最近这段时间,CPO共封装光子概念又火了起来,主要原因就是24年12月末经济日报的新闻,传台积电与博通共同开发的CPO交换机已经成功试产,具体如下图。
具体来说,MZM 可以改变以下几个光学特性:
1. 光的强度(Intensity)
当两条光路的相位差为整数倍的
2. 光的相位(Phase)
原理:MZM的一个臂上施加电场,可以改变光的相位。通过调节输入电压控制光信号的相位偏移。
通俗来讲,光就像水波一样有波动,MZM 能够让光波“往前走一点”或者“往后退一点”。这种变化就叫改变相位,用于让光带着更多的信息。
应用:用于光学相位调制(PM,Phase Modulation),例如在相位编码通信系统中。
5. 光的幅度和相位联合调制
原理:通过控制MZM的两个臂的驱动电压,可以同时调节输出光的强度和相位,形成复合调制(如正交幅度调制QAM)。
通俗来讲,MZM 还能让光的亮度和波形同时发生变化,比如让光既“亮一点”又“波形往前走”,这样光能携带更复杂的信息,就像广播能传送音乐而不是简单的“嘀嘀声”。
应用:在现代高速光通信系统中,用于高阶调制格式(如QPSK、16-QAM等)。
讲到这里,大家应该可以明白博通原先方案用的调制器的基本原理和功能。那么接下来讲讲台积电方案用的微环调制器的基本原理和功能。
微环调制器MRM
共振条件公式如下。
其中,m指的是共振模式的整数阶数,λ指的是共振波长,R指的是微环半径,n指的是波导的有效折射率。通过外加电信号改变 n
具体如何改变这个折射率 n 有电光效应、热光效应、载流子注入效应,本质都是施加电信号。
简单来讲,MRM也可以实现强度调制、相位调制以及联合调制(需要微环更复杂的组合形式)。
马赫-曾德尔调制器MZM VS 微环调制器MRM
上面将基本原理的时候大家应该可以看到,MZM对波长没有选择性,任何波长的光都可以通过,那么这里就需要前置解复用器DEMUX将不同波长的光解复用到不同的MZM中进行调制。而MRM天然对波长具有选择性,只针对特定波长的光进行调制,那么也就实际上也可以充当复用MUX/解复用器DEMUX的角色,可以节省CPO的尺寸。
其次,对于MZM和MRR本身尺寸来说,MZM与MRR的面积相差N个数量级,以参考文献[1]为例,相差接近40000倍。当然在实际制作过程中要考虑到可用性等工程性问题,这里打个大折扣到100倍。
然后,MRM的功耗通常在几十至几百微瓦(μW)范围内,尤其是在使用载流子效应进行调制时。而MZM的功耗可能在数毫瓦(mW)到数百毫瓦范围,根据具体设计和应用不同而有所变化。当然,这里也只是单纯只从器件本身出发进行比较,如果加上温度控制等因素,这个功耗差距会减少,但MRM也存在明显优势。
那么,单纯从器件本身来讲,MRM就已经具备了一定的优势。但是MRM也有调制深度等方面的问题,这里就不赘述。
其余的方面,比如光纤的扇出,台积电的光栅耦合技术通过精确控制光波的衍射,可以实现多路光信号的有效扇出。这种技术使得单一光源可以被分配(扇出)到多根光纤接口中,这些光纤接口可以设计为可拆卸形式,使得维护和升级变得更加简便。与博通的老方案比较也没有任何劣势。
既然作为CPO交换机一把手的博通转了向,Marvell还远吗?其他的交换机厂呢?
CPO的出现,在现实意义上讲,对可插拔光模块和LPO的打击可能没有那么大,共存一定是常态。但是在投资意义上讲,被替代的达摩克利斯之剑高悬于顶,时不时的消息一定对可插拔和LPO造成极大的预期利空。最后,我们来从功耗上对CPO、可插拔光模块以及LPO进行比较,如下图。CPO功耗为241+118=359 W,LPO为630 W,可插拔为1024 W,几乎每一代都是50%的提升。那么到了片上光互连ONoC时代呢?
在电子设备中,大部分功耗最终会转化为热能。这是因为电流通过电子设备的电阻性部件(如电路、晶体管等)时会产生热量。那么,简单的也可以将功耗和热量划个等号。功耗的降低必然伴随着散热的下降,那么对于液冷等散热方向意味着什么呢?
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[1] Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages
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