Nvidia高性能/低成本CPO创新方案：单模光纤 + 硅光集成偏振控制替代保偏光纤，实现2.7倍封装成本降低

摘要

      在共封装光学（CPO）系统中，传统保偏光纤（PMF）阵列在外置光源（ELS）与光发射机间的连接面临高成本、高复杂度挑战。英伟达研究团队提出以单模光纤（SMF）替代 PMF 的创新方案，通过在硅光芯片（SiPh PIC）上集成主动偏振跟踪系统，解决 SMF 耦合引入的偏振态（SOP）漂移问题。实验数据表明，该方案可将封装成本降低约 2.7 倍，同时仅引入 0.74 dB 额外插入损耗和 0.17 pJ/b 的能效损失，为 CPO 系统提供了兼具经济性与高性能的光互联解决方案。该工作发表在IEEE ECTC 2025会议上，标题为All-SMF Arrays for Co-Packaged Optics: Optimizing Cost, Complexity and Performance

一、CPO 光互联的现状与挑战

      随着高性能计算（HPC）和数据中心对数据传输需求的爆发式增长，基于硅光子技术（SiPh）的共封装光学（CPO）成为突破电互连带宽与能效瓶颈的关键技术。在典型 CPO 架构中，外置激光光源（ELS）通过光纤向光发射芯片（OTX）提供光信号，传统方案依赖保偏光纤（PMF）维持稳定偏振态以匹配硅光子器件的偏振敏感性。然而，PMF 的高精度对准要求、复杂制造工艺及高昂封装成本（占光学组件总成本 15.2%）成为规模化应用的主要障碍之一。

      如图 2 所示，CPO 主要存在3种光纤连接方式：首先是连接 ELS 到 OTX 输入的光纤，其次是将 OTX 输出路由到前面板的光纤，第三是从前面板连接到光接收机（ORX）输入的光纤。图 3 提供了这三种连接的简化视图。其中，只有激光器输出的光纤是保偏光纤（PMF），其他均为单模光纤（SMF）。图 3 中的每个 ASIC 连接到多个CPO器件，输入和输出光纤必须在线卡上进行盘纤，并正确连接到前面板上的相应连接器。通常，使用专用盘纤盒和托盘组件来固定光纤，防止其在线卡上悬挂，而图 3 所示的光纤Shuffle需确保与前面板上的连接器正确连接。

二、PMF 的技术瓶颈：对准复杂度与损耗机制

2.1 旋转对准误差引发的性能劣化

      PMF 通过应力棒形成快慢轴折射率差异以维持偏振态，但在 ELS 到 OTX 的 6 级光学接口中，任意一级的旋转对准误差（θₑ）都会导致偏振串扰。理论分析表明，当 θₑ=±5° 时，累计插入损耗（IL）达 0.35 dB，且随着级数增加呈指数级增长。此外，有限偏振消光比（PER）的激光源会进一步加剧损耗，尽管激光器可实现 > 30 dB PER，但 PMF 的对准工艺仍需昂贵的有源耦合设备。

2.2 成本结构解析

      PMF 的高成本源于四大核心环节：

• 光纤带复杂性：需单独拆分 PMF 与 SMF，增加组装难度；
• 旋转对准工艺：每级接口需精密调整快慢轴，提升制造耗时；
• 专用连接器：PMF 适配的光纤转接盒需定制化设计；
• 光纤阵列对准：V 型槽内的主动对准步骤推高 FAU（光纤阵列单元）成本。       对比分析显示，PMF 方案的总开销为 SMF 的 2.7 倍，其中光纤转接盒成本达 SMF 方案的 161.5%。

三、SMF 替代方案的核心突破：主动偏振锁定技术

3.1 硅光偏振控制架构设计

      英伟达研究团队提出基于 2D 光栅耦合器（2DGC）与马赫 - 曾德尔干涉仪（MZI）的主动偏振跟踪方案。输入光经 2DGC 分解为 TE 偏振分量（E₁、E₂），通过热光相位调制器（TOPS）φ₁和 φ₂调节两路光的相位与振幅，最终在 MZI 输出端实现偏振态稳定。该控制器支持两种工作模式：

• 单路功率最大化输出模式（场景 3）：调节 φ₂使下臂功率 PL=0，上臂功率 PU 最大化；
• 1分4功率均分模式（场景 4）：通过 φ₁/φ₂协同调节，实现 PU=PL=0.5Pin，适用于 1:4 分光场景。

      在实际的CPO系统中，连接 ELS 到 OTX 的光纤使用盘纤盒和托盘组件固定。因此，SMF 受到固定的弯曲应力，但由于其稳定的放置，不会受到显著的振动。

      此外，由于CPO系统采用先进的液冷解决方案进行散热，能够最大限度减少双折射的变化，从而减少了温度波动引起的偏振漂移。因此，一旦偏振被锁定电路补偿，它就保持相对稳定，只需要进行小幅度调整。因此，跟踪速度、无复位和无限跟踪等设计指标在这种情况下并不关键，采用慢速热光调谐工作即可，更重要的在于优化热调谐效率，降低热调功耗。

3.2 工艺实现与测试验证

      该偏振锁定芯片基于台积电 300mm SOI工艺制造，集成了多层金属化后段工艺与光刻精密刻蚀技术。关键器件参数如下：

• 1D/2D 光栅耦合器插入损耗分别为 1.3 dB（1DGC）和 2.0 dB（2DGC），1dB 带宽覆盖 20-25nm；
• 热光相位调制器长度 150μm，效率 20mW/π，支持 3π 范围调谐；
• MMI 耦合器附加损耗仅 0.02 dB，工作波长 1290-1310nm。

      测试平台采用 1310nm 激光源与偏振综合仪N7786C模拟随机 SOP 输入，闭环控制算法通过调节 TOPS 电压实现偏振锁定。

     实测数据显示：

• 单路模式：上下臂消光比 > 30 dB，输出功率 6 dBm@输入 10 dBm；
• 1:2均分模式：功率误差 < 0.06 dB，输出功率 3 dBm@输入 10 dBm，满足分光场景需求。该器件插损测试比理论值偏高0.7 dB左右。

四、性能与成本的权衡分析

4.1 能效开销评估

      与理想PMF 方案（场景 1）相比，SMF 方案的额外损耗和能效开销主要来自 2DGC 与 热光相移动器TOPS 功耗：

• 场景 3（单路 SMF）：总额外插入损耗 0.72 dB，TOPS 能效开销 0.3 pJ/b，链路能效损失 0.48 pJ/b；
• 场景 4（4路分光 SMF）：通过分摊至 4 路 OTX，链路能效损失为 0.26 pJ/b 。PMF 方案中，在考虑±5°旋转对准误差下，对应的能效损失为0.08-0.09 pJ/b。后续将对TOPS的效率以及2DGC的耦合插损进行进一步优化。

4.2 成本优势量化

      将PMF替换为全SMF后，关键成本项显著降低。通过将前面提到的4个关键组件的单独成本，除以全SMF解决方案的总成本进行归一化来量化其影响。如表 III所示，估计使用 PMF 的总开销大约是 SMF 的 2.7 倍。用 SMF 替换 PMF 可以显著降低这些成本。PMF 的使用占实现 CPO 所需光学组件总成本的 15.2%。通过切换到 SMF，这一成本可降低至仅 5.6%。

五、结论与行业影响

      英伟达的这项研究首次在 CPO 系统中实现 SMF 对 PMF 的规模化替代，通过硅光子集成技术弥补了偏振控制短板。尽管引入了少量损耗与功耗，但 2.7 倍的成本优势使其成为数据中心光互联的理想方案。随着热光调制器效率提升与新型耦合技术的应用，SMF + 主动偏振控制架构有望推动 CPO 进入高性价比时代，为下一代 GPU 集群的 NVLink 等高速互联技术提供关键支撑。