什么是光互连

光互连是一种利用光信号而非电信号在芯片、模块或系统之间传输数据的高速连接技术。它通过光子载体实现极低延迟、超高带宽的通信，是突破传统电气互连瓶颈的关键路径。从数据中心内部到芯片级封装，光互连正推动计算架构向更高性能与能效演进，成为未来算力基础设施的核心基石。

       在数字时代的深水区，数据洪流正以前所未有的规模与速度奔涌。当我们谈论人工智能训练、科学计算模拟或全球金融交易时，其背后是海量计算单元之间永不停歇的数据交换。传统的铜缆电互连技术，在应对每秒太比特甚至更高量级的数据传输需求时，逐渐显露出疲态——信号衰减、功耗激增、电磁干扰以及物理空间限制，如同一道道无形的墙，阻碍着算力的进一步释放。正是在这样的背景下，一种更为高效、更具潜力的连接范式走进了舞台中央，它就是光互连。

       简而言之，光互连指的是利用光波作为信息载体，在系统的不同组成部分之间建立通信链路的技术。它并非彻底取代电子计算，而是旨在替代那些距离较长、速率要求极高的“数据传输”环节，将电信号转换为光信号进行传输，到达目的地后再转换回电信号进行处理。这一“光进铜退”的转变，如同在信息高速公路上将普通公路升级为光纤航道，从根本上重塑了计算系统的互联形态。

一、 从电到光：互连技术的范式迁移

       要理解光互连的革命性，需从传统电互连的瓶颈说起。电信号在金属导体中传播时，会随着频率升高和距离增加而快速衰减。为了补偿损耗，必须加大驱动功率，导致能耗飙升，同时产生大量热量。高频信号还易受电磁干扰，并需要复杂的屏蔽措施。当数据传输速率进入每秒数百吉比特范围后，这些弊端被急剧放大，成为提升系统性能与能效的最大障碍。

       光互连则利用了光子的物理特性。光信号在玻璃或硅基波导中传播，衰减极低，带宽极高，且不受电磁干扰影响。这意味着在相同能耗下，光可以传输更远距离、承载更多数据。根据行业技术蓝图，单通道硅光互连的带宽潜力可达电互连的数十倍以上，而功耗仅为可比电链路的几分之一。这种本质优势，驱动着互连技术从电子域向光子域的战略迁移。

二、 核心构成：光互连的三大支柱

       一个完整的光互连链路，离不开三个核心组成部分的协同工作：光发射端、传输介质与光接收端。

       光发射端的关键是光源与调制器。光源，通常是激光器，负责产生稳定的相干光载波。调制器则如同一个高速光开关，根据输入的电数据信号，快速改变光的强度、相位或偏振等属性，从而将数字信息“加载”到光波上。当前，将激光器与调制器通过先进封装技术集成在同一硅光芯片上，是主流的发展方向，它能显著缩小体积、降低成本并提升可靠性。

       传输介质是光信号的“高速公路”。在长距离场景下，主要是单模或多模光纤。在芯片或板级短距互连中，则采用集成在芯片上的硅光波导或聚合物波导。这些微纳尺度的光波导能够像电路一样在芯片表面进行精密布线，引导光信号低损耗地传输。

       光接收端的核心是光电探测器。它的作用与调制器相反，负责检测到达的光信号，并将其强度变化转换回电信号，供后续的数字电路读取和处理。高性能的光电探测器需要具备高响应度、高速度和低噪声的特性。

三、 层级展开：光互连的应用版图

       光互连并非单一技术，而是一个涵盖不同距离尺度的技术家族，其应用从跨洋海底光缆一直延伸至微米级的芯片内部。

       在数据中心与长距通信领域，光互连早已是绝对主力。数据中心内部，连接不同机架甚至不同服务器的光纤链路，承担着东西向流量的大任。尤其是随着人工智能集群规模的扩大，成千上万个图形处理器（图形处理器）需要高速互联，可插拔光模块和更集成的共封装光学（共封装光学）技术正在这里激烈角逐，旨在缩短电通道长度，进一步提升带宽密度和能效。

       在板级与芯片封装层面，板载光学（板载光学）技术引人注目。它将光引擎（包含激光器、调制器、探测器等）直接安装在印刷电路板（印刷电路板）上，通过板上的聚合物波导或光纤带与插座上的光模块连接。这消除了面板上可插拔光模块的数量限制，为系统提供了更高的总带宽和更灵活的光链路布局。

       最前沿的探索在于芯片级光互连，即直接在芯片内部或芯片与芯片之间使用光链路。这被称为片内光互连或芯片间光互连。通过硅光子集成技术，在处理器芯片旁侧或上方制造出微型的调制器、波导和探测器，可以实现芯片内不同核心之间或芯片与高带宽存储器之间的超高速度数据交换，有望彻底解决“内存墙”和“互连墙”问题。

四、 硅光子学：光互连的工艺基石

       光互连的规模化、低成本发展，极大程度上得益于硅光子学技术的成熟。硅光子学利用标准互补金属氧化物半导体（互补金属氧化物半导体）制造工艺，在硅晶圆上设计和制造光学器件。硅对通信波段的光是透明的，且其折射率较高，可以制作出尺寸极小的光波导和共振腔。

       利用成熟的半导体产业链，硅光子学能够以晶圆级规模生产光器件，这与生产电子芯片的方式相同，从而带来了巨大的成本下降和集成度提升潜力。如今，集成了调制器、波导、探测器甚至波长复用/解复用器的硅光芯片已经实现商用，它们如同光世界里的“集成电路”，是构建紧凑、高效光互连引擎的核心。

五、 共封装光学：下一代数据中心互连焦点

       如果说可插拔光模块是当前数据中心光互连的“标准件”，那么共封装光学（共封装光学）则被视为面向未来的“集成方案”。传统可插拔模块通过面板端口连接交换机芯片，电信号需要经过较长的印刷电路板走线，在高速率下损耗严重。

       共封装光学技术将光引擎从模块中取出，通过先进封装技术（如硅中介层、再分布层等）与交换机或处理器等计算芯片放置在同一封装基板上。这使得电接口距离缩短了数十倍，显著降低了功耗和延迟，同时允许在封装边缘部署数量更多的光输入输出通道，极大提升了整体带宽。虽然共封装光学在热管理、标准化和供应链上面临挑战，但其性能优势使其成为超大规模数据中心和人工智能硬件供应商竞相布局的关键路径。

六、 关键技术挑战与突破方向

       尽管前景广阔，光互连的全面普及仍需跨越一系列技术障碍。首当其冲的是光源集成。高效的激光器通常由三五族半导体材料制成，如何将其低损耗、高良率地与硅光芯片进行异质集成，是一个长期的工艺难题。目前，晶圆键合、直接外延生长等方案都在探索中。

       其次是功耗与密度问题。虽然光传输本身省电，但电光转换、激光器驱动、信号放大等环节仍消耗可观能量。提升调制器和探测器的效率，降低其驱动电压和暗电流，是持续的努力方向。同时，如何在单位面积上集成更多光通道（即提高带宽密度），需要波分复用、模分复用等多维复用技术的支持。

       最后是成本与可靠性。要让光互连技术从长距走向短距、从系统级走向芯片级，必须将其成本降低到足以与成熟电互连竞争的水平。这依赖于设计自动化、工艺标准化和大规模制造。同时，光器件在复杂环境下的长期可靠性、封装后的测试与维护策略，都是工程化过程中必须解决的现实问题。

七、 标准与生态：产业协同的脉络

       光互连不是单一企业的游戏，而是一个庞大的产业链。从光芯片设计、制造、封装到系统集成，需要全球范围内的紧密协作。因此，行业标准组织的角色至关重要。例如，光互联网络论坛（光互联网络论坛）、以太网技术联盟等组织，正在积极制定和推动共封装光学、板载光学等相关接口、管理和封装标准。

       统一的标准化有助于实现多供应商器件的互操作性，降低系统集成复杂度，加速技术采纳。同时，一个健康的生态系统还包括设计工具、测试设备、封装服务等一系列配套环节的成熟。只有整个生态协同发展，光互连技术才能从实验室和高端应用，稳步走向更广阔的市场。

八、 性能跃升：带宽、延迟与能效的三角平衡

       评估光互连的价值，最终要落到其对系统性能的实际提升上，这集中体现在带宽、延迟和能效这三个核心指标构成的“三角关系”上。

       在带宽方面，单通道硅光调制器的速率已从早期的每秒十吉比特发展至如今的每秒百吉比特量级，结合波分复用，单根光纤的传输能力可达每秒太比特以上。这为数据中心内部和人工智能集群提供了近乎无限的带宽扩展能力。

       在延迟方面，光信号在介质中的传播延迟虽然存在，但光互连通过简化协议、缩短电通道，能够显著降低端到端的系统通信延迟。对于高性能计算和金融交易等对延迟极其敏感的应用，这微秒甚至纳秒级的提升具有决定性意义。

       在能效方面，即每比特数据传输所消耗的能量，是光互连最具吸引力的优势之一。研究表明，在传输距离超过数米后，光互连的能效优势开始显现，并且随着距离和速率的增加，优势呈指数级扩大。这对于降低超大规模数据中心的总体拥有成本和实现可持续发展目标至关重要。

九、 未来展望：光电融合的智能计算架构

       展望未来，光互连的发展将超越单纯的“连接”角色，深度融入计算架构的创新之中。我们正在走向一个光电融合的时代，光不仅负责传输，还可能参与某些特定的计算任务，如模拟计算、神经形态计算中的线性运算，利用光的并行性和高速特性来突破传统电子计算的局限。

       更长远地看，三维集成技术将使光互连层与计算芯片、存储芯片垂直堆叠在一起，形成真正的三维光电集成系统。这将彻底打破平面布局的限制，实现前所未有的带宽密度和能效比。届时，计算系统的形态可能发生根本性改变，我们或许会看到完全由光互连网络编织在一起的分布式“计算织物”。

十、 连接未来算力的光之脉络

       从宏观的数据海洋到微观的芯片内河，光互连技术正以其独特的物理优势，重新定义着信息传输的边界。它不仅仅是铜缆的替代品，更是开启下一代高密度、低功耗、高性能计算系统的钥匙。面对指数级增长的数据需求与可持续发展的全球命题，发展光互连已从一种技术选项，升格为一项战略必需。

       这条由光子铺就的信息高速公路，仍在不断延伸与拓宽。其前方，是更强大的人工智能、更精准的科学研究、更迅捷的全球通信。光互连的故事，本质上是人类如何驾驭最基础的自然之力——光，来构筑智能世界基石的故事。它的发展历程，将深刻影响未来数十年数字社会的面貌与高度。