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云计算和人工智能的爆炸式增长——从生成式计算、推理到（最终的）智能体系统——正在对带宽产生前所未有的需求，因为数据中心内部和数据中心之间需要传输的数据量持续激增。反过来，这也暴露了底层互连技术的日益局限性，这些互连技术不仅覆盖数据中心架构和机架层面，还深入服务器内部——直至封装和芯片层面，连接着XPU、内存和其他系统组件。

铜基（电气）互连凭借其低成本、简易性和可靠性，长期以来一直是业界的主流技术。然而，如今它们正日益受到根本性限制：虽然可以实现高能效的电气链路，但其传输距离通常非常短（毫米级）。在更长的距离和更高的通道速率下，功耗会急剧上升，散热限制会加剧，信号完整性也会下降。换句话说，电气I/O正迅速成为扩展下一代人工智能和机器学习系统的关键障碍。

光互连已成为未来发展的关键路径。它使用光信号而非电信号传输数据，因此对距离的敏感度大大降低，从而显著提高了能源效率，同时有效缓解了铜缆链路固有的串扰和散热问题。然而，随着对（多）太比特每秒接口、超高能源效率和极低（亚微秒级）延迟的需求日益增长，光互连技术也正被推向新的极限。

满足这些要求需要的不仅仅是渐进式创新。它需要对光互连路线图进行根本性的重新思考；这种重新思考需要逐步将光学器件更靠近硅片——从前面板到封装，最终牢固地集成到晶圆堆叠中。

可插拔光学器件（PO）：经久不衰且至今仍然非常活跃的主力军

二十多年来，可插拔光收发器一直是高速电信和数据通信网络的中坚力量，为从企业工作负载和视频流到当今超大规模云基础设施等各种应用提供支持。可插拔光收发器插入交换机、路由器和服务器的标准化端口，将主机发出的电信号转换为光信号，并通过光纤传输，并在接收端再次转换回电信号。

他们做到了：

• 模块化和灵活性——光学元件可以独立于（电气）主机进行升级。
• 可维护性——可插拔元件支持热插拔，这意味着可以在不停机的情况下更换它们。
• 多厂商互操作性——通过IEEE 802.3标准以及广泛采用的多源协议(MSA)外形尺寸（如QSFP、QSFP-DD和OSFP）实现。
• 热稳定性——光引擎位于前面板笼中，与高功率密度ASIC物理隔离；这有助于保护激光器、调制器和光电探测器免受过热影响（提高可靠性）。
• 通过提高波特率（每秒在单个光通道上传输的符号数）、采用更高阶的调制方式（例如PAM-4）以及增加并行通道的数量，可插拔光收发器在连续几代中从100/200G扩展到400G和800G。

尽管可插拔光器件技术已经成熟，但仍在不断发展。例如，第一代1.6T可插拔收发器——采用200Gbps的单通道数据速率，并结合八通道并行架构——正接近样品制作和早期部署阶段，其目标应用是单模光纤上的直达(DR)数据中心内部链路以及前向(FR)连接。

关键的推动因素是硅光子学（SiPho），它通过（基于硅的）光学和电子构建模块的组合来支撑这种扩展，其中包括马赫-曾德尔调制器，它在实现经济高效的每通道200Gbps操作的同时控制功耗方面发挥着核心作用。

展望未来，在本十年末，业界正着眼于3.2T可插拔光器件这一里程碑式的目标。然而，要达到这样的性能水平，需要高速电子器件、封装技术和热管理技术的持续进步，以及硅光子学（SiPho）工具箱的大幅扩展。例如，在发射端，光调制器需要支持超过100GHz的带宽，同时保持低插入损耗和高调制效率——仅靠传统的硅器件，这些要求越来越难以满足。

为了克服这些局限性，人们对高性能电光材料（例如铌酸锂(LiNbO₃)和钽酸锂(LiTaO₃)）的异质集成产生了浓厚的兴趣。微转移印刷等技术为将这些材料集成到硅光子平台上提供了一条很有前景的途径。早期结果令人鼓舞，但仍需进一步研究以将这些方法扩展到大规模生产——从而使未来的3.2T模块能够像可插拔光学器件一样，兼具实用性、可靠性和成本效益，而正是这些特性使得可插拔光学器件成为行业的主力军。

与此同时，人们也在探索其他扩展方案。例如，极限可插拔光器件（XPO）等概念旨在通过进一步提高带宽密度，将容量提升至12.8T，但这会显著增加系统复杂性，并且需要液冷，这至少目前会影响成本和实际部署。

双重世界首创：通过微转移印刷技术将LiNbO₃和LiTaO₃集成到SiPho上

随着光互连技术的发展（需要）超越目前每通道200Gbps的标准，基于GeSi的器件越来越难以同时满足带宽和能效的要求。虽然GeSi调制器在C波段已展现出每通道400Gbps的扩展能力，但在O波段尚未实现如此高的性能。为了实现可插拔光互连技术的下一个性能飞跃，研究人员正在探索将先进的电光材料（例如铌酸锂(LiNbO₃)和钽酸锂(LiTaO₃)）异质集成到硅光子器件上，从而为新型高速调制器和光电探测器的开发铺平道路。

微转移印刷技术是一项极具前景的赋能技术，它能够将薄膜材料精确地放置在硅磷晶圆上，避免了传统晶圆键合技术通常伴随的材料浪费、键合后工艺复杂性和高昂成本。两项世界首创成果凸显了该技术的潜力：

首先，imec和根特大学的研究人员展示了一条在2公里单模光纤上传输的320Gbps O波段无放大光链路。该链路采用高带宽100GHz锗光电二极管，并结合转移印刷的薄膜铌酸锂马赫-曾德尔调制器(MZM)，集成到SiPho平台上，并与定制设计的行波驱动器和传输不稳定性放大器(TIA)共封装。这项工作标志着首次利用微转移印刷技术将铌酸锂调制器无缝集成到硅光子平台上。

该团队还首次实现了在硅光子集成电路上异质集成LiTaO₃调制器。研究人员采用之前应用于铌酸锂的微转移印刷技术，实现了与整个晶圆堆叠的完全兼容，从而能够与其他光子构建模块（例如加热器、滤波器和锗光电探测器）进行共集成，且不影响其性能。

尽管这些调制器尺寸仍然相对较大，但它们为进一步缩小可插拔收发器的尺寸提供了一条可行的途径，因为可插拔收发器对尺寸的限制相对宽松。与此同时，人们正在探索其他器件方案，以满足未来共封装光学器件更严格的尺寸和集成要求。这些方案包括工作在C波段的紧凑型超高速GeSi基调制器，以及基于将III-V族材料集成到硅光子平台的新兴方法。

要将这些异构集成方法扩展到大规模生产，还需要进一步的研究。尽管如此，研究结果凸显了在硅光电（SiPho）上集成频率高于100GHz的电光器件的一条很有前景的途径——这项能力被广泛认为是未来3.2T可插拔模块和支持人工智能驱动基础设施的下一代光互连的关键所在。

快速窄带共封装光器件(CPO)：光互连路线图的关键支柱

然而，可插拔光器件并非解决所有挑战的万能方案。生成式人工智能工作负载的快速增长正推动光互连技术不断深入计算服务器和加速器集群——直至芯片级互连。

在这种规模下，一系列新的限制因素随之出现。可插拔光收发器依赖于极高的波特率，并结合复杂的数字信号处理(DSP)来补偿信号衰减。虽然这在机架或数据中心级别运行良好，但对于人工智能和机器学习系统中短距离、芯片间光互连而言，与繁重DSP相关的功耗和延迟问题日益突出。因此，它们需要本质上纯净的光通道，以及极低的误码率，从而使每个通道都能在无需过多均衡或DSP开销的情况下正常工作。

正是这种转变推动了高速窄带共封装光器件（CPO）的普及。在CPO系统中，光器件与（开关）硅芯片或计算芯片紧密相邻，将电路径从几厘米（如可插拔器件）缩短到几毫米甚至更短。通过将电光转换点直接移至ASIC芯片旁边（在同一封装内），CPO显著提高了信号完整性，最大限度地降低了电损耗，并减少了延迟——而无需依赖功耗高的DSP。这使得CPO成为扩展下一代人工智能和高性能计算系统的理想架构。

但随着早期CPO部署的出现，集成复杂性仍然是该技术面临的主要挑战之一。与可插拔光器件（其光模块（基本）是独立的）不同，CPO需要紧密的协同设计和协同优化，包括光子集成电路（PIC）、电子集成电路（EIC）、开关专用集成电路（ASIC）、光纤耦合策略、热管理和先进封装。应对这一多学科挑战是imec光互连项目的核心目标之一。

在CPO领域（也称为OIO2.5D），imec的主要研究目标包括：

• 将光学引擎容量从1.6T和3.2T扩展到6.4T，最终达到12.8T。
• 实现快速窄带400Gbps通道速率，带宽密度接近每毫米1Tbps。
• 实现高达5pJ/bit的能源效率，未来几代技术有望达到3pJ/bit。
• 将整个光学堆栈（调制器、光电探测器、耦合器、光纤连接和热解决方案）集成到一个可制造的封装中。

实现这些目标很大程度上取决于先进的半导体封装技术，这些技术支持光子和电子元件的密集集成——例如2.5D中介层架构、硅通孔(TSV)、扇出晶圆级封装(FO-WLP)以及（日益普及的）混合键合实现的3D集成——以及先进(III-V)材料的使用。

此外，还有光源的问题。虽然长远目标是将激光器直接集成到光子芯片上，但早期的CPO系统仍将依赖外部安装的激光器。这种方法简化了热管理，并缓解了激光器在高温ASIC附近运行所带来的长期可靠性问题。其缺点在于：需要更高的输出功率来补偿光损耗，封装更加复杂，并且需要额外的光纤和连接器将光导入封装内部。

利用基于硅的EAM实现了首个单通道400Gbps净传输速率。

2025年10月，imec宣布了下一代光互连技术的重大进步：一款频率超过110GHz的C波段GeSi电吸收调制器(EAM)，每通道净数据速率可达400Gbps。

该器件利用弗朗茨-凯尔迪什效应，兼具尺寸小、速度快和功耗低的优点。此外，由于其采用GeSi技术，因此可以无缝集成到300mm CMOS兼容的SiPho平台上，为大规模量产提供了清晰的途径。

这一突破体现了十多年来在器件和系统层面协同推进的成果。在器件层面，imec优化了器件尺寸、掺杂方案和外延生长工艺。在系统层面，一套稳健的PAM-4 IM/DD传输系统验证了单通道持续400Gbps的传输速率，证明了GeSi EAM技术已具备应用于未来高通道速率光引擎的实用性。

3D集成光学（OIO3D）：下一个前沿领域

随着人工智能和机器学习系统规模的扩大，需要数千个紧密互连的加速器，每个加速器都通过几毫米的距离连接到高带宽内存堆栈和对等处理器，光互连的要求也变得更加极端。未来十年，预计光互连将支持接近（甚至超过）10Tbps/mm的带宽密度、远低于1pJ/bit的能效以及超低延迟（<100ns）。这些目标甚至超越了先进的CPO架构所能达到的水平。

为了满足这些要求，光学器件必须突破封装的限制，进入晶圆堆叠本身。这正是3D集成光学的基础。通过将电路径缩短至微米级距离，OIO3D实现了超短、高带宽、高能效的光链路，从而使高密度芯片间光学结构成为可能。

实现三维集成光学器件需要克服几项重大的技术挑战。这些挑战包括可扩展的激光集成、高效高带宽电光器件（例如，基于硅锗、铌酸锂、钽酸锂、磷化铟或钛酸钡的器件）的开发，以及在高密度堆叠环境中实现稳健的热管理。同样至关重要的是晶圆级超精密键合和对准技术。

OIO2.5D与OIO3D

OIO2.5D是CPO的进化版，它将高密度光子集成与可控的封装复杂性相结合，将光子芯片和电子芯片并排放置在共享的硅中介层上。光子层采用芯片到晶圆的铜基混合键合技术进行集成，该技术可实现超短、低寄生电流路径。

该架构最初面向8-32Tbps范围内的光引擎。它利用32-64 Gbps的单通道速率，并针对低功耗、无DSP运行进行了优化，以最大限度地降低延迟和发热量。波分复用（每根光纤8-32个波长）可在不增加光纤数量的情况下进一步提升总带宽。该技术路线图的目标是实现每毫米2Tbps的带宽密度和接近2 pJ/bit的能效。

OIO3D代表了光互连领域最先进、最具雄心的愿景。在这种技术中，光子层直接堆叠在计算硅的上方或下方，从而构建出真正的芯片级光学结构，将电路径压缩到微米级距离。

这种方法依赖于芯片到晶圆和晶圆到晶圆的混合键合，从而实现超细间距的垂直互连。凭借这种垂直集成水平，OIO3D旨在将带宽扩展到每秒数十太比特（甚至更高），同时将能效目标设定在2 pJ/bit左右——并最终实现亚pJ/bit的能效。

晶圆级激光器集成是关键的研究方向，采用异质III-V族材料，例如量子点GaAs/Si。欧盟芯片法案试点项目正在积极探索这一技术，以用于未来的大规模光子系统。

将钛酸钡集成到300mm SiPho平台上

2026年1月，Veeco Instruments Inc.和imec宣布了一种300毫米大批量生产兼容工艺，用于将钛酸钡(BaTiO 3,BTO)集成到硅光子学上。

凭借卓越的电光特性，BTO可用于制造高速、低功耗调制器，应用范围涵盖光收发器、量子光子学、激光雷达和增强现实/虚拟现实等领域。然而，由于成本、均匀性和制造工艺方面的限制，长期以来，将BTO大规模应用于硅片一直面临挑战。

Veeco近期与imec合作，交付了其首个专为300mm晶圆定制的分子束外延（MBE）集群系统。该平台支持在硅衬底上生长单晶BTO薄膜——采用固态和混合MBE技术——与传统MBE解决方案相比，显著提高了重复性、材料质量和总体拥有成本。

时间线概览

纵观光互连技术的发展历程，很明显，不同的方法的发展时间表各不相同。

可插拔光器件已在全球范围内大规模部署，目前正进入一个以渐进式技术优化而非根本性突破为主导的阶段。其发展路线图仍在继续——朝着1.6T和3.2T模块迈进——在新架构逐步普及的同时，可插拔光器件在许多应用场景中仍将保持竞争力。

共封装光器件（CPO）也正逐步走向（相对）成熟。关键构建模块正逐步过渡到试生产线支持、供应链准备和晶圆级服务——与此同时，业界仍在不断追求更高的带宽、更快的通道速率和更高的能源效率。预计从2027/2028年开始，CPO将迎来大规模的广泛部署。

3D集成光学技术仍处于早期研发阶段。目前的研究重点在于探索发展路径和构建器件/集成工具箱。预计首批概念验证样机将在三到五年内问世，更广泛的商业化应用预计将在五到十年内实现。

将下一代光互连技术推向市场

imec通过其光互连研究计划，开发未来光收发器的关键构建模块，在商业部署之前数年就预测市场需求。

imec的优势在于其真正的一站式研发环境，汇集了硅光子学、先进CMOS、3D集成、材料研究和系统级建模等领域的专业知识。这种广度使研究人员能够比在大规模生产环境中更快地探索新概念，从而缩短开发周期，并自由地采用非常规（集成）方法。imec的跨技术优化(XTCO)战略进一步强化了该项目，该战略推动了跨技术领域的规模化发展。

imec光互连研究团队与imec半导体制造支柱IC-Link之间的紧密合作是推动技术发展的关键因素。imec的早期研究侧重于探索和原型开发，而IC-Link则通过优化工艺流程、提升可制造性、建立测试策略以及整合更广泛的供应链，帮助技术达到更高的成熟度。通过IC-Link，产业合作伙伴还可以利用imec的200mm和300mm iSiPP硅光子平台访问和评估这些技术，从而为从早期创新到产业部署铺平道路。

除了IC-Link项目之外，imec还通过多种合作模式与工业伙伴保持密切联系。这些合作模式涵盖了指导性项目（imec及其合作伙伴共同探索新兴技术）、有针对性的双边合作项目（由合作伙伴的具体需求驱动），以及长期的核心合作伙伴关系。与此同时，imec还与设备供应商紧密合作，从而能够在先进工具和工艺能力投入商业应用之前对其进行早期验证。

这些互动共同确保imec的光互连研究始终牢牢扎根于现实世界的系统需求，同时加速将先进技术转化为市场可用的解决方案。