Y11T34【通信基础】CPO、共封装
经常和LPO并列提到的一个词，叫CPO。
那还是从头说起，传统的热插拔即插即用的光模块，这个插拔的口子是在前面板，就意味着交换机系统板的主芯片与光模块的电信号连接距离比较长，约150-200mm
之前在800G光模块看到过一个采用M7 PCB互联的电信号的损耗曲线，换算一下，112Gbps PAM4信号带宽~30GHz，这个电学损耗~0.25dB/mm
传统的光纤的损耗，从dB/km换算到dB/mm，在112Gbps PAM4信号，光纤的损耗只有电信号损耗的百万分之一，几乎可以忽略。
另外，电信号的损耗随着信号频率的增加而增加。
光纤通信的光信号的光学损耗，并不会随信号频率增加而增加。
因为光学信号是调制在光载波上（载波频率228THz，调制112Gbps的PAM4信号），光载波频率并没有变，光学损耗不变。
降低电信号的损耗，有两个主要的解决思路，一个是选择低损耗的电信号导体与介质材料；另一个就是缩短连接距离。
CPO就是选择了第二种解决射频损耗的方式，将CPO光模块与交换机主芯片ASIC专有集成电路芯片封装在一起，降低电信号的互联距离，从而降低射频损耗。
VSR是CEI标准针对前面板光模块与ASIC芯片互联的电信号类别
XSR是CEI标准针对CPO共封装光模块与ASIC芯片互联的电信号类别。
在OIF标准里，定义了3.2Tbps CPO光模块，下图是51.2Tbps交换机与3.2Tbps CPO光模块的共封装示意图。
CPO，共封装光学，说的就是与ASIC芯片的“共”封装，以便缩短电信号距离，解决射频信号在高频下巨大插入损耗的难题。
在OIF的标准里，CPO定义了单模通信以及模块的外型结构。
OIF的CPO标准定义的单模通信，基本上去掉了VCSEL的可能性。模块的外型结构很小，基本上只有硅光集成可以满足这个小尺寸的布局。
OSFP现在多用于800Gbps的光模块，而CPO则定义了8x400Gbps的3.2T的模块容量。也就是需要在CPO有限的布局里实现数倍于OSFP光模块通信容量，采用EML方案很难，采用InP集成方案也很难，这就是为什么CPO与硅光集成技术深度捆绑的原因。
从另外一个角度来看，只要不是前面板热插拔光模块，产业里也把这些板上光学统称为CPO。
CPO这个概念是在2018年前后逐步提出的。在更早的2010-2018期间，非热插拔的OBO、OBA、COBO等光学概念，现在也愿意叫做CPO了。
另外，CPO在产业里还有一些更细化的分支概念，根据与ASIC主芯片距离的远近来细分，较远一些的叫做NPO，更近一些的叫做IPO。
从广义上来说，凡是非热插拔的光模块，都叫CPO的话，也不局限在标准目前所定义的单模通信，也就有了基于多模的CPO的一些产业的叫法。
多模CPO，用到的是多模的VCSEL加上PD。
日本几个厂家，如富士通、如古河等，定义了400Gbps基于VCSEL的CPO光模块，采用LGA下压式阵列栅格电接触方式。
几个美系厂家，如Finisar（现在的Coherent）、HP等，选择1-2Tbps的多模CPO，支持如16 VCSEL、24VCSEL等阵列。也采用LGA电接触。
LGA，无需回流焊，通过CPO模块下压与簧片接触即可。方便CPO组装与后期维护，且避免高温回流焊对CPO内部各材料的CTE热膨胀系数不一致导致的翘曲与裂纹，也避免高温下胶粘工艺对光路的影响。
狭义CPO的硅光方案，与广义CPO的多模VCSEL方案，二者有较大的区别。
硅光单模CPO，功耗比VCSEL多模CPO要大一些。
硅光单模CPO，可靠性更高一些，多模VCSEL采用的是化合物半导体制作的芯片，化合物的可靠性风险更大，而硅是单质半导体，失效风险相对较低。Y11T27 【通信基础】光芯片的气密性保护
再回到OIF定义的单模CPO
如果采用硅光集成芯片来制作CPO，那么芯片的封装工艺比传统热插拔光模块更为复杂
ASIC芯片的边长只有30+mm，CPO的宽度只有20+mm，在极其有限的布局空间里，每个CPO有32对Tx 差分线，32对Rx 差分线，以及控制信号线，电信号的布局密度要求极高。
硅光芯片采用键合打线的方式很难满足密度要求，Y11T32 【通信基础】打线、WB、键合、焊线
大多数CPO厂家选择了热压焊TCB工艺，如Intel，或者是晶圆级封装。
最起码要选择Flip Chip方案。
目前产业界非常非常热的在研究晶圆级封装工艺，2024、2025年基于晶圆级扇出式结构，在逐步克服工艺难点，接近商用。
晶圆级的封装，可利用半导体工艺，实现更细的线条，更细的过孔，实现高密度的电信号互联。
晶圆级封装，实现高密度，之后解理成Die，再组装成CPO即可。
晶圆级封装
组装后
晶圆级的组装，可以采用不同的过孔工艺，孔是用铜来做信号互联，但孔与孔之间的介质材料，选择不同，就会有不同的寄生效应。
硅通孔TSV，可以支持到~30GHz，也就是约112Gbps PAM4信号有些厂家选择TSV过孔结构，原因是硅是半导体，与通孔产生很大的寄生电容，这个寄生电容会引起一个谐振。
目前考虑更大带宽的高密度封装，一种是选择玻璃通孔TGV，但玻璃是刚性体，容易破裂。Y11T31 【通信基础】封装基板之COB、COC、COG、COW...
另一种是选择TMV，塑封通孔。利用硅光芯片在外围的“扇出”结构，旁边注入塑封射频介质材料，实现过孔的周边介质填充，可满足更大带宽的高密度互联。
塑封结构呢，有个问题就是，塑封介质的膨胀系数比较大，在芯片组装焊接的高温低温过程中会引起翘曲，会引起芯片互联间距的变化，要考虑各种情况下的电信号的可靠性，避免孔与线条的裂开，线条本身膨胀后断裂等现象。
CPO除了电信号的封装密度外，光纤的封装密度也比传统光模块更苛刻。
3.2Tbps的CPO，有32x112Gpbs/ch，那么32发，32收，在非WDM情况下，有64根信号纤，如果采用WDM，如4波WDM，那么信号光纤数量可以降低为64/4=16信号纤。如果采用波长复用，信号纤数量更少。
Y11T30 【通信基础】波分复用CWDM、MWDM、LWDM、DWDM
光纤阵列的要求，有两个难点，一个是光纤模场大，硅光的波导模场小，需要做模场转换，也就是SSC
常见的硅波导的模场转换有倒锥形taper，有三叉戟结构，有钻石花型结构，倒锥形前端工艺精度要求很高，可以扩大光场，但不利于降低生产成本，且生产的一致性较差。
目前很多厂家开始走向花式扩大模场的结构，如上波导的三叉戟结构，四波导的钻石结构，或者是五六七八波导的花瓣结构，目的是降低加工工艺的精度要求，降低生产成本，且可以达到与倒锥形结构类似的扩大模场的效果。
比花式结构更简单的是采用透镜进一步扩大耦合光场，降低耦合损耗，实现“盲插”光场适配。
除了信号光纤与CPO硅光波导做耦合外，还有一部分厂家选择外置激光器，如果是ELS的外置激光器，还需要考虑大功率激光器与光纤桥接硅光波导的特殊性。
首先是单模激光器通常是偏振敏感的设计，单模硅光波导也是偏振敏感的（有一些厂家开始研究偏振不敏感的结构），就需要保偏光纤来实现偏振的控制。
其次是大功率会引起通道的性能变化，如采用胶水工艺的话，大功率会引起胶水的折射率、膨胀系数、光学吸收等现象，其次是硅的非线性吸收会随着入射功率的增大而增大，在设计上需要考虑降低影响或规避风险。
氮化硅的非线性吸收损耗要比硅波导小一些，利用多层或单层氮化硅工艺，实现大功率激光器的输入结构是产业选择比较多的思路。
光纤的高密度布局，还有一个就是光纤的应力处理，光纤是玻璃材料，弯曲或挤压都有可能产生应力，这也是CPO光学组装需要注意的工艺难点。
降低光纤应力，一方面从光纤设计上来优化，另一方面从光纤的组装工艺上优化。
设计上的优化，包括应力消除，抗应力的增强涂层等等。组装上的优化，就包括了低温胶水工艺的优化，或者非胶工艺的高温激光焊、玻璃焊，金属焊等工艺。
采用硅光方案的CPO，还有一个重点，就是激光器的选择。
一部分厂家选择了集成激光器，如Intel，这种类型的集成度更高，但失效率同样也比其他方案高一些。
一部分厂家选择Flip Chip方案，如Marvell等厂，将激光器倒装焊在硅光集成芯片的刻蚀凹槽里。实现光路耦合对准。
这种结构的集成度适中，耦合损耗适中，可靠性也是中等。
更多的厂家则选择了ELSFP外置激光器模组，采用独立的激光器模块，为CPO提供CW光源，将激光器与CPO光学引擎做产业拆分。光学损耗较大，但可靠性更可控
《高速CPO市场趋势、案例与挑战》，这个里边有市场以及多个案例，今天呢主要是做CPO的基础解析。
