光芯片，空前重要

上個月我們討論了五年內數據中心的所有互連都將採用光纖，但這只是故事的一部分。每一種光纖互連都需要激光器。

激光器提供載波，該載波經發射光引擎調製和處理后，通過光纖和連接器傳輸至接收光引擎。激光束經過的每一根光纖、連接器和每一個光子器件都會造成一定的信號損耗。

鏈路預算是指在保證接收端激光功率充足的情況下，可以容忍的信號損耗量。鏈路預算越低，意味着功率越低、成本越低、誤碼率越低。

激光器在短短60年間發展成為年產值達200億美元的產業。

激光器是由通用電氣、IBM和麻省理工學院林肯實驗室在60年前獨立發明的。其基本原理很簡單：空穴和光子結合即可釋放光，正向偏置的PN結將大量的空穴和光子聚集在一起，反射器則提供光放大並形成聚焦光束。如今的激光器雖然仍基於這一原理，但結構要複雜得多。

激光技術已在電信領域應用了 30 年，用於跨洋互聯網、跨大陸互聯網，以及最近的「光纖到户」互聯網。

在數據傳輸中，激光器作為光介質提供通信。最基本的方法使用單波長激光器。增加波長會增加成本和複雜性，但也能提供更大的帶寬。每個激光器都通過電接口進行調製以傳輸數據。調製方式可以是振幅調製、頻率調製、相位調製或偏振調製。

三十多年前，激光器開始應用於數據中心，當時出現了可插拔收發器，它將電信號轉換為光信號，並通過光纖等激光介質傳輸，數據速率也隨之穩步提升。如今，幾乎所有橫向擴展的數據都使用激光驅動的可插拔收發器進行傳輸。這種可插拔設計使得激光器故障能夠以低成本快速修復。

激光器目前正在開發和初步部署中，採用共封裝光學器件 (CPO)，用光纖代替銅線以實現規模化。

這是一個龐大的產業，而且發展迅猛。2024年，全球激光技術市場規模超過200億美元，預計到2030年將超過300億美元。激光市場的快速增長主要歸功於人工智能數據中心，它們目前已佔據超過一半的市場份額，並且到2030年，其份額還將大幅增長。考慮到人工智能數據中心資本支出的快速增長以及未來五年內從銅纜到光纖的快速轉型，到2030年，該市場規模很可能遠超300億美元。

用於大規模互連的激光器

種類繁多，但即將主導高速人工智能數據中心互連的是磷化銦 (InP) 激光器，特別是連續波 (CW) 超高功率 (UHP) 激光器，它是一種分佈式反饋 (DFB) 激光器。DFB 激光器具有橫向周期性光柵結構，該結構構成激光器的諧振腔。採用 InP 外延材料的 DFB 激光器可產生 O 波段波長。垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 具有垂直腔結構，並使用 GaAs 外延材料產生 700 至 900nm 波長的光。

三大激光器供應商分別是Coherent、Lumentum和Sumitomo，三者合計佔據68%的市場份額。但該領域競爭激烈，其他供應商還包括博通公司（Broadcom）、三菱公司（Mitsubishi）、MACOM公司、Applied Opto公司和Landmark公司。

三大芯片製造商各自在多地擁有自己的生產基地，但 Lumentum 和 Coherent 的產能均已售罄，需要預付現金才能獲得產能。它們的市值均超過 600 億美元，是去年同期的 10 倍。

今年3月，英偉達宣佈分別向Lumentum和Coherent投資20億美元，以確保供應鏈產能。此事發生在英偉達GTC大會前不久，會上，首席產品官黃仁勛公佈了英偉達2028年產品路線圖。

在3月份的OFC簡報會上，Lumentum展示了其InP產能的快速增長，但增長速度仍然不足以滿足市場需求。（請注意，圖2中的芯片照片是InP連續波超高純激光器芯片）。

在OFC展會上，Coherent公司也舉行了投資者簡報會，展示了其InP產能將在2026年翻一番，並在2027年翻一番以上，此后還將持續增長。值得注意的是，Coherent是首家採用6英寸晶圓生產InP器件的公司。

推動這一需求爆發的主要因素是人工智能數據中心資本支出的快速增長，以及未來五年內互連技術從全銅互連轉向以 CPO 為主，輔以一些 NPO（近封裝光器件），這是銅互連和 CPO 之間的中間步驟，以及一些用於慢速和寬配置的 VCSEL。

激光器的功率通常以毫瓦 (mW) 為單位，但有時也以 dBm 為單位，dBm 是一個對數刻度：

0 dBm = 1mW；

10 dBm = 10mW；

20 dBm = 100mW；

30 dBm = 1W。

InP 連續波超高功率激光器的功率通常為 300 至 400 mW，有些甚至可達 600 mW。從事 CMOS FinFET 芯片設計的人可能會覺得，超高功率竟然只有 300 至 600 mW 有點奇怪。但從激光器的角度來看，這已經算是高功率了，因為幾年前 50 mW 以下的功率還很常見。帶寬的快速提升是帶寬本身增長以及一臺激光器即可驅動 4 根、8 根甚至 16 根光纖共同作用的結果。

InP激光器的額定功率是指激光輸出功率。散熱量是其3到4倍。

目前，InP 連續波超高純激光器主要採用 1310nm 波長。該波長位於 O 波段的中間位置，O 波段屬於紅外波段，波長範圍為 1260nm 至 1360nm。選擇 O 波段進行 CPO 的原因在於其色散最低——不同波長的光傳播速度略有不同，導致光脈衝在傳播過程中發生時間展寬——並且每米信號損耗也相對較低。

利用InP材料，可以製造出其他頻率、具有窄帶分佈的連續波超高純（UHP）激光器。實現這一目標的方法有很多。在製造過程中，可以通過控制外延生長或在晶圓生產完成后使用電子束光刻技術逐芯片修改，來區分不同DFB光柵設計的掩模。波長越多、排列越緊密，激光器的製造就越複雜。InP激光器的波長間隔可以小至1.5nm，因此在未來，許多波長都可以容納在100nm寬的O波段內。在運行過程中，激光器的頻率還可以進一步調節。改變温度會改變頻率，改變輸入功率也會改變頻率。

對於CPO而言，爲了提高可靠性和可更換性，以及避免激光器對熱的敏感性，通常會將激光器與GPU/XPU封裝分開。爲了維持特定的頻率，激光器的温度必須控制在很窄的範圍內，而使用外部激光器比將激光器封裝在1000瓦以上的GPU中要容易得多。外部激光器通常與熱電冷卻裝置（TEC）配合使用，該裝置可將激光器結温控制在非常窄的範圍內：±20℃。Lumentum、Coherent等公司生產TEC。

ELSFP：

外部激光器，小型化，可插拔，便於擴展

InP激光器的實際芯片尺寸非常小。雖然每種InP激光器都不盡相同，但它們通常不會輸出圓形光束。例如，在一種InP激光器中，激光輸出來自水平狹縫，因此光束呈橢圓形，寬度約為高度的2到3倍。光纖是圓形的。如果將激光直接照射到光纖上，至少有2/3的功率會損失（此外還有其他問題）。

我們需要的是一條光路。如上圖所示，激光束首先經過一個準直透鏡，將非圓形光束調整為圓形。接下來，光束穿過一個隔離器，防止光線反射回激光器。該隔離器由釔鐵石榴石製成，具有磁光特性。當對磁體施加電壓時，磁體可以控制偏振，從而阻止光線反射回激光器。（Coherent聲稱目前市面上大部分隔離器都是由該公司生產的。）然后，第二個透鏡將光線聚焦到一根光纖中。這根光纖被切割成一定角度，以最大程度地提高進入光纖的光量，並確保光線以最佳角度入射。

由於ELSFP結構複雜，客户通常會根據自身需求購買相應的組件。ELSFP本身結構複雜，包含微控制器和數十個其他元件。Coherent公司聲稱是唯一一家能夠生產ELSFP所有組件的供應商。由於額外的元件以及內部光路損耗，ELSFP的電源轉換效率僅為10%至15%。也就是説，只有10%至15%的電源功率轉化為光能，其余部分則轉化為熱量。

下圖所示為Coherent的ELS（外部激光源）。與目前所有ELSFP一樣，它採用可插拔設計。

用於大規模 CWDM 和 DWDM 的激光器

CWDM = 粗波分複用。

DWDM = 密集波分複用。

最初，用於CPO的激光器採用1310nm波長：單一波長。這種波長可以傳輸巨大的帶寬。但帶寬越大越好。光纖可以雙向傳輸多個波長。限制因素是O波段的帶寬（1260nm至1360nm，帶寬為100nm）以及激光器調諧和中心定位的精度，以避免波長重疊（隨着時間的推移，精度從2nm提高到1nm）。擁有更多波長可以提高帶寬，但也會增加複雜性和成本。

最近發佈的OCI-MSA（光計算機互連多源協議）是由AMD、博通、Meta、微軟、英偉達和OpenAI共同發佈的。它是一種開放的、可互操作的光互連規範，旨在促進人工智能規模化發展。該協議提議使用8個波長，每個方向4個。

其中一組密度較高，中心波長約為 1311 nm，間距約為 2.3 nm；另一組密度較高，中心波長約為 1331 nm。具體的間距單位為 GHz，並隨波長略有變化。每個波長的最小值和最大值之間的偏差可達 ±0.2 nm。因此，即使分佈密集，每個波長之間也存在明顯的間隔。

要構建一個 ELSFP，需要 8 個 InP 激光器，每個激光器都調諧到特定的波長。

InP的波長漂移為0.1nm/°C，這看似很小，但超過20°C后，漂移量可達2nm——如果相鄰激光器的工作温度差異較大，則可能超過相鄰波長之間的間隔，從而導致串擾。為避免這種情況，ELSFP中的所有激光器都與同一個TEC相連，該TEC將温度控制在20°C以內，使所有激光器的工作温度大致相同。通過微調工作功率，可以進一步調節激光器的頻率。

在光纖通信大會（OFC）上，Lumentum公司展示了16個DWDM信道，信道間隔為200 GHz，中心波長為1310nm。這還不是產品，只是能力展示。

這並非首次。在去年的OFC 2025上，Ayar Labs展示了一款中心波長為1300nm、間隔為200GHz的16λ激光器。

在OFC展會上，Scintil Photonics公司展示了一種有趣的、密度更高的DWDM激光器構建方法，可用於8通道或16通道、通道間隔為100GHz的激光器。該公司將InP芯片組裝在硅光子芯片上，利用硅光子芯片更精確地控制波長。這種方法可能會犧牲一些效率和輸出功率。但如果目標是實現精確的波長控制，這可能是一個理想的解決方案。Scintil公司目前正在申請2027年的小批量生產資格。

激光器和 CPO 端到端鏈路預算

為什麼 CPO 激光器需要 400mW 或更高？這是因為激光器在 8 到 16 個鏈路之間共享，ELSFP 有顯著的內部損耗，並且從 XPU/交換機到交換機/XPU 的端到端鏈路中存在累積損耗。

下個月，我們將更詳細地探討這個問題。損耗發生的環節之多令人驚訝。最大限度地減少端到端鏈路預算是降低激光功率和誤碼率的關鍵。但出於可靠性和靈活性的考慮，需要增加連接，而這些連接會增加損耗。下個月我們將更詳細地討論這些權衡取捨。