前所未有的带宽需求，要求通过从根本上重新思考光互连路线图，把光学更靠近硅芯片。

云计算和AI的爆发式增长——从生成式、推理式，到最终的智能体系统——正在带来前所未有的带宽需求，因为数据中心内部和数据中心之间需要传输的数据量持续激增。与此同时，这也暴露出底层互连的限制，这些互连不仅覆盖数据中心网络和机架层面，还深入到服务器内部，延伸至封装和芯片级别，用于连接XPU、内存和其他系统组件。

长期以来，基于铜的电互连因成本低、简单、可靠而一直是行业主力。但如今，它们正越来越接近根本性极限：虽然可以实现高能效的电连接，但通常只适用于非常短的距离（大约毫米级）。在更长距离和更高通道速率下，功耗会急剧上升，热约束会加剧，信号完整性也会下降。换句话说，电I/O正迅速成为下一代AI和机器学习系统扩展的关键障碍。

光互连已成为关键的前进方向。通过用光而不是电信号传输数据，光互连对距离的敏感性要低得多，能够显著提升能效，同时缓解铜互连固有的串扰和热问题。不过，即便是光技术，如今也被推向新的极限——因为行业需要（多）太比特每秒接口、超高能效以及极低的（亚微秒级）时延。

满足这些要求，不能只靠渐进式创新。这需要从根本上重新思考光互连路线图；也就是逐步把光学从前面板推进到封装内部，并最终牢固地集成到晶圆堆栈中。

可插拔光模块（PO）：长期以来、至今仍然活跃的主力方案

二十多年来，可插拔光收发器一直是高速电信和数据通信网络的支柱——从企业工作负载、视频流媒体，到如今的超大规模云基础设施，都离不开它。可插拔模块插入交换机、路由器和服务器上的标准化端口，将主机的电信号转换为用于光纤传输的光信号，并在接收端再转换回来。

它们带来的优势包括：

• 模块化和灵活性——光学部分可以独立于电主机升级。
• 可维护性——可插拔模块支持热插拔，无需系统停机即可更换。
• 多厂商互操作性——通过IEEE 802.3标准，以及QSFP、QSFP-DD和OSFP等被广泛采用的多源协议（MSA）外形规格实现。
• 热稳定性——光引擎位于前面板笼位中，与高功耗ASIC物理隔离；这有助于保护激光器、调制器和光电探测器免受过热影响，从而提升可靠性。

在连续几代产品中，可插拔光收发器通过提高波特率（单条光通道每秒传输的符号数）、采用更高阶调制（如PAM-4），以及增加并行通道数量，已从100/200G扩展到400G和800G。

尽管技术已较成熟，可插拔光模块仍在持续演进。例如，第一代1.6T可插拔收发器——依赖每通道200Gbps的数据速率，并采用八通道并行架构——正接近样品和早期部署阶段，目标应用包括数据中心内的直连（DR）链路，以及通过单模光纤实现的前向覆盖（FR）连接。

关键推动因素是硅光子（SiPho），它通过一系列基于硅的光学和电子构件支撑这种扩展，其中包括Mach-Zehnder调制器。这类器件在保持功耗可控的同时，能够以成本可接受的方式实现每通道200Gbps运行。

展望更远的未来，到本 दशक末，行业正瞄准3.2T可插拔光模块这一里程碑。但要实现这些性能水平，还需要高速电子、封装和热管理的持续进步，以及硅光子工具箱的大幅扩展。以发射端为例，光调制器将需要支持超过100GHz的带宽，同时保持较低插入损耗和较高调制效率——而这些要求正越来越难以仅靠传统硅器件满足。

图1：过去几年里，可插拔光模块在带宽密度和能效方面都实现了数量级提升。来源：imec。

针对这些限制，业界开始关注异质集成更高性能的电光材料，例如铌酸锂（LiNbO₃）和钽酸锂（LiTaO₃）。微转印等技术为将这些材料集成到硅光子平台上提供了有前景的路径。早期结果令人鼓舞，但要把这些方法扩展到大规模量产仍需进一步研究，以便未来的3.2T模块既具备实用性、可靠性，也保持可插拔光模块之所以成为行业主力的成本纪律。

与此同时，其他扩展路径也在探索之中。极致可插拔光模块（XPO）等概念试图通过进一步提高带宽密度，将容量提升到12.8T，但代价是系统复杂度显著上升，并且需要液冷，这至少在目前会影响成本和实际部署。

双重世界首创：通过微转印将LiNbO₃和LiTaO₃集成到SiPho上

随着光互连（需要）突破当前每通道200Gbps的标准，基于GeSi的器件越来越难以同时提供所需的带宽和能效组合。虽然GeSi调制器已在C波段实现每通道400Gbps扩展，但在O波段尚未达到这一水平。为了释放可插拔光互连的下一次性能跃升，研究人员正在探索将先进电光材料——如铌酸锂（LiNbO₃）和钽酸锂（LiTaO₃）——异质集成到硅光子上，从而为新一代高速调制器和光电探测器铺路。

一个很有前景的实现手段是微转印，它能够将薄膜材料精确放置到SiPho晶圆上，而无需传统晶圆键合通常伴随的材料浪费、后键合复杂性和成本。两项世界首创成果展示了其潜力：

首先，imec与根特大学的研究人员展示了一个O波段320Gbps的无放大光链路，传输距离为2公里单模光纤。该成果采用了高带宽100GHz锗光电二极管，结合转印的薄膜铌酸锂Mach-Zehnder调制器（MZM），并将其集成到SiPho平台上，同时与定制的行波驱动器和TIA共封装。这项工作标志着首次通过微转印将LiNbO₃调制器无缝集成到硅光子平台上。

图2：首次通过微转印将LiNbO₃调制器无缝集成到硅光子平台上。来源：imec。

研究团队还实现了首个将LiTaO₃调制器异质集成到硅光子集成电路上的成果。采用此前用于铌酸锂的同样微转印技术，研究人员实现了与整个晶圆堆栈的完全兼容，使其能够与加热器、滤波器和锗光电探测器等其他光子构件共同集成，而不会影响性能。

尽管这些调制器目前仍相对较大，但它们为进一步扩展可插拔收发器提供了一条可行路径，因为这类产品对占用面积的约束没有那么严格。与此同时，研究人员也在探索其他器件概念，以满足未来共封装光学对更小尺寸和更高集成度的要求。这些方案包括在C波段运行的紧凑型、超高速GeSi调制器，以及基于将III-V材料集成到硅光子平台上的新兴方法。

要将这些异质集成方法扩展到大规模制造，还需要进一步工作。不过，这些结果表明，将超过100GHz的电光器件集成到SiPho上是一条有前景的路线，而这被广泛视为未来3.2T可插拔模块和支持AI驱动基础设施的下一代光互连所必需的能力。

快速而窄带的共封装光学（CPO）：光互连路线图的关键支柱

在这一规模下，会出现一组新的约束。可插拔光收发器依赖极高的波特率，并结合复杂的数字信号处理（DSP）来补偿信号劣化。虽然这在机架或数据中心层面效果良好，但对于AI和机器学习系统中的短距离芯片到芯片光互连而言，重度DSP带来的功耗和时延会变得越来越棘手。相反，这些场景需要本征上更干净的光通道，且误码率极低，从而使每条通道都能在不依赖过多均衡或DSP开销的情况下运行。

这种转变正是推动快速而窄带的共封装光学（CPO）被采用的原因。在CPO系统中，光学组件被放置在与（交换）硅片或计算芯片非常接近的位置，将电路径从可插拔方案中的数厘米缩短到仅几毫米，甚至更短。通过把电光转换点直接放在ASIC旁边（位于同一封装内），CPO大幅改善信号完整性，最小化电损耗，并降低时延——同时不依赖高功耗DSP。这使CPO成为扩展下一代AI和高性能计算系统的有吸引力架构。

图3：共封装光学缩短了光引擎与主机IC之间的电路径，从而提高带宽密度并消除对数字信号处理的需求，进而提升能效。来源：imec。

但随着早期CPO部署开始出现，集成复杂性仍是该技术的核心挑战之一。与可插拔光模块不同——后者的光学模块在很大程度上是自包含的——CPO需要紧密的协同设计和联合优化，包括光子集成电路（PIC）、电子IC（EIC）、交换ASIC、光纤耦合策略、热管理以及先进封装。应对这一多学科挑战，是imec光互连项目的核心目标之一。

在CPO领域（也称为OIO2.5D），imec的主要研究目标包括：

• 将光引擎容量从1.6T和3.2T扩展到6.4T，并最终达到12.8T。
• 实现快速而窄带的400Gbps通道速率，并将带宽密度提升至接近每毫米1Tbps。
• 将完整光学堆栈——调制器、光电探测器、耦合器、光纤连接和热解决方案——集成到可制造封装中。

实现这些目标在很大程度上依赖先进半导体封装技术，以支持光子和电子组件的高密度集成——例如2.5D中介层架构、硅通孔（TSV）、扇出型晶圆级封装（FO-WLP），以及越来越多由混合键合实现的3D集成——同时还需要使用先进的（III-V）材料。

还有光源问题。虽然长期目标是将激光器直接集成到光子芯片上，但早期CPO系统仍将依赖外置激光源。这种做法简化了热管理，并缓解了在高温ASIC附近运行激光器长期存在的可靠性担忧。其代价是：为补偿光损耗需要更高输出功率、更复杂的封装，以及需要额外的光纤和连接器把光引入封装。

实现首个基于硅的EAM净每通道400Gbps传输

2025年10月，imec宣布了下一代光互连的一项重大进展：一款C波段、带宽超过110GHz的GeSi电吸收调制器（EAM），可实现每通道净400Gbps的数据速率。

该器件利用Franz-Keldysh效应，兼具紧凑尺寸、高速和低功耗。得益于GeSi基础，它可以无缝集成到300mm、兼容CMOS的SiPho平台上，为大规模制造提供了清晰路径。

这一突破体现了器件层面和系统层面十多年的协同进展。在器件层面，imec优化了器件尺寸、掺杂方案和外延生长工艺。在系统层面，稳健的PAM-4 IM/DD传输方案验证了持续的净每通道400Gbps运行，证明GeSi EAM技术已具备面向未来高通道速率光引擎的实际可用性。

3D集成光学（OIO3D）：下一前沿

随着AI和机器学习系统扩展到成千上万个紧密互连的加速器，每个加速器都通过高带宽内存堆栈和相邻处理器在仅几毫米的距离内连接，对光互连提出的要求变得更加极端。未来十年，这些系统预计需要支持接近并超过每毫米10Tbps的带宽密度、远低于1pJ/bit的能效，以及超低时延（<100ns）。这些目标已超出即便先进CPO架构所能达到的范围。

为了满足这些要求，光学必须越过封装，进入晶圆堆栈本身。这就是3D集成光学的基础。通过将电路径压缩到微米级距离，OIO3D能够实现超短、高带宽且高能效的光链路，使高密度芯片间光网络成为可能。

图4：通过将电路径压缩到微米级距离，OIO3D能够实现超短、高带宽且高能效的光链路，使高密度芯片间光网络成为可能。来源：imec。

实现3D集成光学需要克服若干重大技术挑战。这些挑战包括可扩展的激光器集成、高效率和高带宽电光器件的开发（例如基于GeSi、铌酸锂、钽酸锂、磷化铟或钛酸钡的器件），以及在高密度堆叠环境中的稳健热管理。同样关键的还有晶圆级超高精度键合和对准技术。

OIO2.5D与OIO3D

作为CPO的演进步骤，OIO2.5D通过将光子芯片和电子芯片并排放置在共享硅中介层上，在高密度光子集成与可管理的封装复杂度之间取得平衡。光子层通过die-to-wafer铜基混合键合集成，这种技术可实现超短、低寄生的电路径。

这一架构最初面向8-32Tbps范围的光引擎。它利用32-64Gbps的每通道速率，优化为低功耗、无需DSP的运行，以尽量降低时延和发热。波分复用（每根光纤8-32个波长）进一步提升总带宽，而无需增加光纤数量。该技术路线图的目标是将带宽密度提升到每毫米2Tbps，能效接近2pJ/bit。

OIO3D则代表了光互连最先进、也最具雄心的愿景。在这里，光子层直接堆叠在计算硅片的上方或下方，形成真正的芯片级光网络，将电路径压缩到微米级距离。

这一方法依赖die-to-wafer和wafer-to-wafer混合键合，从而实现极细间距的垂直互连。凭借这种垂直集成水平，OIO3D的目标是把带宽能力扩展到每秒数十太比特甚至更高，同时把能效目标设定在约2pJ/bit，并在更长期内迈向亚pJ/bit运行。

一个关键研究方向是晶圆级激光器集成，采用量子点GaAs-on-Si等异质III-V方案。欧盟《芯片法案》的试点产线正在积极探索这一方向，以服务未来的大规模光子系统。

在300mm SiPho平台上集成钛酸钡

2026年1月，Veeco Instruments Inc.与imec宣布了一项适用于300mm大规模制造的工艺，可将钛酸钡（BaTiO₃，BTO）集成到硅光子平台上。

BTO具有卓越的电光特性，可用于从光收发器到量子光子学、LiDAR以及AR/VR等应用中的高速、低功耗调制器。不过，历史上要将BTO大规模引入硅平台一直很困难，原因在于成本、均匀性和可制造性限制。

借助与imec的合作，Veeco最近交付了其首套专为300mm晶圆设计的分子束外延（MBE）簇式系统。该平台支持在硅上生长单晶BTO薄膜，采用固态和混合MBE工艺，与传统MBE方案相比，可提升重复性、材料质量和拥有成本表现。

时间线一览

纵观光互连的发展，可以清楚看到不同路线正沿着不同时间表推进。

可插拔光模块已经在全球范围大规模部署，如今正进入以渐进式技术优化为主、而非根本性突破的阶段。其路线图仍在继续——迈向1.6T和3.2T模块——而在新架构扩产之际，可插拔方案在许多应用场景中仍将保持竞争力。

共封装光学也正接近相对成熟阶段。关键构件正在转入试产线支持、供应链准备和晶圆级服务——尽管行业仍在追求更高带宽、更快通道速率和更好的能效。大规模CPO部署预计将从2027/2028年开始。

3D集成光学仍处于较早的研发阶段。当前工作重点是路径探索和器件/集成工具箱建设。首批概念验证演示器预计将在三到五年内出现，更广泛的商业化则预计在五到十年时间范围内实现。

将下一代光互连推向市场

通过其光互连研究项目，imec正在开发未来光收发器的关键构件，提前数年预判市场需求。

imec的优势在于它是真正的一站式研发环境，将硅光子、先进CMOS、3D集成、材料研究和系统级建模的专业能力汇聚在一起。这种广度使研究人员能够比在大规模制造环境中更快地探索新概念，从而实现更短的开发周期，并拥有尝试非常规集成路径的自由。该项目还受益于imec的跨技术优化（XTCO）策略，该策略推动跨技术领域的扩展。

一个关键加速器，是imec光互连研究团队与IC-Link——imec的半导体制造支柱——之间的紧密合作。imec的早期研究专注于路径探索和原型开发，而IC-Link则通过优化工艺流程、提升可制造性、建立测试策略并联动更广泛的供应链，帮助技术走向更高的技术成熟度。通过IC-Link，产业伙伴还可以借助imec的200mm和300mm iSiPP硅光子平台访问并评估这些技术，为从早期创新走向工业部署提供路径。

除了IC-Link之外，imec还通过多种合作模式与产业伙伴保持密切互动。这些模式包括指导型项目（imec与合作伙伴共同探索新兴技术）、面向特定伙伴需求的定向双边项目，以及长期核心合作伙伴关系。与此同时，imec还与设备供应商密切合作，使先进工具和工艺能力能够在商业化之前就得到早期验证。

这些互动共同确保imec的光互连研究始终扎根于真实系统需求，同时加速先进技术向可上市解决方案转化。

Peter Ossieur于2000年获得比利时根特大学电气工程硕士学位，并于2005年获得同校电气工程博士学位。2005年至2009年，他在根特大学担任博士后研究员，随后加入Tyndall国家研究所，并晋升为高级研究员。他的研究兴趣包括电子集成电路设计和光传输系统。2017年，他加入根特大学内的imec-IDlab。如今，他是imec XTCO Fabric and Optical Interconnect主任，并在根特大学担任兼职教授。Peter Ossieur还是ISSCC有线通信分委会成员。

Imene Jadli