随着 AI 快速发展，全球算力需求急速升温。自 2012 年以来，用于 AI 模型训练的算力需求几乎每四个月就翻倍，远远超过摩尔定律所能支撑的速度。这意味着，单靠传统积体电路，已难以满足 AI 时代对算力的爆炸性需求。
在此背景下，矽光子（Silicon Photonics）技术应运而生。矽光子利用 CMOS 半导体制程，在矽或矽基衬底材料（如 SiGe/Si、SOI）上制造光子器件，包含发光器件、调制器、探测器、光波导等。透过这些元件，矽光子能高效地激发、处理与传输光讯号，大幅提升资料传输速度并降低损耗，应用于光通信、光互连及光计算等领域。
然而，矽光子技术仍受到材料特性的限制：矽本身难以高密度整合光源，波导与调制器也存在损耗与速率的瓶颈。为了突破这些问题，业界正积极推进矽基光电异质集成技术。这种做法一方面保留矽在 CMOS 制造上的大规模量产优势，另一方面结合其他材料的光电特性，借此打造更高性能的器件，并推动矽光子真正迈向单片集成系统。
共封装光学CPO 介绍
目前资料中心的主流方案仍是传统可插拔光模组（Pluggable Module）。这类模组由 TOSA、ROSA、光源、光电探测器与连接器组成，具备可热插拔的便利性，长期以来是光通讯的标准配置。然而，传统可插拔光模组在传输的过程必须透过多段铜线进行讯号传输（ASIC → 基板 → PCB → 模组内部），在高速场景下损耗严重：当速率上升至 200G 时，每公尺的损失超过 20dB，进一步提升至 3.2Tbps 时，更会因讯号衰减与散热过热问题而无法有效运作。
为解决这些瓶颈，共同封装光学（CPO, Co-Packaged Optics）应运而生。CPO 将电子积体电路（EIC）与光子积体电路（PIC）直接整合至交换器 ASIC 封装内，让光模组更靠近核心晶片（如 ASIC），将电讯号传输距离从数公分缩短至毫米级。这种设计大幅降低讯号衰减与串扰，并在频宽、功耗与空间效率上展现突破。
相较于传统模组，CPO 的优势主要有：
- 更高性能：支援高速与高容量传输。
- 能效改善：根据 Cisco 统计，CPO 取消高功耗的 DSP，并透过低功耗 SerDes，系统功耗可降低 25%–30%，其中 ASIC 连接所需功耗最多可减半。
- 小型化与散热优化：尺寸更小，提供更佳的通风效率，降低系统温度与风扇功率。
- 成本优势：在高密度部署下具备更高经济性。
不过，CPO 也存在挑战：一旦损坏不易更换，且业界尚未统一规格，根据产业预期，CPO 将于 2027 年逐步成为市场主流。
CPO 关键结构
1. 矽光引擎（OE）
矽光引擎（OE） 是 CPO 交换机内部进行光电转换的核心架构。它采用 3D 封装，将激光器、探测器、调制器等光学元件直接堆叠整合到与 ASIC 相同的封装中。这种方式相较 2D/2.5D 更紧凑，能最大限度降低信号损耗与功耗。
2. 外置雷射（ELS）
CPO 系统中，内置雷射寿命易受时间与温度影响，且损坏后无法修复，需更换整组光引擎，导致维修成本增。因此，许多厂商改用外置雷射方案外置方案如 External Laser Small Form-Factor Pluggable（ELSFP），将雷射置于模组内，透过其雷射作为光源照射 CPO 中的矽光元件并进行调变，雷射失效时可直接更换模组，降低 CPO维修成本，此外，其连接介面由 OIF 制定，可透过标准化降低成本并促进市场扩展。
3. 光纤阵列（FAU）
在 CPO 系统中，PIC 与 FAU 的精确光学对准是最关键的环节之一。随着通道数量增加与晶片面积扩大，对准的难度也大幅提升。FAU 通常以 V 形槽基片固定多芯光纤，将裸露光纤置入 V 槽中，由加压器压紧并以胶水黏合，最后经研磨与抛光达到高精度。以 ELSFP 方案为例，当光讯号从 PIC 输出至光纤时，必须先经过 FAU 进行对准与耦合，才能确保光讯号高效稳定地传输。
4. 保偏光纤（PMF）
常规光纤在生产中容易因受力或弯曲导致双折射，进而改变光的偏振态。保偏光纤则透过特殊纤芯设计，强化双折射效果，以抵消外部应力对偏振态的干扰。在 ELS 功率较高（超过 100 W）的应用下，CPO 交换器部分光纤需使用保偏光纤，确保光讯号能沿单一偏振方向稳定传输。不过，为兼顾成本，CPO 仅在光输入阶段采用保偏光纤，而输出则维持使用价格较低的常规光纤。
5. MPO 连接器
CPO 交换机内部需要大量光纤部署。与单芯光纤连接器不同，MPO 属于高密度多芯连接器，可支援 8 芯至 144 芯以上的光纤，大幅减少布线空间与复杂度，因此被广泛应用于数据中心内部互联。CPO 虽然缩短了光引擎与交换 ASIC 之间的距离，但同时增加了光引擎至机箱前面板的布线需求。因此，CPO 内部光纤连接器多采用高芯数 MPO，以降低前面板端口数量。进一步来看，CPO 交换机内部甚至可能导入保偏 MPO。然而，保偏 MPO 必须确保 MT 插芯上的所有光通道同时耦合对准，技术难度显著提升，也使得 ASP 随之上升。
6. Shuffle box
交换机内部的光讯号通常先由 MPO 介面输入，再经由分纤盒拆分为四路，分别连接至四个不同的交换机晶片。此举能将信号来源切割至最小单元，便于后续处理。最终，数据在 CX8 网卡端完成汇聚。而在这一流程中，Shuffle box 扮演关键角色，负责信号的分配与处理，确保资料能高效且精准地传输。
实务上来说，以 NVIDIA Quantum-X Photonics InfiniBand 为例，交换机芯片发出的电信号，首先经由调制器转换为光信号，再输入 OE 模组。随后，信号透过 FAU 对齐并导入 MPO 接口。之后，光信号有两种路径：一部分经普通光纤传输至交换机面板端的 MPO 端口，另一部分则透过保偏光纤传输至面板端的 ELS 外置雷射光源接口。
CPO 相关厂商
Broadcom
Broadcom 自 2022 年推出首款 CPO 交换机，搭载 Tomahawk 4（25.6Tbps），透过光电整合显著降低功耗。2024 年，公司推出 Bailly 交换机，搭载 Tomahawk 5（51.2Tbps），功耗降至 5.5W/800G，并支援多速率与大规模端口配置，同时，引入 TWMZM 调制器与 FOWLP 封装，进一步提升互连效能。2025 年，Broadcom 发表 Tomahawk 6（102.4Tbps），支援 100G/200G SerDes 与 CPO 架构，满足 AI 网路部署对高效能、低功耗与系统整合的需求，进一步巩固其在资料中心网路基础设施的领先地位。
Marvell
Marvell 自 2022 年起积极布局 CPO 技术。在 OFC 2022 上，公司展示了面向 51.2T 交换机的 3.2T CPO 平台雏形，奠定基础。2024 年，Marvell 在 OFC 发布业界首款 3D SiPho 光子引擎，支援 200Gbps 电/光接口，成为将 CPO 集成至 XPU 的关键模块。2025 年 1 月，Marvell 宣布基于最新 HBM 架构，已能协助客户将 CPO 无缝整合至下一代定制 XPU。这一突破使 XPU 连接从单机架内铜缆互联，进化为跨机架数百个 XPU 的光连接，大幅提升 AI 伺服器的性能与可扩展性。
NVIDIA
在 2025 年 GTC 大会上，NVIDIA 发布 Quantum-X 与 Spectrum-X 矽光共封装晶片，并同步推出三款交换机新品：Quantum 3450-LD、Spectrum SN6810 与 Spectrum SN6800。Quantum-X 系列基于 InfiniBand 架构，锁定 HPC 与 AI 超算应用，预计于 2025 年底上市。Spectrum-X 系列则基于以太网技术，面向云端与大型数据中心，预计于 2026 年推出。
台积电
台积电在 2025 年 1 月于 3nm 制程上成功调试 CPO 关键技术—微环调制器（MRM），实现与先进半导体封装的整合，预计今年下半年将量产 1.6Tbps 光电器件，首批客户可能包括 Broadcom 与 NVIDIA。同时，公司正开发紧凑型通用光子引擎（COUPE）技术，利用 SoIC-X 堆叠将积体电路直接整合至积体光路之上，以显著降低连接阻抗，性能优于传统封装方式，展现台积电在光电异质整合上的持续突破与战略布局。COUPE 发展计划有三个阶段：
- 第一代：集成至 OSFP 可插拔基板，速率达 1.6Tbps，超越现有铜缆以太网标准（最高 800Gbps）。
- 第二代：以 CPO 形式集成至 CoWoS 封装，速率提升至 6.4Tbps，并进一步降低延迟。
- 第三代：进一步将 COUPE 集成至 CoWoS 中介层，速率可达 12.8Tbps，实现光学连接更靠近处理器，目前仍处于探索阶段，尚未确定时程。
CPO 应用
IT 电信
矽光子凭借着高速、低功耗的优势，有望在 IT 产业中发挥重要的角色。在 5G 网路 中，矽光子已能应用于基站与传输环节，透过更快的光电转换与低能耗传输，确保高效能与高可靠性。展望 6G，矽光子 Tbps 级速率与微秒级延迟的潜力，将支撑超高清影音传输、AR/VR、自动驾驶等数据密集型服务，并推动分布式与自组网架构的落地。整体而言，矽光子正成为次世代通讯与边缘运算的关键基础，对 AI 与高频宽应用具深远影响。
数据中心
传统数据中心长期面临能耗高、散热压力大与传输速度受限的挑战。矽光子技术可提供高速、低功耗的互连方案，特别适用于伺服器与机架之间的高速光学互连。这不仅能满足不断增长的频宽需求，也可大幅提升数据中心的效能与能效表现，被视为推动新一代数据中心发展的关键技术。
感测器
矽光子技术正逐步扩展至车用与沉浸式应用领域。在汽车中，它可应用于 LiDAR 系统，实现更高精度的 3D 环境感测，并提升车内组件间的数据传输效率，有助于辅助驾驶系统升级，甚至支持车辆与基础建设间的高速通信。Mobileye 已在 2021 年 CES 上展示新型矽光子激光雷达 SoC，该晶片采用片上调频连续波（FMCW）技术，并计划自 2025 年起应用于自动驾驶汽车，成为矽光子跨足车用与智慧感测的具体落地案例。
生技医疗
矽光子凭借高密度集成与小型化特性，正快速切入医疗领域，不仅能用于生物感测器，提升光学诊断与成像的效率与准确度，也更适合植入式医疗器件的应用。透过整合波导、光调制器与光探测器等组件，矽光子可大幅强化医学成像、断层扫描与基因测序的性能，成为推动精准医疗与新一代医疗科技的重要技术。
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