 同时无线通信还存在着传输易受干扰､ 传输距离和传输带宽受限､ 传输设备之间必须保持无阻挡等弊端, 这也严重影响了无线通信的发展｡

以光波为信号的载波以光纤为传输媒介的通信系统叫做光纤通信 ( Opticalfiber communications ) 系统, 光纤通信较传统电缆通信以及无线通信的优点有:通信容量大､ 传输损耗低､ 抗电磁干扰能力强､ 保密性强､ 传输媒介光纤的原材料是储存量丰富的二氧化硅｡ 另外, 光纤较电缆还有尺寸小､ 质量轻､ 造价低等优点｡

相较于传统以铜线（Copper Wire）传输电讯号的铜电缆，以光纤（Fiber）传输光讯号具有高带宽、传输距离长、耗能低、质轻、抗拉强度大等明显优势，逐渐在高速数据交换应用中取代铜线。

随着数据中心对于数据传输带宽与传输速率需求的持续提升，光讯号传输已成为数据中心内部机柜到机柜（ Rack-to-Rack），以及数据中心对数据中心（Inter-Datacenter）的数据传输主流技术。

光纤通信的起源可以追溯到1870年英国人J.Tyndall发现光线由于全反射作用可以在喷射的水流中传播; 1966年高锟教授预言通过提纯的方式导光玻璃纤维可以实现20dB/km以下的光衰减; 1970年康宁公司成功地制备出光损耗<20dB/km的导光光纤;

1962年第一只半导体激光器问世; 1963年Alferov与Kroemer相继提出双异质结结构; 1970 年Alferov成功制备了能在室温下连续运转的双异质结半导体激光器｡在过去的几十年里, 随着我国信息技术的发展, 如云计算､ 大数据､ 自动驾驶､ 人工智能等, 光通信网络的传输能力得到了显著的提升, 已经成为了现代通信基础设施的重要组成部分和关键承载底座｡

数据中心已成为推动社会数字化转型的重要 “算力底座” , 促进数字经济蓬勃发展｡国家启动了 “东数西算” 工程, 进一步推动了数据中心的发展, 进而增加了对高性能光模块和光器件的需求｡ 因为在传输容量､ 集成度､ 成本和能耗等方面存在优势, 光芯片､ 光模块成为数据中心内部互联的关键构成｡

数据中心应用需要的光模块己占大约 75%通信所需光模块的市场份额｡ 因此, 数据中心已成为光模块的主要应用场景之一｡

光通信技术与信息技术的发展是相辅相成的，一方面，光通信器件依靠精密的封装结构实现光信号的高保真输出，使光通信器件的精密封装技术成为保证信息产业持续快速发展的关键制造技术；另一方面，信息技术的不断创新与发展对光通信器件提出了更高的要求：传输速率更快、性能指标更高、外形尺寸更小、光电集成程度更高、封装工艺技术更经济。

光通信器件封装结构形式多种多样，典型的封装形式如下图所示。由于光通信器件的结构尺寸都非常小（单模光纤典型芯径不足10μm），在耦合封装过程中任一方向稍有偏差，将会造成较大的耦合损耗。因此光通信器件对准耦合运动单元需具有很高的定位精度。

下图为Cisco比较过去的100Gbps高速数据传输装置与其最新的400Gbps硅光子光收发器。

过去约30cm x 30cm大小，以离散光通讯组件与数字讯号处理(DSP)芯片组合构成的装置，透过硅光子制程技术制作微小光通讯组件，再整合7nm先进制程制作的数字信号处理器形成光收发器，大幅缩减装置尺寸，同时降低功率耗损。

硅光子光收发器（Optical Transceiver）是目前最成熟的硅光子装置，包含了发讯与收讯专用的硅芯片处理器、整合半导体雷射、分光器与讯号调变器（Modulator）的硅光子整合芯片、光传感器与光纤耦合器等组件，封装在可即插即用（Pluggable）的光纤连接器中，可将来自数据中心服务器的电讯号转换为光讯号在光纤中传递。

光收发器（Optical Transceiver）是当前硅光子最主要产品，相关技术持续精进，主流产品的数据传输速率已由2016年的100Gbps进步到2023年的800Gbps。

除积极往1.6Tbps研发外，部分企业也透过并购拓展产品线与强化技术能量，或者进行上下游垂直整合。

硅光子供应链由绝缘硅SOI晶圆与光电材料晶圆出发，经过产品设计、晶圆制造与封装后，形成系统产品，主要系统业者如Intel、Cisco、HP、NEC、Fujitsu等，均切入光收发器产品开发。

相较于IDM垂直整合模式，部分的光收发器开发业者必须仰赖晶圆代工厂生产硅光子芯片。

硅光子短期技术产品发展以因应数据中心与通讯领域之大规模需求为主，聚焦Inter-Datacenter以及Rack-to Rack相关应用；随着AI与HPC多元应用运算需求持续攀升，电路板等级的光学数据交换技术如OBO/CPO将快速发展，最终将走向单一芯片内部数据传输或对外光学I/O之发展。

除数据传输应用以外，医材、自驾车、航天等之感测应用需求将加速其他基于硅光子产品之发展。[备注：板上光学组件(On Board Optics，OBO) ; 共同封装光学组件(Co-Package Optics，CPO)。]

数据中心交换器带宽需求于2025年将达到51.2Tbps。随着交换器带宽需求持续提升，对于光收发器/光子引擎的数量与传输速率的要求也持续攀升，将造成交换器内部空间设计与热管理的高度挑战。

共封装光学（Co-Packaged Optics, CPO）可减少传输讯号损失，增加封装密度、强化热管理，是可插拔光收发器（Pluggable Transceiver）重要的替代方案。

短期之内，插拔式光收发器仍是较成熟产品，在系统布建的便利性上也具有优势。

长远来看，CPO模块在能耗、量产成本、数据传输带宽上限方面将提供更佳的效益。

硅光子将由目前主流的可插拔光收发器（Pluggable Transceiver(TRX)）开始逐步缩短光收发模块/光子引擎（ Optical Engine）与交换器芯片的距离，实现OBO/CPO，以减少铜线连接的传输讯号损失，增加封装密度、提升热管理能力。备注：板上光学组件(On Board Optics，OBO) ; 共同封装光学组件(Co-Package Optics，CPO)。

硅光子光收发器采用2.5D异质整合封装结构，以光发射器（Optical Transmitter）部分为例，异质封装将硅芯片 、雷射组件、光耦合器等整合在硅中介层（Interposer）上形成单一模块。

硅中介层上方以半导体成熟制程做出硅波导（Silicon Waveguide）结构，利用折射率比硅低的二氧化硅（SiO2），将雷射所发出的光讯号限制在波导结构中，以利后续光讯号传递与调变。

TSMC在2021年8月，基于其2.5D、3D的异质整合先进封装技术，发表COUPE（Compact Universal Photonics Engine）紧凑型通用光子引擎封装技术平台，以因应客户的硅光子产品开发需求。

COUPE将是TSMC与国内外光通讯组件/模块业者、网通业者合作之重要平台。

参考文献：

(1)夏鹏辉 高速硅光调制器及其集成芯片研究[D].

(2)李盈祉 硅基光学相控阵芯片的研制及应用研究[D].

(3)徐洪威 光通信器件超精密封装混联柔性对准运动设计与控制研究[D].

(4)袁纬方 面向数据中心应用的集成微透镜光探测器芯片研究[D].

(5)彭茂荣 2024年半导体产业发展议题[C].