EPIC Photonics：集成光子技术的创新和应用 (AI光互连领域)

2025年6月24日至27日，在德国慕尼黑举办的“Integrated Photonics Applications Stage at the Laser World of Photonics”活动，由LASER WORLD OF PHOTONICS主办，联合PhotonDelta、ficonTEC photonics assembly & testing等机构共同开展。

这场会议聚焦集成光子学技术，设置了通信、AI、激光雷达、医疗传感器四大专题环节，邀请全球行业领袖、技术专家及创新企业代表，分享最新技术突破与跨领域应用成果。

一、通信领域：光子集成技术驱动数据中心与网络升级

通信领域的报告围绕数据中心光互连、集成光子学制造与商业化展开，聚焦如何通过光子集成技术突破带宽、功耗与成本瓶颈。

EPIC Photonics：集成光子技术的创新和应用(通信领域)

二、AI领域：共封装光学与光子集成突破算力瓶颈 AI领域的报告围绕共封装光学（CPO）、光子集成制造与测试展开，探索如何通过光子技术解决AI数据中心的带宽、功耗与成本挑战。

① Fraunhofer IZM（Tolga Tekin）：《Empowering AI with Photonics Systems: A Path to High Performance》

核心主题：光子系统如何突破AI算力瓶颈，通过共封装光学（CPO）等技术实现高性能、低功耗的AI数据中心互连。

◆ 数据中心与AI的互连瓶颈 - 电互连局限性：芯片/芯粒/核心间互连存在低延迟、高带宽、高密度不足的问题，具体表现为基板介质高损耗、反射与阻抗不连续、串扰敏感。

- 光子学解决方案：通过CMOS兼容技术构建3D SiP/SoC中的下一代光子层，利用光的低延迟、高带宽特性突破电互连限制。

◆ 数据中心光互联与CPO演进 - 数据中心趋势： intra-和inter-DC流量呈指数增长，需解决吞吐量、延迟、功耗问题（如25.6T交换机功耗600W，其中1/3用于芯片I/O）。

- CPO（共封装光学）路线图：

2015年：板载光学（OBO） 2020-2032年：2.5D共封装光学

2030-2040年：3D共封装光学（Gen I/II），逐步实现激光器集成、3D堆叠。

- 集成挑战：需解决集成策略（2.5D/3D）、芯片选择、互连技术（光纤-芯片耦合）、热管理、信号完整性、标准化等问题。 ◆ 关键技术与项目 - 异质集成：通过Au-Au键合实现InP与SiPh的高精度对准（1μm→0.5μm），降低耦合损耗，支持 wafer级集成。

- 3D集成：采用TSV（硅通孔）技术，实现光子与电子芯片的3D堆叠，如300mm硅光子中介层与TSV结合，提升密度并降低寄生电容。

◆ 代表性项目

- L3MATRIX：开发128×100G硅光子Tx/Rx矩阵，支持51.2T交换机，采用2D透镜阵列组装，光纤垂直耦合。

- PhoxTroT：全球首个3D封装硅光子中介层，双面集成有源组件，支持Tb/s级光互连。

- MASSTART：支持1.6Tb/s WDM收发器，采用多技术集成（SiPh、III-V、玻璃）。

◆ 下一代交换机需求（204.8Tb/s） - 性能参数：112G LR信号在1英寸封装 trace损耗-5.07dB@56GHz，224Gbps损耗-3.73dB@56GHz，XSR trace最大长度~50mm。

- CPO配置：8个模块（每模块25.6Tb/s）或16个模块（每模块12.8Tb/s），最大宽度23mm，需优化RF路径长度以减少损耗。

◆核心结论

光子系统是AI数据中心突破算力瓶颈的关键，需通过异构集成、标准化封装及跨项目协同（如ALLEGRO、MASSTART）推动CPO规模化应用。

② Jabil（Giorgio Cazzaniga）：《Integrated Photonics for AI: a perspective from manufacturing point of view》

核心主题：从制造角度分析共封装光学（CPO）在AI领域的量产挑战与解决方案。

◆ 核心挑战

CPO量产面临成本高（光收发引擎成本占比大）、良率低、装配复杂（如光纤对准需亚微米精度）、规模化生产效率不足等问题。

◆ 技术方案

- 成本结构优化：拆解CPO成本（含晶圆、光纤阵列等BOM成本及封装制造成本），通过标准化模块（如UCIe接口）和垂直整合降低供应链复杂度。

◆ 制造全流程管控

- 设计阶段：采用标准化构建模块，平衡性能与可制造性；

- NPI阶段：定义与量产一致的工艺“配方”，通过DFM/DFT（可制造性/可测试性设计）提前规避问题；

- 量产阶段：自动化装配（如无 flux 倒装焊、光纤自动对准）提升良率（目标>90%）和效率（UPH，单位时间产出）。

◆ Jabil能力

布局先进光子封装产线（加拿大渥太华NPI线），支持从晶圆测试到模块组装的全流程制造。

◆ 核心结论

CPO规模化需依赖设计标准化、工艺自动化及全流程管控，通过“设计- NPI -量产”协同实现高良率、低成本量产。

③ Focuslight（Wilfried Noell）：《Saying “CPO” and Meaning “Co-packaged micro-Optics” – CPO and its Enablers》

核心主题：微光学组件在CPO中的关键作用，及从可插拔光模块到CPO的技术演进。

◆ 核心挑战

在CPO场景中，传统光纤互连存在机械脆弱、装配复杂、成本高、信号损耗大等问题，难以满足AI数据中心的高密度、低功耗需求。

◆ 技术方案

- 微光学创新：开发适用于CPO的微透镜阵列、微棱镜透镜等组件，支持晶圆级量产（如200mm晶圆工艺），实现高精度光耦合（对准精度<1μm）。

- 可拆卸光纤阵列（FAU）：替代传统光纤，通过V型槽阵列、硅透镜与光子集成芯片（PIC）的自由空间耦合，降低装配复杂度。

◆ CPO演进路径

从可插拔模块（>10pJ/bit）→ 早期CPO（5-10pJ/bit）→ 下一代CPO（~5pJ/bit），结合外部激光源（ELSFP）提升效率。

◆ 核心结论

微光学是CPO实现高密度、低损耗互连的核心，需通过晶圆级制造、可拆卸光接口设计推动CPO在AI数据中心的落地。

④ vario-optics（Nikolaus Flöry）：《Optical PCBs: fiberless CPO driving datacenter scale-up for AI applications》

核心主题：无光纤共封装光学（光纤替代方案）——光学PCB技术，为AI数据中心提供高密度、易扩展的互连解决方案。

◆ 核心挑战

传统光纤互连存在机械限制（脆弱、难自动化）、热密度瓶颈及成本问题，无法支撑AI数据中心的指数级算力增长（预计2030年全球数据中心容量需求增长超3倍）。

◆ 技术方案

- 光学PCB设计：在传统PCB中集成光波导层（如40cm长多模波导，损耗0.05dB/cm），通过垂直耦合结构实现芯片间光互连，替代光纤。

◆ 优势

- 带宽密度提升：支持超224Gb/s速率，单链路带宽达128GB/s（PCIe Gen6）；

- 功耗降低：较铜互连节省50%功耗；

- 兼容性：适配标准PCB制造流程，易规模化生产。

◆ 应用场景

AI系统中GPU与交换机互连、高速芯片间通信（如PCIe Gen6）。

◆ 核心结论

光学PCB通过无光纤设计突破传统互连限制，是AI数据中心“Scale-Up”（纵向扩展）的关键，需构建生态推动标准化。

⑤ EXFO（Sophie Lange）：《AI for PIC Testing》

核心主题：AI在光子集成芯片（PIC）测试中的应用，提升测试效率与成本优化。

◆ 核心挑战

PIC测试成本高（占总成本80%）、流程复杂（涵盖晶圆、芯片、模块全生命周期），且随着AI驱动的PIC量产（2024-2029年CAGR达43%），传统测试方法效率不足。

◆ 技术方案：AI赋能测试全流程

- 早期故障检测：通过机器学习分析晶圆缺陷（如位置、尺寸），预测失效风险，减少下游测试成本；

- 性能预测：基于PIC直流参数（如调制器、光电探测器DC性能）预测射频带宽，跳过昂贵的LCA（光波组件分析仪）测试，节省设备成本；

- 智能流程优化：通过AI协调测试序列，结合传统方法（如低成本测试优先），平衡精度与效率。

◆ EXFO解决方案

提供“从设计到量产”的一体化AI测试平台，整合探针台、仪器与数据库，支持自动化测试与数据分析。

◆ 核心结论

AI可显著提升PIC测试效率（如减少测试步骤、降低设备投入），但需与传统方法结合，在高影响场景（如量产筛选）优先应用，实现成本与精度的平衡。

【总结】

AI领域的集成光子学发展聚焦于共封装光学（CPO） 技术，从系统设计（Fraunhofer IZM）、制造量产（Jabil）、核心组件（Focuslight）、新型互连方案（vario-optics）到测试优化（EXFO）形成完整链条，核心目标是通过光子技术突破电互连瓶颈，实现AI数据中心的高带宽、低功耗、可扩展互连。