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光通信
光通信是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，光模块实现电光转换，将信息以光信号的形式进行信息传输的系统。光通信系统具有信道带宽极宽、传输容量大、中继距离长、抗干扰好等优点。光通信以光波为载体，目前已成为全球最主流的信息传输方式。
通信系统可以将信息从一个地方传递到另一个地方，光通信是利用光纤传输信息的光波通信系统。基本的光通信系统由光发射机、通信通道和光接收机三部分组成，其中光发射机将电信号转换成光信号并将得到的光信号发射到光纤，光接收机将光纤输出的光信号还原为电信号。
图1 光通信系统示意图
图2 典型光通信传输系统
光模块
光模块为光通信中实现光信号、电信号互相转换的核心元器件。光模块主要由光芯片、电芯片、光组件和其他结构件所构成，其中上游光器件元件为光模块成本中的主要部分。在光器件元件中，光发射模块TOSA 和光接收模块 ROSA 成本占比较高。TOSA 的主体为激光器芯片（VCSEL、DFB、EML 等），ROSA 的主体为探测器芯片（APD/PIN 等）。
光模块（Optical Modules）作为光纤通信中的重要组成部分，是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件。光模块工作在OSI模型的物理层，是光纤通信系统中的核心器件之一。它主要由光电子器件（光发射器、光接收器）、功能电路和光接口等部分组成，主要作用就是实现光纤通信中的光电转换和电光转换功能。
发送接口输入一定码率的电信号，经过内部的驱动芯片处理后由驱动半导体激光器（LD）或者发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号，通过光纤传输后，接收接口再把光信号由光探测二极管转换成电信号，并经过前置放大器后输出相应码率的电信号。
光模块行业的上游主要是光器件、光芯片、电芯片、PCB和结构件的制造商以及光模块封装及测试设备供应商;下游则主要是通信设备制造商，从简单的数字短信通讯逐渐发展至5G时代在AR/VR、车/物联网、元宇宙、工业智能化以及AI等领域丰富的拓展。
光模块技术向低功耗、高带宽方向演进
LPO方案。LPO采用线性驱动技术代替传统DSP（数字信号处理）/CDR（时钟数据回复），可实现降功耗、压成本的作用，但代价在于拿掉DSP后会导致系统误码率提升，通信距离缩短，因此LPO技术只适合用于短距离的应用场景，例如数据中心机柜到交换机的连接等。
CPO方案。CPO是指将光引擎和开关芯片封装在一起的电光集成，而不是使用可插拔的光模块格式。这种方法通过缩短光学引擎和开关芯片之间的距离，可以在引擎和芯片之间更快地传输电信号。其优势在于尺寸小、功耗低、效率高。
硅光技术。硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新技术。硅光子技术的核心理念是“以光代电”，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中，提升芯片之间的连接速度。
图3 传统光模块、CPO与LPO优劣势对比
LPO方案
传统DSP可对高速信号在光-电、电-光之间转换后出现的失真问题进行修复，从而降低失真对系统误码率的影响，但功耗大成本高：
400G光模块中，7nm DSP的功耗约为4W，占整个模块功耗的50%；
400G光模块中，DSP BOM成本约占20%-40%。相较于传统光模块，LPO技术去除了DSP，将其相关功能集成到设备侧的交换芯片中，只留下具有高线性度的Driver和TIA，用于对高速信号进行一定程度的补偿。
LPO技术的优势包括：
低功耗：OFC 2023 Macom展示出的单通道100G单模800G DR8、多模800G SR8 Linear-drive方案中多模功耗节省70%，单模功耗节省50%。根据Macom的数据，具有DSP功能的800G多模光模块的功耗可以超过13W，而采用Macom Puredrive技术的800G多模光模块的功耗不到4W。
低延迟：没有DSP后处理步骤减少，数据传输延迟减少，Macom的Linear-drive方案中延时可降低75%。
低成本：800G光模块中去除DSP后系统总成本可降低约8%。
可热拔插：LPO封装沿用传统热拔插技术，便于后期维护。
图4 LPO光模块架构
CPO方案
CPO是指将光引擎和开关芯片封装在一起的电光集成，这种方法通过缩短光学引擎和开关芯片之间的距离，可以在引擎和芯片之间更快地传输电信号。与传统可热拔插式技术相比，CPO技术的优势包括：
低延迟，低功耗：由于光模块和交换芯片在同一个封装内，信号传输路径更短，可以实现更低的延迟。另外光电共封装技术可以减少信号传输的功耗，并提高整体系统的能效。
高带宽：光电共封装技术支持高速光通信，可以提供更大的数据传输带宽。
小尺寸：相比传统的光模块和电子芯片分离封装的方式，光电共封装技术可以实现更紧凑的尺寸，有利于在高密度集成电路中的应用。
CPO目前处于产业化初期，在技术路径、采用紧迫性、商业模式等方面仍面临诸多挑战：
技术路径和成熟度：相干相控振荡器（CPO）技术仍处于早期发展阶段，技术路径需要进一步成熟。虽然 CPO 显示出前景，但它尚未达到迫切需求或广泛采用的阶段。传统的可插拔解决方案继续主导市场，CPO 成为主流选择需要时间。
采用的紧迫性：在3.2T光模块时代，对CPO外形尺寸的需求相对较高。然而在当前1.6T时代，可插拔光模块已经提供了成熟的主流解决方案，配置为8*200G，有效满足了行业需求。缺乏对更高速 CPO 解决方案的紧迫性可能会减缓其采用速度。
商业模式挑战：实施CPO技术需要大量的硅光子学技术储备。CPO制造工艺的紧密集成使其很可能由开关芯片制造商主导。然而，这种对特定制造商的依赖可能会影响 CPO 技术的进步和广泛应用。
硅光方案
硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新技术。硅光子技术的核心理念是“以光代电”，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中，提升芯片之间的连接速度。
相较传统分立器件方案，硅光子技术的优势包括：
高集成度：其采用半导体制造工艺将硅光材料和器件集成在同一硅基衬底上，形成由光调制器、探测器、无源波导器件等组成的集成光子器件。相较磷化铟（InP）等有源材料制作的传统分立器件，硅光光模块无需ROSA（光接收组件）、TOSA（光发射组件）封装，因而硅光器件体积与数量更小、集成度更高。
低成本：相较于传统的分立式器件，硅光模块的集成度更高，封装与人工成本降低；此外硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，意味着硅基芯片成本得以大幅降低。
兼容成熟CMOS工艺：硅光子技术能利用半导体在超大规模、微小制造和集成化上的成熟工艺积累优势。
光模块技术向更小型化、更高速率、更低成本演进
数据中心侧:随着数据流量爆发与下游应用的丰富,带动高速光模块速率的持续升级,当前全球主要玩家800G进入导入验证及批量出货进程, 1.6T产品不断前瞻研发中。
电信侧:随着“双千兆”网络建设持续推进,不断推动国内外10G PON光模块持续升级。此外,海外光纤到户渗透率较低,随着新一轮升级改造,海外PON模块有望加速发展。
随着人工智能、物/车联网、工业互联网、AR/VR等新技术的逐步应用与产业化带来数据流量的快速增长,数据中心进一步向大型化、集中化转变,将带动高速率及中长距离光模块的快速发展。目前全球主要的云厂商已在数据中心内部批量部署200/400G光模块,随着AIGC发展趋势明朗,高算力需求催化更高速率的800G/1.6T光模块需求。
由于光模块速率升级过程中会带来功率损耗、信号失真等问题,以及速率提升中对光芯片性能提出了更高要求,进而导致整体成本提升,驱动更高速率光模块的多种技术演进。
图5 光模块技术演进路线图
光通信在算力中的重要性
在模型规模日益庞大的今天，单纯叠加浮点运算能力已经不能够满足大模型的训练的需求，模型规模日益庞大，如果没有强大的通信能力支撑，显卡之间的合作与沟通将会受限，将直接影响到模型训练效率。同时，浮点运算能力的提升依赖于制成的提升，进入 3NM 以下，随着量子隧穿效应，制成提升的周期与成本都将加大，同等周期下，芯片间通信能力的提升，将直接决定训练卡的能力。
当前，显卡之间的通信主要通过PCI-E通道或者更加高级的NVLINK通道，但无论是PCI-E或者传统的 NVLINK，都是通过 PCB 板上的通道进行沟通。然而单块 PCB 板能够容纳的显卡数量始终是有限的，而仅仅 8 片或 16 片显卡之间的高速沟通无法满足日益膨胀的模型规模。最新的 NVLINK SWITCH 体系展示了如何利用光通信体系，来替代传统的基于 PCB 板的 NVlink 系统，也标志了光通信能力，将是显卡未来通信能力升级的主要方向。
综合来看，同等制成的芯片或是相同的浮点运算能力，算力卡之间的通信带宽与通信能力将是决定模型训练效率的主要因素，此外，显卡之间沟通的方式正在加速从 PCB 板内通信转化成基于光通信的交换体系。因此，光通信能力和芯片所代表的“浮点运算能力”在算力体系内的重要程度是等同的。光模块作为承载光通信能力的最核心部件之一，也有望进一步提升在全球算力供应链中的地位。
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