光學元件最初只在長距離通訊中占主導地位，但現已廣泛應用於資料中心的短距離通訊，並使用插拔式光學收發器提升機架內與機架間的頻寬密度。為因應這些挑戰，業界正積極投資CPO與OIO，以滿足不斷發展的新興應用和未來高容量的網路需求。 共同封裝光學(CPO)是旨在應對目前資料密集網路中，日益成長的頻寬密度、通訊延遲、銅線傳輸距離和能源效率等挑戰的方案。其藉由將通訊所需的關鍵元素(亦即光學元件與電子元件)更加緊密地結合，來實現這個目的。 目前業界使用的不同術語產生了一些混淆，例如光學輸入/輸出(OIO)與CPO，尤其是近封裝光學(NPO)常被錯標為CPO。筆者在此釐清，CPO的普遍整體趨勢與OIO相同，皆朝向基於小晶片的技術發展，將光學整合到3DIC封裝中。 可插拔光學收發器及後繼裝置 在高解析度影片串流、虛擬實境、物聯網(IoT)、高效能運算(HPC)以及人工智慧與機器學習(AI/ML)所驅動的世界中，對於資料有著永無止盡的需求，使全球的網路和資料中心面臨著對更高頻寬、更低延遲和更低耗電量的更高需求。 光學元件最初只在長距離通訊中占主導地位，但現已廣泛應用於資料中心的短距離通訊，並使用插拔式光學收發器提升機架內與機架間的頻寬密度。雖然這些收發器已從100G發展到400G、800G和1.6T，但在更高速度下，其耗電量成了不利影響，特別是在AI等資料密集型應用中。此外，「可插拔」的頻寬可擴充性和外型規格，限制未來提升至6.4T和12.8T等容量。 為因應這些挑戰，業界正積極投資CPO與OIO，這表示新一代解決方案即將來臨，以滿足不斷發展的新興應用和未來高容量的網路需求(圖1)。各個聯盟、多供應商協議與標準機構(如電機電子工程師學會(IEEE)和光纖網際網路論壇(OIF))...

光學元件最初只在長距離通訊中占主導地位，但現已廣泛應用於資料中心的短距離通訊，並使用插拔式光學收發器提升機架內與機架間的頻寬密度。為因應這些挑戰，業界正積極投資CPO與OIO，以滿足不斷發展的新興應用和未來高容量的網路需求。 CPO技術挑戰待克服 (承前文)CPO的應用與發展面臨一些挑戰，首先是供應商的束縛。光學元件市場由單一供應商提供交換器和光學元件的情況，意謂著超大規模業者可能會缺乏靈活性與自由度。一旦企業在特定供應商的生態系統中投入大量資金，可能會在轉換另一個供應商產品時面臨困難。這可能會限制大型企業輕鬆切換或升級零件的能力，進而可能導致對供應商的依賴關係和限制性。 可插拔為高度模組化的產品，可在發生故障時迅速更換，或是可以轉換使用不同供應商的產品。在CPO中，更換光學元件涉及拉出整個交換器，需要一定程度的專業知識來執行複雜的任務。為應對可靠度和現場維護挑戰，一些CPO會設計將高風險的主動元件(如雷射)，分解到更易於現場更換的遠端可插拔模組上，或是使用可插拔式光學連接器。 將積體光路(PIC)放置於電封裝中，會增加熱串擾的可能性(圖3)。光晶粒中來自加熱器和雷射源的熱能，會影響封裝的溫度分布。而電晶粒中產生的熱能和整個系統的冷卻機制，也會影響PIC的熱行為。因此，CPO需要從晶粒到系統級的完整熱分析，以順利執行熱管理。 圖3　將積體光路(PIC)放置於電封裝中，會增加熱串擾的可能性 CPO需要對整個系統進行暫態模擬，以確保訊號和電源的完整性。這將需要可以相容的光電路模擬，同時考慮封裝階段引入的不同類型，對於電互連產生額外寄生效應。 針對裸晶邊緣擴充性，因為光纖通常是透過邊緣耦合，CPO和OIO的關鍵指標是晶片邊緣的頻寬密度，而最小光纖間距限制固定的基板大小上的光纖數量。由於波導和光纖尺寸之間的巨大差異，為邊緣耦合架構的扇出，帶來上不可避免的挑戰。想像一下在不破壞基板尺寸的情況下，需要容納數千根光纖的難度。使用V形槽可以垂直定位光纖，幫助晶片在沒有扇出下實現邊緣耦合架構。另外，光柵搭配微透鏡的耦合架構，也是研究中的一種創新解決方案。 將光學訊號從光纖陣列有效耦合到封裝，是一項艱鉅的任務。有幾個考慮因素，例如光纖對準(透過被動或主動對準方法達成)與傾斜、結構與熱管理、製造和維護難易。設計者需要仔細模擬並最佳化其光學耦合設計。最後，低成本和高效益的設計可提升CPO商業成功的機會。特別是在多供應商供應鏈中，穩定一致的品質和有效的測試流程，是持續發展需求和投資的重要課題。 CPO市場趨勢 在半導體市場中，小晶片本質上是小型的獨立晶粒，可被共同封裝作為成單晶片運行，使產業從系統單晶片轉變成單一封裝的晶片系統。小晶片可能在CPO的運用中發揮作用，甚至加速CPO的運用。小晶片方法可將不同的技術和功能混合在一個封裝中。例如，OIO小晶片可以基於較舊的CMOS節點，而ASIC則使用較先進的節點，進而降低成本並提高晶片產量。 透過3DIC技術，半導體產業正在提升晶片整合密度。儘管過去有許多實現CPO的方法，包含將光和電晶片並排放置在低損耗基板上。但3DIC的進步可以實現多晶粒小晶片CPO，透過用低功率和高頻寬的晶片間資料傳輸將OIO與ASIC...