OAI光通信时代，CPO迎三大产业变化

(1)变化1:硅光技术加速发展，CPO硅光光引擎不断成熟。硅基光电子具有和成熟的CMOS微电子工艺兼容的优势，有望成为实现光电子和微电子集成的最佳方案。硅光光引擎作为当前CPO光引擎的主流方案，硅光技术的成熟有望进一步带动CPO的发展；

(2)变化2:龙头厂商积极布局CPO,进一步催化CPO产业发展。Intel、Broadcom、Raonvus、AMD、Marvell、Cisco等各大芯片厂商均有在近年OFC展上推出CPO原型机，Nvidia及TSMC等厂商也展示了自己的CPO计划；

(3)变化3:AI时代高速交换机需求增长，CPO是在成本、功耗、集成度各个维度上优化数据中心的光电封装方案，优势不断凸显。

光电共封装（Co-PackagedOptics，CPO）是一种新型的光电子集成技术。光电共封装基于先进封装技术将光收发模块和控制运算的专用集成电路（ASIC）芯片异构集成在一个封装体内，形成具有一定功能的微系统。

光电共封装技术进一步缩短了光信号输入和运算单元之间的电学互连长度，在提高光模块和ASIC芯片之间的互连密度的同时实现了更低的功耗，是解决未来大数据运算处理中海量数据高速传输问题的重要技术途径。

单比特成本和功耗的降低需求持续催化CPO技术发展。根据Cisco数据，2010—2022年全球数据中心的网络交换带宽提升了80倍，交换芯片功耗增加约8倍，光模块功耗增加26倍，交换芯片串行器/解串器（SerDes）功耗增加25倍。

由于光接口数模混合SerDes技术能效演进低于ASIC部分，光接口的单比特成本和功耗下降的速率远落后于交换机ASIC部分，为进一步降低功耗，需通过缩短SerDes距离或减少其数量来降低功耗，光互联系统结构出现了OBO、NPO、CPO等。

1995年以来，可插拔光模块已被行业广泛使用，安装在PCB边缘，ASIC在封装基底上，PIC/EIC与ASIC芯片之间的距离是最远的，走线较长，寄生效应明显，存在信号完整性问题，且模块的体积较大、互连密度低、多通道功耗较大。

2018年以来，板载光学（OBO）将光模块的关键组件，如光引擎/电引擎安装在与封装ASIC相同的PCB上，并围绕封装ASIC的四周排列，该方案使用PCB来连接封装ASIC和光引擎/电引擎。芯片间距离缩短，功率和电气性能改进，被部署于比可插拔光学更高带宽密度的场景，且多基于多模光学。COBO联盟完成了一个针对板载光学的MSA，包括关于八通道和十六通道（电气）板载光模块的规格，每通道最高可达56Gb/s。

2020年以来，业界提出近封装光学（NPO），将光引擎放置在与封装ASIC相邻的可选光学基板旁，集成在同一高性能基板上，使用高性能基板来连接封装ASIC和光引擎。NPO中ASIC和光学之间的长度150mm，将信道损耗限制在13dB以内。

2023年以来，自Intel和Broadcom推出CPO产品，其中光引擎（不含光学基板）被放置在ASIC芯片的同一共封装基板四周。CPO标准的建立，据OIF规定，CPO将光引擎和ASIC的距离限制在50mm以内，信道损耗限制在10dB以内。由于跨度更短和损耗降低，CPO功耗更低。CPO系统功耗相对插拔光模块可降低50%以上。仿真结果表明，使用全对全通信模式时，时间缩短了40%。在交换机和服务器使用CPO技术，可将网络容量增加2倍，将交换机数量减少64%。

CPO有望带动硅光光引擎、CW光源、光纤、FAU、MPO/MTP等需求增长。CPO部分组成架构包括：光引擎、柔性光背板Shufflebox、高密度连接器MPO、保偏光纤PO、激励光源ELS等

从器件构成上来看，相较于采用分立式器件的传统可插拔光模块，主流CPO方案中由于硅光光引擎的引入，除激光器外，大部分已实现了多种光电器件的硅基集成：

有源器件方面，激光器部分，传统光模块发射部分中的EML光芯片功能被解耦成光源和调制器，目前CPO多采用基于CW激光器的外置激光光源（ELS），一方面较EML激光器芯片可获得成本上的优势，且减少散热影响，另一方面外置激光器方案与硅光芯片的耦合带了新的挑战；调制器部分，CPO中采用集成与硅光芯片上的硅光调制器，包括马赫-曾德尔调制器（MZM）、微环调制器（MRM）等方案；

探测器部分，传统光模块接收部分中采用分立的PIN/APD光电探测器，在CPO中同样集成于硅光芯片上的Ge-Si光探测器成主流方案；

无源器件方面，除隔离器和FAU连接器外，硅光芯片替代了大部分传统光模块中的无源器件，传统器件中的透镜和大型组件都被取代，陶瓷、铜等材料用量大幅降低，晶圆、硅光芯片等电子材料占比提升，价值向硅光芯片、硅光引擎转移，整体有望进一步实现工艺简化和成本控制，同时硅光器件更高的集成密度带来了芯片尺寸的大幅缩减，相较于传统光模块具备小型化优势；

电芯片方面，传统可插拔光模块方案中的DSP、TIA、Driver等电芯片或被进一步集成，CPO中单片CMOSEIC有望成为重要发展方向。

光子IC(PIC)和电子IC(EIC)组成光引擎,实现光电转换的高性能光引擎(PE/OE)是CPO技术的核心，硅光技术是目前CPO光引擎的主要解决方案:外部激光源(ELS)是硅光CPO的主流选择，当前主流硅光CPO将连续波(CW)激光器光源单独外置，作为高密度封装体的外围可插拔单元:CPO内部光纤路由方面，硅光光引擎通过与光纤阵列单元(FAU)耦合实现光的进出。在光纤线束管理方面，可进一步引入光纤柔性板、带状光纤、光缆捆束、光纤带集线器、光纤预装金等来提高光纤的可靠性。使用CPO的光纤链路包含更多的光纤连接器，以MPO/MTP为代表的多芯连接器有望成为未来发展趋势。

技术方面，CPO在工艺、仿真以及测试等方面仍面临很多挑战。

1）封装工艺：CPO涉及到TSV、TGV、多层高密度互连基板、Bumping和芯片堆叠等先进封装中的关键技术，每种关键技术都有各自的优缺点，比如：TGV通孔技术可能会损伤玻璃造成表面不光滑，大多数TGV加工方法效率低，没法大规模量产，TGV结构的电镀成本和时间比TSV略高，玻璃衬底表面的黏附性较差，容易导致RDL金属层异常，玻璃本身的易碎性和化学惰性给工艺开发带来了难度；TSV的通孔加工、孔填充都有较高的工艺要求，此外还涉及到晶圆减薄，存在潜在的成品率和可靠性的问题；

2）器件性能问题：目前的硅光技术还有一些需要克服的技术难题，比如如何减少硅波导的损耗、如何实现波导与光纤的有效耦合、如何克服温度对于功率和波长稳定性的影响等；

3）散热技术：热会导致机械应力，可能导致基板翘曲，影响光耦合和电子互连的性能，CPO中分配给光学和电气元件的空间非常有限，由于光学元件对热量较为敏感，散热设计成为CPO另一个挑战；

4）仿真技术：随着集成密度的不断提高，为提高产品的一次设计成功率，仿真技术在CPO设计阶段的应用将显著提升，由于CPO面临着光学、电学、热力学等交叉学科的融合和多层级的跨越，对仿真提出了更高的要求。目前光子设计自动化（PDA）工具能够提供精确的光子器件仿真，但仿真效率较低，不适合大规模系统级仿真，同时电子设计自动化（EDA）工具大多基于电路级或系统级仿真，因此能够应用于电路级和系统级仿真的光子器件模型是大规模电子-光子联合仿真的关键，是未来光电共封装器件大规模商业化的重要条件，可以提高设计效率。光-电-热-力多物理场的跨维度耦合仿真以及芯片-封装-系统的跨尺寸联合仿真将成为仿真领域的发展趋势和难点；

（5）测试和良率挑战：由于光芯片是直接与电芯片通过先进封装工艺封装在一起，这给良率和测试带来了诸多挑战，同时光器件和电器件建立在不同的制造工艺技术上，因此具有不同的测试要求。共封装的光学器件具有较高的通道密度，同样给测试带来挑战。

0CPO发展潜力较大，但商业落地仍需产业协同。CPO目前处于产业化初期，除了技术上的挑战外，更受集成光学器件的市场接受度、标准和制造能力的限制，作为光通信解决方案的一环，其发展仍需整体产业链的协同推进。

整体来看:

(1)光引攀板块:包括硅光光器件/光模块厂商和硅光工艺配套厂商：中际旭创、新易盛、天孚通信等:受益标的:罗博特科、杰普特、炬光科技等:

(2)光互连板块:包括ELS/CW光源、TEC、光纤、光纤连接器及封装工艺：中天科技、亨通光电、源杰科技、长光华芯、仕佳光子、光迅科技、光库科技、富信科技、东方电子、太辰光、博创科技、致尚科技、天孚通信、通富微电、长电科技、华天科技、晶方科技等;

(3)交换机板块:主要包括交换机交换芯片供应商：紫光股份、盛科通信、中兴通讯、锐捷网络、菲菱科思、共进股份、烽火通信、光迅科技等。

参考资料：

20250102-开源证券-深度拆解CPO：AI智算中心光互联演进方向之一

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