面向高效能大容量无线接入网络的光电共封装技术

摘要

本文回顾了光电共封装（Co-Packaged Optics， CPO）这项新兴技术，以及它在实现高效能、大容量无线接入网络（Radio Access Network， RAN）方面的潜力。CPO 技术可以将光子学和电子学集成在一个组件中，将互连损耗降到最低。在概述 CPO 的关键概念、光学集成方式以及 RAN 的光学要求后，本文检视了 CPO 在 RAN 场地连接、站内连接和板载连接三大应用场景。同时也讨论了外置激光源和线性电接口等关键使能技术。尽管 CPO 借鉴了数据中心的许多积累，但 RAN 在运行环境温度、能耗和部署模式等方面仍有更高需求，这意味着需要在偏振无关组件等领域进行更多创新。

绪论

现今的 5G 无线接入网络（RAN）难以通过铜制互连高效率地传送足够的带宽。预计未来 6G 的流量激增也将给 RAN 的互连带来更大的高容量低能耗需求 [1]。有预测显示，到 2027 年全球 6G 流量每月可能达360 EB，比 2023 年提高近 8 倍。如何在保障大容量的同时最大限度降低能耗，是 6G 面临的一个重大挑战。

将光收发器与集成电路相集成的光电共封装技术（CPO），可以有助于解决这些需求。CPO 技术已从数据中心转向面向 6G RAN，可以实现高传输容量和节能。但是，RAN 在室外运行环境、设备长寿命以及现有部署模式方面有更高和更专业的要求，这需要 CPO 技术进行更深入的创新。

本文在概述 CPO 的关键概念与集成方式后，概括了 RAN 的光学要求，然后检视了 RAN 中的三大 CPO 应用场景及两项核心使能技术。尽管 CPO 在很大程度上借鉴了数据中心技术，但在充分发掘 CPO 对高容量、可持续的 6G RAN 的潜力前，一些技术差距仍需解决。

CPO 概念和实现方式 CPO 是将光学发射/接收器直接集成在集成电路基板上，而不是像传统光模块那样外置连接。这可以大幅减少电信号在元件之间的传输距离，降低信号损耗和不连续性。不同的集成方式可以实现不同程度的模组微缩化[图 1]。例如，同封装光子学技术将光收发器芯片与集成电路封装在同一外壳中，从而实现最小的占地面积。板载光学技术将光学模组与集成电路制片放在同一电路板上。近封装光学技术则将两者置于同一中介层上。而可插拔光学，如小型可插拔组件（SFP）是外接在电路板上的。

图 1. 光电集成的四种方式

除了尺寸占地考量，集成方式还会影响替换灵活性（SFP 最佳）、光学调校复杂度（CPO 难度最大）以及光缆接口类型（CPO 受限）等因素。但 CPO 缩短的电互连距离，天然具备使容量和效率最大化的优势。

RAN 的光学规格

尽管数据中心孕育了 CPO 技术，但 RAN 的光网络在运行环境和技术需求上都有很大差异[图 2]。例如，RAN 设备端点经常布置在室外非恒温环境下，需要能适应-40°C到 85°C温差的工业级可靠运行达 15 年以上。此外，相比数据中心，RAN 还需要高精度时间同步，支持更多接口速率（如 25Gb/s、50Gb/s、100 Gb/s），适配各种光缆长度，并能在光纤资源有限的环境下正常工作。

这些在温度适应性、超长可靠运行、同步精度、协议适配性、传输距离以及光缆限制资源等方面的差异，意味着直接沿用数据中心 CPO 的技术规范可能会不足，甚至影响网络可用性。这需要面向 RAN 专门优化光学解决方案。

图 2. 数据中心与无线接入网络的光学规格差异

RAN 中的 CPO 主要应用场景

在无线接入网络中，CPO 技术主要有以下三大应用场景，分别面向不同的网络域[图 3]：

场地连接场景：用以替代天线/RRU 与地面站台设备（如分布式/集中式 RAN 总线单元等）间最多 500 米的铜质连接，实现支撑大规模 MIMO 等技术的前传链路。

站内连接场景：站内设备间最多 3 米距离的光跳线，取代部分新千兆以太网铜缆接头。

板载连接场景：电路板内高密度互连，替代长达 2 米的易失效电路板走线或飞线。

每个场景都有明确的性能指标，但共性目标是降低延迟、减少能耗并保证高可靠性。例如板载 CPO 链路的性能指标是：能耗 <3pj>时延 <200ns，ber>

在场地连接场景中，标准化的 CPO 模块可与传统的插拔式光模块兼容互通，简化过渡升级。

如果使用外置激光源（详见下一节），通常需要室内放置，以避免楼塔频繁维护。但是如何利用传统的单模光缆资源同时避免需要昂贵专用的偏振维持光纤也是一个关键难题。

图 3. 无线接入网络中CPO技术的三大应用场景

CPO 的核心使能技术

CPO 技术依赖于较成熟的硅光子集成芯片，但外置激光源和优化的电接口是真正解锁 CPO 在 RAN 中价值的两项关键技术。

首先，外置激光源方案通过将激光器与热敏感区域解耦，可显著改善系统可靠性[图 4]，缓解热应力和设备维护压力，同时提供比内置 CPO 激光更高的输出功率。然而，如果直接用一根光缆挂多个分布式 CPO 模块，则需要高昂的专用偏振维持光纤。此时，“偏振无关激光器”等新出现的替代技术可以使信号在标准单模光纤上保持完整，拓宽外置激光源的应用场景。

其次，线性驱动等不带定时器的电接口可以明显减少 CPO 模块的能耗，相比使用定时器的接口电路[5]。例如，线性接口可使 CPO 的能耗降低50%，而考虑到 ASIC 的影响，系统级的节省可达30%。但是，避免使用定时器意味着依赖现有的 ASIC 等化来补偿链路损耗从而限制距离，或者需要强化等化能力——这激发了线性光规格和相关 ASIC 设计的创新。

图 4. 八路外置激光源供给CPO的示例

结论

尽管光电共封装大量借鉴了数据中心技术，但想要它造福更广泛的5G采用甚至未来的6G，就必须解决无线接入网的额外需求。成功的关键包括提高可靠的环境适用性，开发兼容RAN的外置激光和纤维耦合技术，定义新的线性电接口，并整合这些创新来满足运营商对容量、延时、同步和长期的能源效率等方面的期待。解决这些跨学科的挑战可使CPO成为实现高性能和可持续的6G RAN的必要条件。