導言
在數字化轉型時代，數據中心對高帶寬、低功耗、高性能和多功能數據傳輸的需求與日俱增。硅基光電子技術是將光學組件集成到硅芯片上的技術，已成為滿足這些需求的關鍵推動因素。本文將探討硅基光電子技術在數據中心中的作用及其未來前景。
驅動力： 數據中心光纖傳輸
隨著數字化轉型的加速，數據中心的流量在智能設備、人工智能和高性能計算等各種終端用戶需求的推動下蓬勃發展。光纖傳輸因其優于銅纜的優勢，已成為數據中心內部和數據中心之間互聯的主流技術。
圖 1 重點介紹了光纖相對于銅纜的顯著優勢，包括更高的帶寬、更長的傳輸距離、更低的功耗、更高的抗拉強度、更輕的重量和更小的直徑。硅基光電子光收發器的演變
光收發器將服務器上的電信號轉換成光信號，通過光纖進行傳輸，是目前硅基光電子技術的主要產品。主流光收發器的數據傳輸速率已從 2016 年的 100 Gbps 發展到 2023 年的 800 Gbps，目前正在努力達到 1.6 Tbps。
圖 2 描述了與之前基于分立組件的 100 Gbps 設備相比，思科 400 Gbps 光收發器集成硅基光電子技術后實現的尺寸和功耗降低。
圖 3 展示了硅基光電子光收發器的結構，將硅芯片、半導體激光器、調制器、分路器、光電探測器和光纖耦合器集成到一個可插拔的光纖連接器中。
硅基光電子技術供應鏈
硅基光電子技術供應鏈始于絕緣體硅 （SOI） 晶圓和光子外延晶圓，這些晶圓經過設計、制造和封裝后形成光收發器、開關和系統等系統產品。
圖 4 描述了硅基光電子技術供應鏈，其中一些收發器開發商依賴代工廠制造硅光子芯片。未來應用和趨勢
雖然數據中心和通信應用目前推動著硅基光電子技術的發展，但未來的應用將擴展到用于人工智能和高性能計算工作負載的電路板級光數據交換（OBO/CPO），最終實現片上數據傳輸和光 I/O。
圖 5 顯示了硅基光電子技術應用路線圖，短期重點是數據中心和通信應用，長期將擴展到醫療、汽車和航空航天行業的傳感應用。隨著交換機帶寬要求的不斷提高，到 2025 年將達到 51.2 Tbps，對更高速光收發器和集成光子引擎的需求也將隨之增加，這給空間和熱管理帶來了挑戰。
圖 6 說明了作為可插拔收發器的替代品，共封裝光學器件 （CPO） 如何減少信號損耗、提高封裝密度和加強熱管理。
板載和共封裝光學器件之路
為了滿足數據中心交換日益增長的需求，硅基光電子技術正在從可插拔收發器過渡到板載光學器件 （OBO） 和共封裝光學器件 （CPO），在板載光學器件和共封裝光學器件中，光子引擎集成到了更靠近交換芯片的位置，從而最大限度地減少了銅纜線長度和相關信號損耗。
圖 8 展示了從可插拔收發器到 OBO 和 CPO 的演變過程，光子引擎通過 2.5D 和 3D 異構集成封裝更靠近交換芯片。
圖 9 顯示了硅基光電子光發射器的 2.5D 異構集成封裝結構，其中硅芯片、激光器和光纖耦合器被集成到硅中間件上，形成一個光模塊。為滿足客戶對硅基光電子技術產品的需求，臺積電利用其 2.5D 和 3D 先進封裝技術，推出了 COUPE（緊湊型通用光子引擎）異質封裝平臺。臺積電與全球通信組件/模塊供應商和網絡設備提供商合作，目前有 200 名研究人員致力于該項目，目標是在 2025 年實現 COUPE 的量產。
隨著數據中心繼續其數字化轉型之旅，硅基光電子技術將在實現高速、低功耗和高性能數據傳輸方面發揮非常重要的作用。從可插拔收發器到板載和共封裝光學器件的演變，再加上異構集成封裝的進步，將為數據中心互連帶來新的可能性，推進未來在傳感及其他領域的應用。
參考來源
資訊工業策進會資訊工業策進會（Institute for Information Industry，III）
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