Broadcom的硅基光电子高密度CPO关键技术解析-凡亿课堂

摘要

数据中心流量的爆炸式增长推动了对更高带宽、更高能源效率光互连的需求。硅基光电子技术与电子-光子共封装是前景广阔的解决方案。本文综述博通公司的最新工作，展示了高密度组装、远端激光器一体化和光连接器等光电共封装的关键技术。提出一种“半封装”的光交换原型系统，与传统光模块相比可实现匹配的带宽密度提升一倍的功率节约。文章还讨论了规模化生产下进一步提升密度、功效率和降低成本的前景。

前言

云计算、AI、5G、物联网等业务的爆炸式增长使数据中心网络带宽面临严重的瓶颈。铜质电接口在密度、散热和传输距离方面正碰到基本物理极限。虽然可插拔光模块暂时缓解了这些问题，但是在 400G 以上速率扩展时会面临密度、功效率和成本的挑战。硅基光电子与先进电子-光子共封装（简称共封装）可实现数量级的飞跃，大幅提高带宽密度、能源效率和成本效益。这是通过应用大批量 CMOS 工艺实现光子与交换/计算 ASIC 的高密度集成来实现的。异质集成的高速光电子系统可实现更紧密的结合，解锁性能、功效率和可扩展性的优势。本文综述博通的最新工作，展示实现高密度数据中心光交换共封装所需的关键技术。提出一种“半封装”光交换原型系统，相比传统光模块可实现一半的功率[1]。文章还讨论了共封装在密度、功效率、可靠性和成本方面的进一步提升前景。

高密度组装

共封装的关键技术之一是实现超高密度电-光 I/O 引脚配准。博通的 SCIP（Silicon Chiplet Photonics Package）技术利用 TSV 和高密度键合，实现硅基光电子chip 和 ASIC chip 在 130um 引脚距下对准（图 1）[1]。高密度短距（<150 um="">

图 1. I/O 引脚配准

图 2. 高密度 CoW 组装技术

远端激光器一体化

由于硅基光电子无法一体化集成激光器，因此需要使用远端激光模块（RLM）提供光源[1]。博通设计实现热插拔 RLM，遵循 QSFP-DD 标准，单通道提供高达 21dBm 的光功率并实现安全锁定（图 3）[1]。RLM 实现与光引擎的连接器盲配对，方便维护更换。

图 3. 远端激光器模块：上为背视图，下为组装视图

光连接器

博通还研发了适用于回流焊接的中端密度（127 um 引脚距）热插拔光连接器，使光电共封装系统可以实现插座安装或焊接安装的灵活性（图 4）[1]。该定制连接器应用成熟的光纤阵列工艺确保可靠性，并支持现场更换。博通已在 14.43mm 的紧凑光子芯片边缘演示了低损耗、可重复配对高达 72 对光纤的光连接器。这种“插拔式”共封装光系统简化了组装和升级。

图 4. 光连接器

系统集成与性能

图 5 展示博通“半封装”光交换原型系统[1]。4 个光引擎每个包含 32 路 100Gbps 与 ASIC 芯片共封装。RLM 提供光源，每个包含 8 个激光器的 RLM 支持每个光引擎的 32 个发送通道。芯片与光引擎之间的电插入损耗仅 2-3 dB，比可插拔模块低 5 倍（图 6、7），从而将接口功耗降低一半。共封装光系统符合 IEEE 标准，接收机灵敏度余量充足（图 8、9）。