一篇搞懂矽光子光模組：六大介面、核心元件與產業實例全收錄

drshawnchang
7月1日
讀畢需時 8 分鐘

前言

隨著人工智慧與高效能運算的快速發展，資料中心面臨前所未有的頻寬與能耗挑戰。為了因應這股趨勢，矽光子（Silicon Photonics）技術正逐步取代傳統光電元件，成為新一代高速、低功耗光通訊模組的核心架構。

然而，矽光子光模組的設計與整合不僅牽涉到 PIC（Photonics IC）、EIC（Electronics IC）、封裝製程與光纖介面，還需要理解從 ASIC 輸出到光訊號傳輸、再到接收與還原的完整資料流與關鍵介面。

本篇文章將由「傳送端（Tx）」至「接收端（Rx）」出發，逐一介紹光模組中的主要元件、對應介面（Interface 1 至 Interface 6）、技術挑戰與業界實例。無論你是從事矽光子開發的工程師，或是想了解 CPO、LPO 等架構差異的決策者，都能從這篇深入淺出的說明中獲得具體的系統性理解。

各元件與介面說明與介紹

ASIC：輸出高速 SerDes 數位訊號（如 56Gbps / 112Gbps per lane）
介面1：通常會經過多個連接器與電的介面，當頻寬越高時損耗越大。
DSP: 是光模組內的數位訊號處理晶片，負責對高速訊號進行調變、錯誤修正與均衡等功能。它處理的是數位訊號，並在必要時透過 DAC 輸出類比訊號給光調變器。隨著資料傳輸速率越來越高，DSP 通常採用先進製程（如 5nm、3nm），以降低功耗並提升效能。例如 Marvell 的 1.6T DSP 已進入 5nm 製程，下一代預計將採用 3nm。DSP在400G以上有非常重要的角色，但也佔據了光模塊大部分的功耗以及成本。因此才有後續LPO或是CPO的方案，目的都是要移除DSP。
介面2：DSP進入到driver之前的電路，在這裡DSP已經在光模塊內，通常的介面是PCB的走線。
Driver：類比電路，負責將 DAC 輸出的小電壓訊號放大，讓它足以驅動矽光子晶片上的調變器。這個元件必須具備高頻寬與低功耗特性，是連接 DSP 與光調變器之間的橋樑。
介面3：Driver和Modulator的介面，通常非常要求此介面的信號完整性與頻寬。可能採用的方式為金屬打線或是覆晶封裝，後者個頻寬和密度較高。
Modulator：調變器（Modulator）負責將電訊號轉換成光訊號。它同時接收來自雷射的連續光（CW）與來自驅動器的高速電壓訊號。當電壓變化時，調變器會改變光的強度、相位或頻率，從而產生可攜帶資料的光訊號。SiPh Modulator 中，最常見的架構是：
- Mach-Zehnder Interferometer (MZI)：利用相位差干涉來調整光強度。
- Ring Resonator：體積小、低功耗，但頻寬較小，適合某些應用。
- 若用於相干通信（Coherent Optics），Modulator 也會調整光的相位與偏振（QPSK、16QAM）。
另外在此的laser一般來說是外掛的laser，採用標準三五族製程製作，然後透過FAU導入到矽光晶片中，值得一提的是這一段的光信號必須用保偏光纖。當然也有廠商直接將三五族集成於矽光子晶片上，像是Intel與Towersemi。
介面4：此時的信號已經轉成光信號，因此會在矽光子波導中傳遞
Coupler：在矽光子光模組中，Coupler（耦合器）的主要功能是實現波導光與光纖之間的光能轉換與傳輸。其具體任務包括：
1. 光型轉換（Mode Conversion）：
  矽波導中的模態為高度約 220nm 的高折射率差 TE 模式，與光纖中的模態差異甚大。Coupler 通常透過 taper 或 grating 結構，進行模態匹配，以提升耦合效率。
2. 連接 Fiber Array：
  多通道模組需將多個波導輸出匯聚至 FAU（Fiber Array Unit），Coupler 可協助進行幾何轉換與排列。
3. 多波長分波（如有 WDM）：
  若為 WDM 系統，Coupler 區域可能整合 AWG 或 MMI Coupler，將不同波長的光從多個波導聚合到一個通道。
介面5：。矽光子模組中將光訊號從晶片耦合至光纖、實現遠距離傳輸的關鍵介面。這通常透過光學封裝製程，將矽光子晶片與光纖陣列（FAU）精準對準並固定。在製程上，需使用高精度機台完成晶片與 FAU 的三維對準，並以 UV 固化膠封裝固定。由於光不同於電訊號，對界面材料極為敏感，任何氣泡、微粒或折射率不匹配都可能導致光損耗。這種高精度的光學耦合技術一直是光模組廠的專業領域，而對傳統半導體公司而言，在邁入 CPO（Co-Packaged Optics）世代後，這正是他們不熟悉且需補強的領域之一。
FAU：是一個預先排列好的多芯光纖陣列，常見為 4、8、16 或 32 芯，使用固定的 pitch（如 127 µm 或 250 µm）來對應矽光子晶片上的光輸出波導位置。它的主要功能是將來自矽光子晶片的多通道光訊號準確導入光纖中，進而實現高速、遠距離的光傳輸。FAU 通常以 V-Groove + 玻璃或陶瓷基板構成，搭配高精度研磨端面與光學膠固定，並以 active alignment（主動對準）技術與矽光子晶片對準，確保耦合效率。在光模組、CPO 模組與矽光子封裝中，FAU 是 Interface 5 的關鍵元件，決定了光耦合效率與量產可靠性。
介面6：光纖跳線，此時光信號已經成功導入到光纖中，IEEE也定義的此介面的規格。

從ASIC一路走到介面六就是一般常見的Tx，傳送端。而接收端Rx則可以從圖的右側一路回來。

介面6：遠處的Tx信號透過光纖傳遞回來。
FAU：一般來說Rx的FAU的設計和Tx一樣，概念是光有可逆性，光怎麼射出就怎麼收回。
介面5：同樣透過封裝製程。和FAU一樣，設計和Tx類似。
Coupler：將光的模態從較大的光纖core轉成較小的矽波導。相同的若為 WDM 系統，Coupler 區域可能整合 AWG 或 MMI Coupler，將不同波長的光從單一波導分流到不同通道。
介面4：矽光子波導中傳遞光信號
Photo-Detector：光信號透光檢測器，將光信號轉成電流信號，光檢測器頻寬會是在Rx信號中關鍵的因子。
介面3：電流信號傳輸到TIA的介面，和driver to modulator一樣，越短越好，若太長可能會有電感效應讓電流信號失真或頻寬降低。
TIA: TIA（Transimpedance Amplifier）是光接收端中負責將光電探測器（如 PD, Photodiode）輸出的微弱電流訊號，轉換成電壓訊號的關鍵模擬電路。
它的核心任務是：
- 提供高增益，將 pA ~ µA 等級的光電流轉為 mV 等級電壓。
- 同時具備低雜訊、高頻寬、快速響應等特性，以維持高速資料接收的信號完整性。
在矽光子光模組中，TIA 通常直接與 PD 封裝於同一模組內，並透過後級的 ADC / DSP 做進一步數位處理。它是整個 Rx（接收端）鏈路中不可或缺的模擬前端。
介面2：通常的介面是PCB的走線
DSP: 接收端 DSP 的主要任務是對經過 TIA 放大與 ADC 數位化後的訊號，進行一系列數位訊號處理，以提升訊號品質與還原原始資料。其關鍵功能包括：
1. 均衡（Equalization）
  - 補償通道中由傳輸損耗、色散等造成的訊號失真。常見技術如 FFE（Feed Forward Equalizer）與 DFE（Decision Feedback Equalizer）。
2. 時脈與資料恢復（CDR, Clock and Data Recovery）
  - 從失真的資料流中重建時脈訊號，確保位元邊界精準判斷。
3. 錯誤修正（FEC, Forward Error Correction）
  - 利用冗餘碼（如 RS 或 LDPC 編碼）自動修正位元錯誤，提高 BER 容忍度。
4. 解調（Demodulation）
  - 對高階調變格式（如 PAM4 或 QAM）進行解調與位元重建。
5. 信號判決與轉換（Bit Decision & De-mapping）
  - 將模糊的數位值轉換為乾淨的 0 與 1，完成資料恢復。
介面1：通常會經過多個連接器與電的介面，當頻寬越高時損耗越大。
ASIC: 接收 SerDes 數位資料。

以目前常見的名詞來說

Photonics IC, PIC。通常由兩的元素組成
- 矽光子晶片：又稱Silicon Photonics IC，一般包含modulator，photodetector，與coupler
- 雷射：三五族製程完成的雷射光源
光與光元件之間的介面通常是波導，光纖，或是光學封裝
Electronics IC, EIC。包含如ASIC, DSP, Driver, TIA等
電與電元件之間的介面通常是PCB走線，連接器，與半導體封裝等，通常也是整體高頻信號損耗最大的地方。
OE Engine: PIC與driver及TIA的組合
Pluggable Optical Transceiver: 將OE Engine加上FAU將光信號導出，加上DSP做數位類比轉換

實例說明

矽光子光模塊 Intel版本
以下圖為例，該圖是intel 1.6T 矽光子光模塊。
Source: Intel
- 1.6T Digital Signal Processor= DSP
- 1.6T Driver= Driver
- 1.6T Transmitter PIC: Intel的矽光子比較特別，他能夠積體化三五族半導體雷射於矽光子晶片上，所以圖示上顯示為單一晶片，意味著這樣的製程會是更緊湊密度更高的方案，但相對要付出的代價是混合式的製程技術以及雷射可靠度的問題。
- Transmitter Fiber Assembly Unit：FAU，該方案將Tx與Rx的PIC晶片分開，因此FAU在光模塊中有兩個。
- 1.6T Transimpedance Amplifier：TIA，從圖上可看到TIA直接堆疊在PIC上，因此對於頻寬的提升是有利的。
- 1.6T Photodiode Array：Photo-Detector
- Receiver Fiber Assembly Unit：FAU，該方案將Tx與Rx的PIC晶片分開，因此FAU在光模塊中有兩個。
NVIDIA CPO
以下圖為例，該圖是NVIDIA提出傳統光模塊＋交換機和CPO交換機的差異。CPO的架構是可以省去約3.5倍的功耗。
Source: NVIDIA

原因在於CPO可以大幅縮短介面一的電信號的損耗，也因為損耗少了，原本光模塊（圖上方)的DSP (20W) 可以被移除。
另外也可以從CPO架構看出雷射是外掛的雷射，採用標準三五族製程製作，然後透過FAU導入到矽光晶片中，值得一提的是這一段的光信號必須用保偏光纖。放在交換機外可以做好的熱管理，如果有問題可以直接做熱插拔至換。從技術的角度來看Intel的PIC中的SiPh IC和Laser是集成在一起。而NVIDIA的雷射則是獨立出來，後者是目前大部分矽光子常見的方案，無論是光模塊或是CPO交換機都是如此。
Broadcom CPO
下圖是Broadcom 提出CPO要解決介面一的電信號的損耗量化值。可以看到從速率53Gbps到212Gbps。整段介面一的損耗從約7 dB，提升到22 dB。在架構不變的情況下就會需要更高階的DSP來做信號傳輸補償，要付出的代價就是DSP的功耗以及先進製程造成的價格上升。
TSMC COUPE
TSMC的COUPE主要目的是在解決介面5 Coupler與FAU之間封裝的精度以及量產性。從圖上可以看到
- COUPE GC：就是矽光子中的Grating Coupler，優點是封裝精度大，但缺點是光是往晶片上方射出，所以光纖需要有特定角度做封裝。
- FAU: 前述提到FAU預先排列好的多芯光纖陣列放在V-Groove + 玻璃或陶瓷基板。為了讓後續加工性更佳以及整體模組更緊湊，光纖讓光傳遞的方向跟晶片方向平行是最佳的
- 為了解決傳輸方向以及封裝精準度，TSMC COUPE利用Silicon的材料作為轉介元件。Lens可以讓光進行整形，提升封裝容忍度。反射面可以讓光傳輸的角度改變。
結語