2025年数据中心互联技术专题：AI变革推动CPO技术商业化加速

一、CPO是一种新光电互联集成技术

光电共封装（CPO）是一种新光电互联集成技术

光电共封装（CPO）是一种在数据中心光互连领域应用的光电共封装方案。其 核心是将光模块不断向交换芯片靠近，缩短芯片和模块之间的走线距离，并逐 步替代可插拔光模块，最终把交换芯片（或XPU）ASIC和光/电引擎（光收发 器）共同封装在同一基板上，光引擎尽量靠近ASIC，以最大程度地减少高速电 通道损耗和阻抗不连续性，从而可以使用速度更快、功耗更低的片外I/O驱动器。 CPO技术的核心是光电芯片，它包含了光学器件和电子器件。在光电芯片内部， 光学器件将光信号转换成电信号，电子器件将电信号转换成光信号。

CPO技术目前主要用在交换机中

CPO技术目前主要用在交换机接口中，是一种新型的光电集成技术，主要是将网络交换芯片和光模块共同装配在同一个插槽（Socket）上，形成芯片和模组的共封 装，从而使得光学信号和电学信号在同一芯片上进行转换和处理；即将电子芯片和光电器件放在一起进行封装，以实现高集成度、高性能的光电器件。

CPO不仅减少了高速电通损耗，其能效优势也非常显著

智算中心驱动的高速率场景下，降本、降低功耗需求显著。SerDes速 率不断提升，光模块之间的功耗不断升高，随着40G、100G、400G、 800G的迭代，相比2010年的交换机，目前51.2T的交换机中，光器件 能耗增加26倍，光模块整体功耗大约可占交换机功耗的40%以上。 根据SENKO数据，CPO显著降低光模块功耗，助力系统整体功耗减少 25%-30%。

LPO是目前短距离传输过渡方案，CPO正开启商用进程

LPO（linear drive pluggable optics)，线性驱动可插拨光模块，通过线性直驱技术替换传统的DSP，实现系统降功耗、降延迟的优势，但系统误码率和传输 距离有所牺牲。LPO摒弃数字信号处理器（DSP），通过使用具有优异线性度和均衡能力的转阻放大器（TIA）和驱动芯片（DRIVER）来替代DSP，消除信号恢 复需求，降低处理开销和系统延迟，特别适用于对时序要求极高的高性能计算中心（HPC）中GPU间通信场景。目前SerDes主流规格112G很快升级到224G， LPO无法跟上224GSerDes的要求。部分DSP领域较弱厂商推进LPO方案。Macom、Semtech、美信等DSP领域较弱的电芯片厂商大力推进LPO，以绕开DSP短 板。目前LPO方案标准化尚未成熟，主要集中在电接口和光接口。 相对于LPO，CPO注重光电共封装，适用于高速高密度互联传输场景，能满足高速数据传输需求，且在适配未来高规格 SerDes 方面可能比LPO更具潜力。随着 数据量爆发式增长，对高速传输需求日益迫切，CPO 因具备满足高速传输需求的优势以及较大技术潜力，能跟上技术升级步伐，为行业发展提供持续技术支持。 目前CPO技术已经开始小批量商用。在2022年，博通就与腾讯合作，博通将提供25．6Tbps Humboldt CPO交换设备，采用博通Tomahawk®4交换芯片，直 接与4个3．2Tbps SCIP光学引擎耦合和共封装。

CPO加速落地源于AI催化，推动先进封装、光互联(OIO)等新技术发展

本轮AIGC革命拉动了新一轮数据中心网络发展，CPO技术同样受益，主要发展催化点包括： 发展催化一：AIGC技术迅猛发展，算力需求激增，全球互联网云厂持续加大资本开支。四大北美互联网云厂商2025年规划资本开支合计预计超过3100亿美元， 中国四大互联网云厂2025年资本开支合计预计超过5000亿人民币。 发展催化二：英伟达、博通、Marvell等头部芯片厂商均在加速落地CPO交换机。博通已经研制了两代商用产品，英伟达已经研制支持IB协议和以太网协议的 产品。 发展催化三：国内交换机厂商已陆续发布CPO交换机，国内光模块龙头企业也在布局CPO技术。 本轮AIGC革命也推动了CPO技术加速迭代更新，未来CPO技术主要演进路径包括： 技术趋势一： 电信号SerDes传输速率不断迭代，2024年224G速率成熟，推动光电信号单通道传输速率再提升一倍，CPO集成度持续提升。未来随着 SerDes传输速率的提升，CPO技术能力将继续增强。  技术趋势二：通过硅光材料实现降本降功耗。 技术趋势三：采用3D先进封装，将光电芯片进行垂直互连，可以不仅能实现更短的互连距离、更高的互连密度和更好的高频性能，还能实现更低的功耗、更 高的集成度和更紧凑的封装。 技术趋势四：Ayarlabs、博通、intel等头部厂商均在积极研发Optical IO技术，实现算力芯片间的光互联。

二、CPO技术涉及各器件均有望迎来快速增长

CPO交换机主要图解

CPO交换机构成包括核心交换芯片、OE光引擎、光柔性背板/内部SMF及PMF光纤、电源等相关配套；前面板主要插入MPO/MXC/MMC连接器，ELS外置激励光 源，后面板主要放散热模块。交换机的交换芯片Switch ASIC将有源电信号输出，在光源的激励下通过光引擎将电信号转变为光信号，再通过光柔性背板/内部SMF光 纤传输到前面板的MPO/MXC/MMC连接器，最终将信号通过外部光纤传输到远端。

拆解CPO（1）：OE光引擎负责将交换芯片出口电信号转光信号

光引擎是光电转换功能中负责光信号处理的部分。光引擎的应用场景包括400G/800G等传统高速光模块、高集成度的共封装光学（CPO）交换机以及更多光互连领域。 光引擎主要分为基于硅光和基于VCSEL的技术路线，在CPO趋势下，光引擎的使用量或大幅增加。 传统光引擎多基于分立器件构建，采用III-V族材料（如InP、GaAs等）。其发射端由EML激光器搭配分立调制器构成，接收端则包含PIN/APD探测器与TIA芯 片，无源器件常见有透镜、隔离器、陶瓷套筒等。但传统光引擎独立封装结构导致体积较大，在高密度设备中难以满足高集成的需求，超高速率信号传输质量 难以适配未来高速网络需求。 基于硅光芯片的光引擎因集成度高、CMOS工艺兼容成为主流。硅光集成方案以硅及硅基衬底材料为基础，借助CMOS工艺开发集成，融合集成电路与光子技术优势， 具备高集成度、高速率、低功耗潜力等优点，适用于超大规模数据中心、长距离光传输及AI集群的高速通信需求。Vcsel光引擎方案以III-V族材料（如InP、GaAs等） 作为衬底，使用Vcsel阵列技术集成，在超短距离传输中具备成本和功耗优势，在800G及以下速率市场VCSEL方案凭借成本和功耗优势占据重要份额。当前基于硅 光芯片的光引擎因集成度高被视为未来主流，尤其在3.2T及以上速率场景中，其带宽密度和能效比优势将进一步凸显。

拆解CPO(2)：外置ELS激光器是目前光源主流方案

外部激光源ELS（External laser source）发射的激光经调制后，携带电信号转化的光信 号，通过光纤实现高速传输。业内有ELS内置和外置两种方案，外置方案是通过优化设计 和采用新型插芯等技术，提高设备集成度。 ELS外置趋势是朝着更高集成度、高速率、更小型化以及更便捷维护的方向发展。ELS将 与更多的光学和电学元件进行高度集成，减少系统体积和复杂度，提升整体性能。随着数 据中心网络向更高速率演进，ELS需要支持更高的带宽和数据传输速率。当前新华三 CPO 交换机采用新型 PELS 直通型外置光源。通过优化设计和采用新型插芯等技术，提高设备 集成度，使51.2TCPO交换机最低降至1U高度，节省空间；连接器可独立拆卸更换，方便 清洁维护，满足了数据中心对设备高效、可靠的需求。

拆解CPO（3）： FAU (光纤阵列连接器)将光纤与光波导对齐

FAU通过集成化设计，将多根光纤按特定规则排列固定，搭配高精度连接器，实现光信号的高密度输入/输出，具备 高重复性和低插入损耗特性，减少SMF/PMF与光芯片连接时的信号损失。 FAU通过“精细校准结构”实现纳米级校准，确保光纤与光波导精准对齐。在光引擎与外部光路的连接中，FAU作为 中间过渡单元，一端通过机械微结构或高精度接口对接SMF(单模光纤)/PMF(保偏光纤)，另一端连接光芯片的光波导， 确保光信号从光纤到芯片的高效耦合。以博通定制的光纤阵列连接器为例，其在14.43毫米长度内集成72条光纤，采 用127μm间距设计，包含光纤、高重复性连接器等部件，兼具低插入损耗、耐弯曲性能，且支持可插拔操作，便于 维护。

拆解CPO（4）：PMF（保偏光纤）保证外置光源的传输稳定

保偏光纤通过稳定偏振态，保证外置ELS光源传输稳定。保偏光纤通过引入双折射结 构，使两个偏振态的传播常数差异显著，抑制模式间耦合，从而保持偏振态稳定。普 通光纤中光信号的两个正交偏振态传播速度相同，易受外界干扰导致偏振态随机变化。 在CPO方案中PMF(保偏光纤)保持光信号偏振态稳定，且在复杂电磁环境或长距离传 输中，PMF可减少偏振模色散（PMD），提升信号质量。SMF与PMF混合封装， PMF作为特种光纤单价远高于SMF。

拆解CPO（5）： Fiber Shuffle （光纤分配盒）管理路由光纤束

Fiber Shuffle是实现高密度光纤路由的方案，保偏光纤和普通光纤都可以“印 刷”在Fiber Shuffle上。Fiber Shuffle可以支持多样化光线配置，提高系统集 成度，控制光纤弯曲半径在公差范围内，标准化光纤从光引擎到中间板的长度， 保障高速光连接的稳定性与可靠性。以US Conec的EZ Shuffle 系统为例，该 产品可简化高达256根光纤的路由过程，通过精密光纤管理槽位维持光纤排列顺 序，支持光纤交叉、环回、菊花链等多种组装类型的光纤管理，确保光纤布局 有序，避免缠绕。 Optec 51.2Tb CPO的fiber shuffle 方案集成1024根SMF和128根PMF，搭 配MXC®、MT、MMC®-16等多种连接器，满足高速信号传输的接口需求， 同时控制光纤弯曲半径以保障插入损耗和可靠性，价格在1000美金左右。

拆解CPO（6）：MPO(光纤连接器)实现数据中心内光模块互联

MPO连接器采用MT插芯实现多根光纤并行连接，具备高密度链接、高速通信、扩展性和易于 维护性特点。通过插芯和机械结构，将两根光纤的端部精确对准，使光信号能够在光纤之间稳 定传输。 在数据中心内，光模块通过MPO互联完成数据传输。在数据中心机柜间，通过MPO-MPO光 缆连接两侧的 MPO 配线架 ， 实 现 交 换 机 、 服 务 器 等 设 备 的 高 速 光 互 联 ， 支 持 40G/100G/400/800G等高速率传输，单根MPO线缆可集成12芯、16芯、24芯甚至更多光纤， 大幅减少布线数量，节省机柜空间。根据FS飞速网价格，当前24 Fibers MTP®/MPO售价81 美元，8 Fibers MTP®/MPO售价69美元。

CPO拆解（7）：EIC（电芯片）处理电信号，与光芯片共封装

传统的光模块包括光电处理两部分，CPO交换机大大缩短电气连接，电信号基本以EIC方式存在。 PIC 位于 EIC 之上：在此配置中，PIC 位于 EIC 顶部。然而，在 EIC 中创建 TSV 可能具有挑 战性，因为它通常需要在先进的晶圆节点上制造。为了克服这个问题，我们采用了晶圆级扇 出工艺，形成高铜柱以实现与顶部 PIC 的垂直互连。由此产生的光子 FOPOP 在光耦合方面 表现出色，因为 PIC 的悬垂部分允许光边缘耦合。 PIC 位于底部：使用其中形成的 TSV 与顶部 EIC 进行垂直互连。FAU 组装解决方案以及 PIC 翘曲控制对于这种光子无模2.5D 结构至关重要。由于更好的电源完整性和信号完整性，这种 设计提供了更好的散热效果，并且可以实现更高的传输数据速率，例如每通道超过 200G。 最终，光子无模2.5D结构提供了卓越的解决方案，使得带有TSV的PIC成为硅光子学不可或缺 的一部分。

三、产业链各关节头部公司均在积极布局CPO

CPO及硅光产业链图谱

CPO产业链主要包括上游原材料与设备供应商、中游CPO产品设计与制造商、下游应用领域及最终用户等环节。产业链上游主要包括用于制造CPO产品的原材料(如硅材 料、光学元件、电子元件等)以及生产设备(如光刻机、刻蚀机、封装设备等)。中游是CPO产品设计与制造商环节，负责将上游提供的原材料和设备进行加工、组装和 测试，形成具有特定功能的CPO产品。下游为CPO应用领域，CPO产品的应用领域非常广泛。 CPO相对于传统光模块，减少了部分有源器件，如激光器芯片、探测器芯片等，增加了集成多种光器件的光引擎、硅光芯片和薄膜铌酸锂调制器等，故CPO产业链上游 中硅光光引擎和ELS/CW光源需求增长，相关厂商迎来机遇；中游光模块需适配技术升级，封测更重要，光纤管理硬件和连接器领域企业业务拓展；下游数据中心等应 用端推动研发应用，设备环节率先受益，整体呈现积极发展态势。

MPO/MT插芯、光纤柔性板主要供应商：太辰光

太辰光一家集研发、生产、销售为一体的高科技企业，是中国陶瓷插芯行业的主导企业之一，也是国内MPO/MTP光连接器细分市场的领先企 业，是全球数据中心建设相关光互联器件产品需求的重要供应商之一。公司主要从事的产品包括陶瓷插芯、光纤连接器、耦合器、光纤光栅等 光器件以及光传感监测系统，产品主要销往海外。公司作为一家高科技民营企业，十多年来发展快速而稳健。太辰光2024年前三季度实现营 业收入约9.16亿元，同比增加47%；归属于上市公司股东的净利润约1.46亿元，同比增加39.09%。 在2024年5月的“中国光谷”光电子博览会暨论坛上，公司展示了陶瓷基板、柔性光纤板、MT短跳线/组件。根据公司招股书披露，公司与 康宁（领先的数据中心高密度预端接光缆系统解决方案）有这常年合作。

保偏光纤头部供应商：长飞光纤

长飞光纤是世界领先的光纤预制棒、光纤及光缆供货商之一，主要生产和销售通信行业广泛采用的各种标准规格的光纤预制棒、光纤、光缆， 基于客户需求的各类特种光纤、光缆，以及射频同轴电缆、配件等产品，公司拥有完备的集成系统、工程设计服务与解决方案，能为世界通 信行业及其他行业(包括公用事业、运输、石油化工及医疗)提供各种光纤光缆产品及相关解决方案，在全球60多个国家和地区提供优质的产 品与服务。 长飞光纤开发的抗弯R5系列器件保偏光纤，在解决宏弯损耗、宏弯串音和全温串音等关键指标的同时，还兼顾了客户端应用性能，包括研磨 性能、熔接性能等等。R5系列器件保偏光纤包括：C波段抗弯R5保偏光纤、C波段耐高温抗弯R5保偏光纤和O波段抗弯R5保偏光纤。该系列 光纤专为5mm小弯曲半径保偏光纤器件开发，在10圈5mm弯曲半径条件，具备小于0.1dB的宏弯附加损耗和小于-30dB的串音指标。公司 的全系列保偏关系包括：常规器件保偏光纤、抗弯型器件保偏光纤/细径型器件保偏光纤、小模场器件保偏光纤。

报告节选：

编辑：火腿肠