文/Sally Cole Johnson

随着先进半导体封装、光学、光子学与网络技术的不断融合，以满足高性能计算、AI 数据中心以及量子计算的性能需求，将光学功能与电气功能集成到同一个封装内（即光电共封装，copackaged optics，以下简称CPO）已成为一种发展趋势。

为什么选择基于硅光子学的CPO作为解决方案呢？因为该方案能应对带宽密度与能源效率这两大核心挑战。CPO通常包含光电小芯片（chiplet），这些小芯片将CMOS芯片与硅光子芯片集成在一起，外部激光源则通过一个连接到小芯片的光纤来传输信号。

当前，外部激光源与小芯片之间的信号传输，普遍采用保偏光纤（PMF）阵列，以确保硅光子器件的光学性能所需要的稳定偏振态。尽管保偏光纤具备偏振控制能力强等优势，但其对于对准精度的要求极高，这不仅增加了制造复杂性，还大幅拉高了封装成本。

图1：从外部激光源（ELS）模块内的激光二极管（LD）到CPO系统输入端的光路示意图。（图片来源：Mehta/Nvidia）

简化设计：单模光纤阵列方案

在 2025 年 5 月 27 日至 30 日于美国得克萨斯州举办的 IEEE 电子元件与技术会议（ECTC）上，英伟达高级研究科学家Nandish Mehta及其团队，介绍了一种创新的替代方案：用单模光纤（SMF）阵列取代保偏光纤阵列，目标是在不影响系统性能的前提下，降低成本与技术复杂性。

该单模光纤设计中最关键的部分是什么？“如果非常要选一个最关键的部分，那就是两级偏振跟踪电路，”Mehta表示，“本研究的核心结论是：并不需要复杂或奇特的光子电路，只需要一个简单的设计就能省去保偏光纤，并实现封装成本的大幅降低。”

不过，这种新方法也面临挑战。“虽然用单模光纤替代保偏光纤能降低连接器组装的成本，但却会在发射器输入端引入偏振不确定性。”Mehta解释说，“我们通过偏振跟踪光子电路解决了这一问题，但核心难点在于最大限度地降低该电路的功耗开销。此外，单模光纤还需要特定类型的光输入/输出（I/O）接口，这类接口的插入损耗通常高于传统接口，这也会进一步增加光子链路的预算。因此将总开销保持在最低水平至关重要；否则，使用单模光纤所带来的成本与性能优势将被抵消。”

在本次ECTC会议中，Mehta团队分享了测试芯片的实验结果（以验证方案可行性），并详细对比了保偏光纤与单模光纤两种方案的成本-性能表现。

其中一款实验测试芯片“展示了一种光子电路，它是专门针对‘在光发射器输入端用标准单模光纤取代保偏光纤时，所引入的偏振不确定性问题’的。”Mehta说，“通过利用光纤部署所处的受控屏蔽环境，该电路可以将功耗开销降至最低。”

使用高效的热光移相器将进一步降低功耗开销，从而能充分发挥单模光纤的全部优势，包括更低的连接器成本和显著缩短的连接器组装时间。这两大因素都是降低CPO整体成本与生产周期的关键。

Mehta补充道：“目前原型已制备完成，一旦我们完成热光移相器的优化，它就可以投入生产了。”