CPO 交換器內部核心價值總覽

光模組是光通信系統核心組件, 承擔光電信號轉換任務. 光模組依連接方式可分為: 1) 可拔插光模組: 即傳統光模組, 其電氣連接線路長, 故信號損耗, 功耗較大. 2) 光電共封裝 (CPO): CPO 是一種新型的光電子集成技術, CPO 封裝基於先進封裝技術將光收發模組和控制運算的 ASIC 晶片異構集成在一個封裝體內, 形成具有一定功能的微系統.

CPO (Co-Packaged Optics, 共封裝光學) 技術通過將電子集成電路 (EIC) 和光子集成電路 (PIC) 進行共封裝, 大幅縮短了交換晶片和光引擎間的距離, 將高速電氣串行器/解串器 (SerDes) 鏈路的距離縮短至幾毫米, 從而降低 I/O 的總功耗和發熱量, 顯著降低信號延遲, 提高帶寬密度並改善信號完整性.

CPO 交換器內部核心價值環節主要包括: OE (Optical Engine) 光引擎, ELS (External Laser Source) 外置光源, FAU (Fiber Array Unit) 光纖陣列, MPO (Multi-fiber Pull Off) 連接器, Fiber Shuffle 光纖柔性板, PMF (Polarization Maintaining Fiber) 保偏光纖等.

光引擎: 是整個 CPO 系統中負責光電轉換的核心主動器件, 其封裝的有形式: 1) 2D 封裝: 將 PIC 和 EIC 水平並列在 PCB上, 通過引線鍵合或倒裝晶片連接. 2) 2.5D 封裝: 將 PIC 與 EIC 倒裝在中介層上, 再通過中介層的金屬實現 PIC 與 EIC 的互聯. 3) 3D 封裝: 通過 TSV, Bumping, RDL 等先進的封裝技術, 將 PIC 直接作為中介層, 將 EIC 垂直方向進行垂直互聯.

ELS 外置光源: External laser source 外置雷射光源, 現階段的 CPO 交換器將雷射源與 PIC分離成一個獨立模組, 外置雷射光源可插拔, 後期維護簡單, 靈活. ELS 內部由若干個 CW (Continuous Wave) 雷射器晶片組成, 其提供穩定, 持續的光輸出, 適用於需要長距離傳輸和高帶寬的應用.

FAU 光纖陣列: FAU 用於將光纖與光引擎進行精確的耦合對齊, 減少信號損失, 提高數據傳輸效率. 台灣的上詮計劃於 2025 年率先量產 FAU 和系統內光纖跳線, 並利用其耐回焊透鏡式光纖數組連接器 (ReLFACon) 技術提高 FAU 封裝精度, 預計在 2026 年進入大規模出貨階段. 奇景光電則通過自身的 WLO 技術優勢支持 ReLFACon 的設計與制造能力提升.

MPO 連接器: 用於普通光纖 SMF 與保偏光纖 PMF 的連接, 高芯數的 MPO (如16芯MPO) 可以有效縮減前面板所需端口數量. MPO/MTP 光纖跳線作為小型化和集成化發展下的產品方向, 其一端或兩端為矩形狀的 MT 插芯鏈接,通過一個插芯實現多芯光纖的並排鏈接. MT (Mechanical Transfer) 插芯是 MPO 光纖連接器的核心構造元素.

Fiber Shuffle 光纖柔性板: CPO 交換器中有成百上千根光纖 (包括 SMF 及 PMF), 需要解決這些光纖在交換器空間內部布線的問題, 所以在光引擎及前端面, 通過光纖柔性光背板 Shuffle 的方式可以解決高密度光纖的問題. 柔性光背板結合 MT 光纖接頭, 來自定義光纖的路由線路, 以支持光纖的分配和處理.

PMF 保偏光纖: 由於 CPO 光引擎對光的偏振狀態非常敏感, 需要光源保持雷射偏振態.保偏光纖可以使光在光纖中僅沿著一個偏振方向傳播, 以此保證信號的穩定性. 保偏光纖也被稱為雙折射的光纖, 保偏光纖在整個光纖長度上保持均勻的雙折射, 雙折射越大, 對功率耦合的抑制就越好.

我們認為, CPO 的發展才剛起步, 並且其行業標準形成預計還要一定時間, 目前尚處於技術探索階段. 但隨著技術的成熟, 以及等到了 1.6T 之後的 3.2T 時代, 傳統可插拔功耗逐漸達到極限, CPO 有望逐漸開始在 3.2T 時代被批量應用, 但近幾年, 傳統可插拔模組仍會主導市場.

博通還與台積電聯合開發的微環調制器 (MRM) 最近已通過 3nm 試產, 標志著 CPO 技術的進一步成熟. 該微環調制器將為集成到 CPO 模組中的頂級 AI 晶片提供重要的支持, 為 CPO 技術的量產化打下了堅實的基礎. 預計 2025 年初, 博通和 輝達將成為台積電 CPO 解決方案的首批客戶, CPO 技術的商用化進程將進一步加快.

輝達首款 CPO 版本 IB 交換器於 2023 年底開始研發, 預計 2025 年 Q3 量產; 2026 年將推出 CPO 版本的乙太網交換器. IB CPO 版本的交換器為 4U 高度, 共 144 (6x24) 個 800G MPO 端口. 在面板左下方有 18 個外置可插拔雷射光源模組. 全機採用全液冷系統設計, 電源位於後面板中央後方, 兩側有冷水進熱水出.

根據大摩最近報告, 台灣 CPO 的概念股有: 1) 上詮 (FOCI):  利用其光纖陣列單元的專業知識來提升其在 CPO 封裝市場的地位. 2) 日月光 (ASE): 可能會提供包括混合鍵合, PiChip 平台, SiP 封裝等服務. 3) 萬潤 (AllRing):  光學耦合設備. 4) TSMC: 技術路線包括OE 的整合以及與 SiPhotonics 的結合. 5) 聯發科 (MediaTek): 通過其子公司提供 CPO 服務.