CPO商业化面临三大关键挑战

一位业内专家指出，共封装光学器件（CPO）作为下一代封装技术，在实现商业化部署之前，必须克服三大挑战。如果无法解决光学对准、封装良率和系统可维护性方面的问题，数据中心对CPO的采用仍将举步维艰。

韩国光子技术研究院光传感器商业化研究中心主任金正浩（Kim Jung-ho）在6月24日于首尔举行的AI数据中心光通信与互连技术大会上表示：“CPO（光子器件商业化）面临的关键挑战是光纤对准、封装良率以及组件更换时系统能否不间断运行。” 他补充道：“考虑到可靠性、长期使用寿命和维护要求，这些问题必须得到解决。”

金正浩，韩国光子技术研究院光学传感器商业化研究中心主任。（图片来源：THE ELEC）

CPO是一种新一代封装技术，它将基于硅光子学的光学芯片和高性能电子芯片集成到单个封装中。组件间的精确对准对于高效的光信号传输至关重要。然而，保持芯片和光学组件之间的对准非常困难，这使得制造过程极其复杂。

由于硅本身并非高效发光材料，硅光子系统通常采用III-V族化合物半导体作为激光光源。例如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。激光随后通过芯片内预先设计的光波导传播。

光信号随后通过调制器，数字信息在此被编码成光信号。在芯片边缘，光信号到达耦合器，并被传输到连接到光电探测器的光纤中。

挑战在于光纤的纤芯直径仅约9微米。为防止信号损耗，从激光源经耦合器到光纤的对准精度必须保持在±0.5微米以内。换句话说，对准精度必须接近纳米级。此外，为了提高数据传输容量，通常需要将多根光纤捆绑在一起，例如采用8×8阵列等结构，这进一步增加了制造的复杂性。

Kim表示，为了将封装内的总光信号损耗限制在1.8 dB至3 dB之间，光互连过程中产生的插入损耗必须保持在0.5分贝(dB)以下，耦合效率必须保持在95%以上。分贝是衡量光信号损耗的单位。

第二个挑战是生产良率。CPO集成了多种复杂组件，包括集成光源（ILS）或外部光源（ELS）、专用集成电路（ASIC）和光学引擎。将这些不同的芯片和器件组合在一起，显著增加了工艺的复杂性。为了实现商业化，量产良率必须超过95%，同时组件寿命以及电气和光学可靠性必须接近99.9%。

最后一个挑战是系统可维护性。传统的可插拔光模块在发生故障时可以轻松拆卸和更换。相比之下，CPO 将芯片和基板集成到单个封装中。如果内部组件发生故障，则可能需要更换整个电路板，从而造成操作上的复杂性。

此类更换程序可能会导致数据中心服务中断。

即使是几秒钟的停机时间也会造成巨大的经济损失、运营中断和客户信心下降。因此，不间断的服务可用性至关重要。Kim表示：“为了让CPO能够提供数据中心所需的可靠性和可用性，行业必须建立包含热插拔功能、故障隔离和灵活流量管理的维护模式。”

热插拔技术允许在不关闭整个系统的情况下更换组件。故障隔离技术能够将CPO板上出现故障的部分在物理上或逻辑上隔离。流量管理技术允许在故障组件被隔离后，立即将工作负载重新路由到正常的模块。

Kim总结道：“随着人工智能的发展，传统的铜缆数据传输在速度、发热量和功耗方面都已接近极限。CPO正在成为一种能够应对这些挑战的新标准。一旦剩余的技术难题得到解决，它不仅有望成为数据中心的核心基础设施技术，而且有望成为包括自动驾驶和医疗保健在内的未来产业的核心基础设施技术。”