ODCC：光電混合封裝技術白皮書（2022）（36頁）.pdf

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1、1光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D分布式存儲技術與產業分布式存儲技術與產業分析報告分析報告編號 ODCC-2022-0300D光電混合封裝技術白皮書開放數據中心標準推進委員會開放數據中心標準推進委員會2022-09 發布發布I光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D版權聲明版權聲明ODCC（開放數據中心委員會）發布的各項成果，受著作權法保護，編制單位共同享有著作權。轉載、摘編或利用其它方式使用 ODCC成果中的文字或者觀點的，應注明來源：“開放數據中心委員會 ODCC”。對于未經著作權人書面同意而實施的剽竊、復制、修改、銷售、改編、匯編和翻譯出版等侵權行為，OD

2、CC及有關單位將追究其法律責任，感謝各單位的配合與支持。II光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D編制說明編制說明本白皮書在撰寫過程中得到了多家單位的大力支持，在此特別感謝以下參編單位和參編人員：參編單位（排名不分先后）：阿里，百度、博通，京東，快手，美團，盛科，是德，思科，騰訊，易飛楊，中航光電、中國信通院（云大所）參編人員（排名不分先后）：陳琤，張燦，張玓，程傳勝、王少鵬、孫聰III光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D前言前言隨著我國“東數西算”工程進入到全面建設期，大規模的數據中心項目不斷涌現。為了適應數據中心網絡的發展需求，網絡設備的交換容量和集成規模始終

3、踐行著摩爾定律。交換芯片的單芯片交換容量從 1.28T發展到正在部署的25.6T 以及即將到來的 51.2T，Serdes 的單通道帶寬也隨之發展到 56Gbps 和112Gbps。用于連接網絡接口的物理鏈路經歷了從雙絞線到同軸電纜再到光纖互聯的發展歷程，這是一個用光信號的連接逐步取代電信號連接的歷程。當前在數據中心部署的光纖互聯的形態是采用可插拔的光模塊的形式，交換芯片的I/O由高速差分線連接到面板，然后在面板的位置由光模塊進行光電/電光的轉換。但是隨著交換容量的增加和 Serdes 速率的提升，交換芯片和面板之間的電信號連接使得信號完整性的保持變得十分困難，交換機印刷電路板的 RF設計面臨

4、很大的挑戰。光電混合封裝技術的發展就是為了解決這最后半英尺的高速信號連接問題，將光電/電光轉換單元與 ASIC 芯片封裝在一起，縮小差分傳輸線的連接距離，盡可能減小高速信號在傳輸過程中的損耗，保證數據信號傳輸質量。光電混合封裝技術白皮書結合數據中心網絡的應用需求和光電芯片技術的發展趨勢，對光電混合封裝技術的發展狀況進行系統研究和整理。聯合數據中心用戶和產業鏈上下游供應商，梳理了光電混合封裝的基本架構、技術規格以及應用形式，希望能做為從業人員的技術參考，讓大家對這一熱門技術領域的發展狀況和應用前景有一個比較全面的認識和判斷。IV光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D縮略語縮略語AI

5、:Artificial IntelligenceASIC:Application Specific Integrated CircuitCAUI-4:100 Gb/s four-laneAttachment Unit InterfaceCMIS:Common Management Interface SpecificationCMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor,Acommon silicon ASICfabrication processDSP:Digital Signal ProcessingELS:External Laser Sour

6、ce used as a CW light source for the co-packaged opticalmoduleIEEE:Institute of Electrical and Electronics EngineersI/O:Input/Output driver.The output driver on the switch or processor hostASICMCU:Microcontroller UnitMSA:Multi Source AgreementMUX:MultiplexerNRZ:No Return to ZeroOSFP:Octal Small Form

7、 Factor PluggablePAM:PulseAmplitude ModulationPCB:Printed Circuit BoardQSFP-DD:Quad Small Form-factor Pluggable Double Density used for 400GERF:Radio FrequencySerdes:SERializer/DESerializerSPI:Serial Peripheral InterfaceTEC:Thermal Electric CoolerV光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300DTIA:Trans-impedanceAmplifi

8、erVCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser400GAUI-8:400 Gbps eight-laneAttachment Unit Interface400G DR4:400GE optical standard utilizing ribbon fiber with 4x100Gbps transmitand 4x100Gbps receive lanes/fibers,1310nm is used for all lanes400G FR4:400GE optical standard utilizing 4 wavelengths on

9、a 1310nm CWDMgrid with each wavelength transmitting 100Gbps using 56Gbps PAM4 modulationVI光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D目錄目錄版權聲明.I編制說明.II前言.III縮略語.IV一、技術背景.1（一）數據中心內光互聯概覽.1（二）光電混合封裝技術的由來.4二、光電混合封裝系統硬件架構.6（一）基本框架.6（二）外置光源與內置光源.7三、光引擎.9（一）功能構成.10（二）光學特性.111 200GBASE-DR4 工作模式下的光學特性.112 200GBASE-FR4 工作模式下的光

10、學特性.133 400GBASE-DR4 工作模式下的光學特性.164 400GBASE-FR4 工作模式下的光學特性.18（三）電氣特性.19（四）管理接口.21（五）工作條件.21四、外置激光器 ELS.22VII光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D（一）基本結構.22（二）光學特性.23（三）封裝形式.25（四）工作條件.27五、結束語.27六、參考文獻.281光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D一、一、技術背景技術背景（一）（一）數據中心內光互聯概覽數據中心內光互聯概覽在帶寬密集型應用業務、人工智能和高性能計算的驅動下，云計算數據中心的數量和規模持續擴張

11、，數據中心網絡對交換容量、連接帶寬、集群規模的追求永無止境。云計算數據中心的流量以東西向為主，也就是說數據業務的傳輸主要發生在數據中心內部，這就使得網絡節點之間存在著大量的高速的物理線路連接。隨著連接速度的提高和傳輸距離的擴大，光纖通信技術在數據中心網絡中發越來越重要的作用。一直以來，光模塊作為可插拔的獨立的光信號收發單元承擔著數據業務光電/電光的轉換。光模塊多源協議（MSA）和電氣與電子工程師協會（IEEE）等標準組織定義了種類繁多的光互聯類型，以覆蓋不同的應用場景。表 1 中為當前數據中心中正在大量部署的光模塊類型。標準化的電接口、光接口以及管理接口，保證光模塊與設備之間，以及光模塊與光模

12、塊之間的兼容匹配。表 1 數據中心光模塊類型BandwidthBandwidthModuleModuleTypeTypeDistanceDistanceFiberFibertypetypeOpticalOpticalInterfaceInterfaceElectricalElectricalInterfaceInterfaceStandardStandard100GbpsNRZSFP2825GBASE-SR30mAOC25GNRZ850nm25GAUIIEEE802.3bm100GbpsNRZQSFP28100GBASE-SR4100m8coreMMFParallel425GNRZ850nmV

13、CSELCAUI-4IEEE802.3bmQSFP28100GBASE-CWDM42km2coreSMFduplex425GNRZ CWDM4Multi-SourceAgreementQSFP28100GBASE-LR410km2coreSMFduplex425GNRZ LWDM4IEEE802.3ba2光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D100GbpsPAM41QSFP56200GBASE-SR42QSFP56100GBASE-SR230mY-Cable450GPAM4850nmVCSEL250GPAM4850nmVCSEL200GAUI-4100GAUI-2IEEE802.

14、3cdDSFP100GBASE-SR230mAOC250GPAM4850nmVCSEL100GAUI-2Multi-SourceAgreementQSFP28100GBASE-DR1/FR1500m/2km2coreSMFduplex1x100GPAM4O-bandCAUI-4Multi-SourceAgreement200GbpsQSFP56200GBASE-SR4100m8coreMMFParallel450GPAM4850nmVCSEL200GAUI-4IEEE802.3cdQSFP56200GBASE-FR42km2coreSMFduplex450GPAM4 CWDMIEEE802.3

15、cn400GbpsQSFP-DD400GBASE-SR8100m(OM4)16coreMMFParallelAPC850GPAM4850nmVCSEL400GAUI-8IEEEP802.3cmQSFP-DD400GBASE-DR4500m8coreMMFParallel4 100GPAM41310nmIEEE802.3bsQSFP-DD400GBASE-FR42km2coreSMFduplex4 100GPAM4 CWDMIEEE802.3cuCFP2 DCO120km2coreSMFduplex16QAM64GbaudCoherent400GAUI-8OIFCFP2DCOQSFPDD ZR1

16、20km2coreSMFduplex16QAM64GbaudCoherent400GAUI-8OIF/IEEE802.3cw400GbpsCoherentCFP2 DCO120km2coreSMFduplex16QAM64Gbaud400GAUI-8OIFCFP2DCOQSFPDD ZR120km2coreSMFduplex16QAM64Gbaud400GAUI-8OIF/IEEE802.3cw3光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D光互聯技術形態的演進，主要的驅動力來自于網絡設備的 Serdes 帶寬和交換容量的不斷提升。Serdes 是 ASIC 芯片與外界進行數據信號交換的

17、基本單元，光端口的吞吐帶寬為 Serdes 帶寬的整數倍。比如 100G CAUI4 端口包含了 4 個25G NRZ Serdes，400G AUI8 端口包含了 8 個 56G PAM4 Serdes。網絡設備的交換容量提升需要相應增加單端口的連接帶寬，以保證端口數量在面板容納能力以內。Serdes 速率決定了光模塊電口的形態和規格，連接距離和端口帶寬決定了光模塊光口形態和規格。如圖 1 所示，網絡設備 Serdes 速率從 10G/25G NRZ發展到 56G/112G PAM4，未來還會有 224G PAM4。OIF-CEI 制定了不同速率下的信號完整性規格，以滿足物理層鏈路上模塊、線

18、纜與設備之間的連通性和兼容性。圖 1數據中心網絡設備Serdes速率發展路徑可插拔式的光互聯需要先將 ASIC 芯片的高速 I/O 連接到面板上，一般采用PCB 高速差分線作為傳輸介質。高速電信號在 PCB 上傳輸的過程中受介質損耗和趨膚效應的影響，傳輸的距離越長，數據速率越高，信號質量劣化現象越嚴重。一般認為，當 serdes 傳輸速率發展到 112G 的時候，雖然通過對傳輸介質優化和信號完整性的補償，也能實現 ASIC 芯片到面板的電連接，但是在單芯片交換容量達到 51.2T 及以上的時候，高密度的 ASIC 到面板的電連接將使得 PCBlayout 設計變得十分具有挑戰性。4光電混合封裝

19、技術白皮書ODCC-2022-0300D（二）（二）光電混合封裝技術的由來光電混合封裝技術的由來光通信業界普遍認為光電混合封裝是下一代光互聯的重要解決方案。由于材料特性、信號完整性和集成度的限制，決定了可插拔光模塊將在 1.6T 之后達到技術瓶頸，傳統的可插拔光學器件和板端信號補償技術在成本和功耗方面將很難趕上光電混合封裝系統。目前光電混合封裝有兩大技術分支：一是基于垂直腔面發射激光器（VCSEL）技術，主要針對超性能計算及 AI 機群的短距離高密度背板連接；二是基于硅基光子技術，主要解決大型數據中心機架及機群之間光互聯的應用。在本文中，僅結合數據中心網絡的需求和發展情況，探索光電混合封裝技術

20、的發展現狀以及未來的應用前景。圖 2 光電子技術發展方向光電子技術的發展的主題一直都是高速，低功耗，低成本。這三點推動光電子器件向著集成化的方向發展，從最初的分離器件發展到收發模組，再到單片集成。硅基光子學是實現光子集成的最優的選擇。業界期望光電子技術的發展歷程是跟微電子一樣的，從分立器件，到小型模組/模塊化，最終希望能實現5光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D大規模的單片集成。但是光電子器件受工藝和材料技術的限制，目前大量商用的光電子器件還是處于第二三個階段。而微電子我們知道已經早早進入大規模集成階段，CMOS 工藝制程已經進入 7nm 時代，5nm/3nm 的制程也在開發中

21、，集成電路的規模按照摩爾定律向前發展。為了實現光通信回路的大規模集成，首先想到的就是去借鑒微電子集成的發展經驗，硅基微電子集成無論是工藝制程還是產業生態已經積累了大量成熟的經驗，從而催生了硅基光子技術的出現和發展。光電混合封裝需要光電器件的高度集成，是硅基光子技術最理想的應用場景。光電混合封裝技術給數據網絡系統帶來的好處主要有三個方面，首先是信號完整性，因為把光收發器件和 ASIC 芯片封裝在一起，電信號的傳輸距離得到了極大的縮小，電信號所需要的補償也就相應的大大減小，這樣不但提高了信號傳輸質量，同時也使得真個 PCB 版的信號走線布局更為靈活；第二方面是高集成度，剛才提到現在單芯片的交換帶寬

22、已經來到 25.6T 和 51.2T，這就對設備的尺寸和集成度提出了要求。光電混合封裝意味著直接將光信號從合封芯片引到面板上，也就是面板上直接是小尺寸的光連接器，這樣能有效提高設備面板的連接密度；第三方面是成本上的節約，如果采用成熟的 CMOS 工藝實現光學器件的大規模集成，將為我們帶來可觀的成本節約。而且短的高速電傳輸總線在減小信號衰減的同時，也能降低補償信號完整性所需要的功耗。圖 3 光電混合封裝產業鏈6光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D光電混合封裝技術經過十幾年發展已經形成了完整的產業鏈體系，一些公司已經推出了明確的產業化路標。正在積極開發光電混合封裝技術和產品的公司包

23、括了 ASIC 芯片公司、通信設備公司，也包括了傳統的光電芯片/模組公司。近年來，關于硅基光子技術和光電混合封裝的收購與整合的從未停歇：網絡設備商思科先后收購了硅光公司 Lightwire、Luxtera、Acacia，華為收購了比利時硅光子公司 Caliopa，Intel 收購交換芯片公司 Barefoot，Ciena 收購TeraXion 磷化銦和硅光子資產，Juniper 收購了 Aurrion，諾基亞收購了硅基光子公司 Elenion，這些并購案總價值達 50 億美金。所有這些收購都瞄準了光電混合集成的路線，一方面顯示市場對這一技術方向的看好，另一方面也預示著光電混合封裝產品離實際部署

24、越來越近。作為當前光電通信領域最熱門的技術方向，光電混合封裝的實現方式和架構形態比較多，而且處于不斷的更新更迭中。我們這個項目選取在大規模數據中心最具有實踐價值的技術方向，對光電混合封裝技術的發展狀況進行系統研究和整理。第一階段的內容包括光電混合封裝系統的硬件架構，光引擎，外置光源。二、二、光電混合封裝系統硬件架構光電混合封裝系統硬件架構（一）（一）基本框架基本框架光電混合封裝的基本構成包括 ASIC 芯片、光引擎、襯底及散熱機構。圖2.1 是一種典型的光電混合封裝的實現形式，僅用于說明光電混合封裝的基本構成，不代表本文對這種特定的封裝形式有傾向性。實際設計中不同的廠家的封裝形式都有自己的特點

25、，取決于 ASIC 的特性以及光電集成工藝路線。7光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D圖 4 光電混合封裝功能框圖從圖 4 可以看，電芯片和光組件通過管腳固定在同一襯底上，固定的方式可以是管腳插座（socket）也可以是回流焊。ASIC 負責數據的處理和轉發，光引擎負責光電/電光信號轉換，ASIC 芯片和光引擎之間通過高速差分線連接。光引擎為基本光信號收發單元，一個光電混合封裝系統中可以包含多個光引擎，光引擎數量取決于 ASIC 芯片的 I/O 容量。光引擎的光接口通過光纖跳線連接到網絡設備面板。整個封裝組件還應該有合適的散熱機構，對 ASIC 和光引擎工作時的溫度進行管理。（

26、二）（二）外置光源與內置光源外置光源與內置光源按光源的放置方式區分，光電混合封裝的架構可以分為兩個大類，外置激光器光源和內置激光器光源。硅基光子技術可以實現光調制器和光波導的大規模集成，但是由于硅為間接帶隙半導體材料，很難作為光源材料直接發光，所以在硅基光子系統中還需要借助三五族磷化銦材料來提供連續的激光光源。在光電混合封裝系統中，如果將光源激光器作為獨立單元放置在網絡設備面板上，將其稱之為外置激光器光源（ELS）；如果將光源激光器通過異質集成的方式與光調制器放置在一起，將其稱之為內置激光器光源。8光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D圖 5外置光源的光電混合封裝系統從目前的產業

27、界狀況來看，外置激光光源是主流。大功率的外置激光器，通過分光器同時為多個光調制器提供連續種子光源。光引擎中只包括了光調制器和接收器的陣列。這樣做的好處首先是將最容易發生故障的激光器放置在混合封裝以外，做到可替換可維護，其次是分散熱源，減輕核心芯片組的散熱壓力。獨立外置光源使得整個系統的布局和散熱設計變得更加靈活，同時也讓運行過程中的維護變得更加便捷。外置光源的封裝形式和性能將在第 4 章節詳細討論。9光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D圖 6 內置光源的光電混合封裝系統內置式光源在同一芯片襯底上制作光源與調制器，光學部分作為整體封裝在一起。有些廠家具備三五族半導體材料的硅基集成

28、能力，可以在硅基材料上用異質外延的方式構造三五族激光器結構，這種形式對工藝和封裝都有很大的挑戰。通常情況下，基于化合物半導體材料的激光器芯片是光通信系統中可靠性最低的器件之一。光源和調制器的單片集成會帶來可靠性和散熱問題，高密度的光源集成封裝在一起勢必成為整個系統的高風險因素，需要光路上有備份光源設計。內置光源的優勢也比較明顯，高度集成的光學組件將會使得網絡設備的構造更為簡潔。三、三、光引擎光引擎本章節將介紹光引擎的基本構成和功能特性。結合當前集成光子技術的狀況和 ASIC 交換芯片的發展情況，3.2Tbps 光引擎是最接近數據中心應用的形態。所以本文將著重介紹 3.2Tbps 光引擎的實現形

29、式、光/電指標以及工作條件。10光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D（一）（一）功能構成功能構成在光電混合封裝系統中，光引擎負責光電/電光的轉換，并對信號進行再生和補償。如圖 7 所示，光引擎包括數字信號處理單元 DSP，光調制器，光接收器，調制驅動器以及跨阻放大器 TIA。3.2Tbps 光引擎由 8 組 400GBASE 光收發單元構成，可以有兩種實現方式：一種是基于 400GBASE-DR4，需要 32 組 Tx/Rx光纖跳線；另一種基于 400GBASE-FR4，使用 CWDM 合/分波器將 4 個波長合到單根光纖上傳輸，因此只需要 8 組 Tx/Rx 光纖跳線。圖 7

30、 3.2Tbps光引擎功能框圖光引擎的電氣端提供 OIF-CEI-112G XSR 接口與 ASIC 相連，并提供管理和控制接口。電路側支持 32 路 112G PAM4 收發電信號的連接。光線路側可以對外提供 8 路 400GBASE-SR4 或 400GBASE-FR4 的光信號連接。作為可選項，3.2Tbps 光引擎的基本單元 400GBASE 也可以向下降速到200GBASE 使用。當工作在 200GBASE 模式時，光引擎的電路測支持 32 路 56GPAM4 收發電信號的連接。光線路側可以對外提供 8 路 200GBASE-SR4 或200GBASE-FR4 的光信號連接。光引擎的

31、整體工作帶寬變成 1.6Tbps。11光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D（二）（二）光學特性光學特性光引擎光接口的性能指標遵循 IEEE802.3 中對 200GBASE 及 400GBASE 的定義，這樣既能復用現有 200G/400G 可插拔光模塊的標準規范和技術生態，也能實現與傳統可插拔光接口的兼容互通。1 1200GBASE-DR4200GBASE-DR4 工作模式下的光學特性工作模式下的光學特性表 2 200GBASE-DR4發射端光學指標12光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D表 3 200GBASE-DR4接收端光學指標13光電混合封裝技術白皮書

32、ODCC-2022-0300D2 2200GBASE-FR4200GBASE-FR4 工作模式下的光學特性工作模式下的光學特性表 4 200GBASE-FR4發射端光學指標14光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D表 5 200GBASE-FR4接收端光學指標15光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D16光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D3 3400GBASE-DR4400GBASE-DR4 工作模式下的光學特性工作模式下的光學特性表 6 400GBASE-DR4發射端光學指標17光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D表 7 400G

33、BASE-DR4接收端光學指標18光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D4 4400GBASE-FR4400GBASE-FR4 工作模式下的光學特性工作模式下的光學特性表 8 400GBASE-FR4發射端光學指標19光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D表 9 400GBASE-FR4接收端光學指標（三）（三）電氣特性電氣特性圖 8 電氣接口參考模型目前主流的技術方案中，光引擎的電信號接口遵從 CEI-112G-XSR-PAM4 標準。光電混合封裝的應用場景更接近 CEI 中定義的應用模型 C，如圖 8 所示。20光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300

34、D電信號的傳輸路徑從 ASIC bump 點到光引擎 bump 點，包括襯底中的高速信號走線和連接器。信號通道中對收發信號的基本要求見表 10。表 10 電接口基本參數要求21光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D（四）（四）管理接口管理接口管理接口同樣采用目前 400G 可插拔光模塊使用的管理接口標準 CMIS。目前的 CMIS 版本最多支持 16 個通道的管理，而光引擎中的通道數量會超過 16 通道。比如 3.2Tbps 光引擎中有 32 個 100Gbps 通道，此時需要將同一引擎的管理接口拆分為兩個或多個。當然，現在 CMIS 也有提案去擴展通道數以滿足光電混合封裝系統的

35、應用需求?？刹灏喂饽K的管理總線通常采用 I2C 通信，但是對于高密度多通道的光引擎，I2C 的通信速率不再滿足要求。因此現有的光電混合封裝系統多數采用時鐘頻率更高的 SPI 作為光引擎的低速通信總線。圖 9 CMIS管理接口寄存器表（五）（五）工作條件工作條件因為是使用在數據中心內，光引擎的工作條件與板載芯片類似。使用外置激光器和內置激光器時，對溫度和功耗的要求會有區別。具體見表 10。22光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D圖 10 光引擎工作條件四、四、外置激光器外置激光器 ELSELS2.2 小節中介紹了光電混合封裝系統可以采用外置激光器光源的形式，為光引擎提供連續光源

36、。外置光源隔離半導體激光器帶來的散熱及可靠性風險，而且標準化的外置光源模塊設計可以覆蓋不同光電混合封裝系統的應用。因此外置光源模塊是目前大多數廠家采用的方案。本章將對外置激光器的結構、封裝形式和性能進行介紹。（一）（一）基本結構基本結構外置激光器模塊輸出穩定的直流光，為了滿足同時給多個激光器提供光源，需要使用大功率的半導體激光器。根據整個模塊的散熱情況，可以選用 TEC 對激光器工作溫度進行控制。為了保持輸出光功率的穩定，通常還會采用負反饋的自動功率控制電路，同時對光功率和激光器偏置電流進行實時監測。MCU 負責整個模塊的控制和監控，以及向外為主機提供管理總線和低速信號管腳。一23光電混合封裝

37、技術白皮書ODCC-2022-0300D個外置激光器模塊中可以包含多個半導體激光器管芯，這些激光器都可以獨立驅動和控制，在某些應用場景下部分管芯可以單獨關閉以降低功耗。圖 11 外置激光器模塊功能框圖（二）（二）光學特性光學特性外置激光器輸出的連續光通過保偏光纖連接到光引擎，然后分光器將連續光源分給多個光調制器。圖 12 為使用 400GBASE-DR4 單元時的外置激光器連接關系示例。每個外置激光器模塊包含兩個獨立的相同波長的激光器，每個激光器同時給 16 個 100Gbps 調制器提供光源。一個 3.2Tbps 光引擎需要一個外置激光器模塊。表 11 為 DR4 模式下光源的光學特性。圖

38、12 400GBASE-DR4模式的外置激光器示例24光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D表 11 DR4模式下的外置激光器光學特性圖 13 為使用 400GBASE-FR4 單元時的外置激光器連接關系示例。此時需要四種波長的激光器，每個激光器為 8 個 100Gbps 調制通道提供光源。調制后再將 4 個波長用合波器（MUX）混合到一根單模光纖中。表 12 為 FR4 模式下光源的光學特性。圖 13 400GBASE-FR4模式的外置激光器示例25光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D表 12 FR4模式下的外置激光器光學特性為了降低激光器的使用數量，需要提高單

39、個激光器的輸出光功率，同時也要避免光功率過高導致的非線性效應，輸出光功率一般為+23dBm 到+27dBm 之間。同時高功率激光器需要考慮使用中的人眼安全。比如使用光電同口的設計或者在光口上設計連接器在位傳感器。（三）（三）封裝形式封裝形式外置激光器模塊目前主流的封裝形式有兩種。第一種是采用已有的光模塊封裝形式，包括 QSFP-DD 和 OSFP 封裝。如圖 14 所示，因為傳統的光模塊封裝的光口是朝外設置，需要在網絡設備機箱外將輸出光引回機箱內部。QSFP-DD和 OSFP 封裝已經有較為完善的 MSA 標準約束，而且已經在通信光模塊中大量使用，產業鏈和設計都比較成熟。由于輸出光功率較高，朝

40、外的光口需要采用人眼安全保護設計。26光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D圖 14 采用現有可插拔封裝形式的外置激光器第二種封裝是采用光電同口的專門為外置激光器模塊設計的封裝形式。如15 所示，光口和電口都朝向網絡設備盒體內部。這樣在將模塊插入網絡設備面板時，電氣接口與光接口同時對接，避免了人眼安全的風險。而且因為光口朝內，更便于設備盒內的光纖線路連接。圖 15 光電同口封裝示例27光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D（四）（四）工作條件工作條件表 13 外置激光器模塊工作條件五、五、結束語結束語光電混合封裝是未來 ASIC 芯片與設備面板之間高速信號連接的最終

41、解決方案，但是真正投入實際使用之前還需要解決四個問題：1.管理和維護。光電混合封裝系統是高度集成的，在出現異常時需要有充分的診斷信息去幫助故障定位。而且由于核心部件都位于設備機箱內，運行維護過程中是否能做到部分替換以免影響整機業務將直接影響整個網絡的可維護性。2.可靠性。與可插拔光模塊相比，光電混合封裝的物理維護天生就比較困難，而且單體承載的通信容量更高。這就需要光電混合封裝的可靠性至少要比可插拔光模塊高一個數量級，才能保證系統的穩定性。3.標準化。首先是應用對標準化的需求，實際部署的數據中心網絡是一個復雜的組合體，需要系統的每一個組成部分都遵從標準和規范，以保證兼容性和擴展性。其次，標準化也

42、有助于產業生態鏈的建設和成熟。28光電混合封裝技術白皮書ODCC-2022-0300D4.降低成本，包括硬件成本，運營維護成本，功耗成本。無論是可插拔還是混合封裝的形式，光互聯對于網絡來說就是一個數據連接的管道，在保證性能的前提下，真正能帶來高性價比的技術方案才能最終贏得市場。光電混合封裝技術將給數據中心網絡帶來革命性的改變，從網絡拓撲，管理監控，建設運維，到能耗管理，都將會與當前部署的網絡產生較大區別。希望在產業鏈上下游的共同努力下，能克服技術和應用模式上的挑戰，早日在數據中心網絡中投入實際部署。由于水平有限，本文中出現的遺漏和錯誤之處，希望業界同仁不吝賜教。六、六、參考文獻參考文獻1.IE

43、EE 802.3bs,Media Access Control Parameters,Physical Layers,and Management Parameters for 200 Gb/s and 400 Gb/s Operation2.IEEE 802.3cn,Physical Layers and Management Parameters for 50Gb/s,200Gb/s,and 400Gb/s Operation over Single-Mode Fiber3.IEEE 802.3cu,Physical Layers and Management Parameters for

44、 100Gb/s and 400 Gb/s Operation over Single-Mode Fiber at 100 Gb/s perWavelength4.OIF Co Packaging FD v1.05.JDF 3.2Tbps Copackaged Optics Module PRD v1.06.ELS Guidance Doc v1.07.CEI-112G-XSR-PAM4,Common Electrical Interface specificationoperating at a serial datarate of 112Gb/s over short reachescommon in multi-chip modules8.CMIS revision 4.0 Common Management Interface specification9.IEC 60825-1,Edition 3.0 Safety of laser products-Part 1:Equipment classification and requirements10.Telcordia GR-468 CORE