编译自 MDPI Microelectronics 2026, 2(3), 14 · 开放获取 CC BY 4.0
光模块的能耗账单上，每比特多少皮焦这个数字比速率更能说明问题。交换芯片的功耗上限由机柜的供电和散热定，光模块分走多少，芯片就少多少。当速率从 800G 走到 1.6T，模块内部可用的能耗预算并没有翻倍，反而因为通道数变多、封装变密而更紧。
台湾高雄科技大学与中兴大学的 Fu-Hsiang Hsu、Wei-Chih Cheng、Chien-Wei Huang、Hong-Wei Huang、Chia-Chin Chiang 与 Chun-Nien Liu 在 Microelectronics 上报告了一个 16 通道硅光发射模块的封装设计与表征，速率 1.6 Tb/s 级，逐通道验证，并把能耗拆到发射机电子、激光器与热电制冷器三层。
十六个通道怎么拼出来
这颗硅光芯片由 IMEC 代工，光路是一分四的结构。四只 O 波段外置分布式反馈激光器分别工作在 1270、1290、1310 和 1330 纳米，经四通道光纤阵列耦合进芯片上的四个边缘耦合器。每个波长先由一个一乘四多模干涉分束器分成四路，进入一个四乘四的马赫曾德尔调制器阵列，一共十六条独立的调制路径。调制之后再由四个马赫曾德尔型波分复用器各取一个波长的一路，重组成四组波分复用输出。
单管调制器的参数决定了驱动电路怎么配。这是载流子耗尽型行波调制器，相移区长度 1500 微米，波导是 380 纳米宽深刻蚀硅脊、硅板层约 60 纳米，p-n 结横向偏置，电极是 GSGSG 行波结构，两个信号导体加三个共用地回路导体。直流半波电压 2.4 伏，实测电光带宽约 34.4 吉赫兹，双端口低阻终端 20 欧姆。驱动器规格是 53 吉波特、每通道约 350 毫瓦、差分输出最高 3.0 伏峰峰值。
先把线键长度拉平
封装上最先要解决的是打线。如果芯片直接键合到电路板上，各通道的键合线长度在 255.98 到 1788.48 微米之间，最长的是最短的七倍。键合线是电感，长度不一样意味着高频响应不一样，十六个通道就会各走各的。作者做了一块专用底座，硅衬底上叠 500 纳米二氧化硅绝缘层和钛铂金五十五十三十纳米金属层，把每通道的键合长度压到约 275.26 微米，接近一致。底座做了两个版本，保留中央地连接的 A 版和去掉中央地的 A 版变体，用来验证地回路的作用。键合线直径 1 密耳，也就是 25 微米，线弧高度在 50 到 200 微米之间扫过。
仿真结果差距明显。在 50 吉波特非归零眼图对比里，原始参考信号的幅度 0.987 伏、信噪比 174、峰峰抖动 0.17 皮秒；直接键合是 0.341 伏、1.72 和 25.27 皮秒；去掉中央地的变体是 0.344 伏、3.39 和 13.21 皮秒；保留中央地的 A 版是 0.356 伏、5.32 和 7.36 皮秒。相对直接键合，A 版把信噪比提了约 3.1 倍、抖动降了约 70.9%；相对去掉中央地的变体，信噪比再提约 56.9%、抖动再降约 44.3%。这一组数字说明底座里的地平面不是可选项。
图1 十六通道光引擎的光路与封装结构（依据原文第 2、3 节绘制）
十六个通道的实测
光纤阵列的耦合损耗用监端口反推。四条波长在监测端测到的功率分别是 0.72、1.22、1.67 和 1.52 微瓦，扣除 20 分贝的百分之一直通分光惩罚和约 4 分贝的光栅耦合损耗之后，有效输入耦合估计分别是 7.43、5.14、3.77 和 4.18 分贝，1310 纳米最好。对准容差用半高全宽表示，横向约 4 到 6 微米，Y 向四组值是 4.41 到 5.56 微米，Z 向是 4.03 到 4.97 微米。
十六个通道逐个验证在 53.125 吉波特 PAM4 下工作。光输出功率落在负 0.09 到 0.30 分贝毫瓦之间，光调制幅度 1.141 到 1.267 分贝毫瓦，消光比 3.037 到 3.055 分贝，发射机色散眼图代价 3.09 到 3.18 分贝，平均约 3.12，电平线性度 0.956 到 0.981。文章明确说这是逐个通道依次采集的结果，因为采样示波器只有一个光输入口，所以它不构成十六通道同时工作的串扰测量；误码率没有测，也不声称符合 IEEE 802.3 标准。
每比特 3.95 皮焦的边界
能耗预算按每比特能量等于各部分功率之和除以 1.6 Tb/s 计算，分母固定。发射机电子部分包括十六路驱动器每路 350 毫瓦共 5.6 瓦、十六路调制器加热器按每路约 20 毫瓦估算共 0.32 瓦、辅助控制约 0.4 瓦，合计 6.32 瓦，对应 3.95 皮焦每比特。加热器单独贡献约 0.20 皮焦每比特。这些数字的边界是发射机电子，不含外置激光器，也不含模块级的制冷。
把外置激光器和热电制冷器算进来，账就变了。四只 O 波段分布式反馈激光器按每只约 2.5 伏、0.5 安估算 1.25 瓦，合计 5.0 瓦；模块级热电制冷器实测 1.2 瓦；加上前面的 6.32 瓦，总计 12.52 瓦，对应 7.83 皮焦每比特。把边界从芯片拉到整模块，能耗翻了一倍。制冷器的钱花得值不值，看的是温度：不开制冷器时芯片 42 到 44 摄氏度、平均约 43 摄氏度，开了之后 22 到 24.5 摄氏度、平均约 23.25 摄氏度，平均降 19.75 摄氏度，花了 1.2 瓦，折合约 16.5 开尔文每瓦。
图2 能耗分解与线键底座带来的眼图质量改善（依据原文第 5、7 节绘制）
边界写清楚了
这篇文章最值得记的是它把估算边界写明白了。3.95 与 7.83 这两个数字的差别，全部来自算不算激光器和制冷器，而不是算法或工艺的变化。作者也承认带宽是仿真值：模块级封装通路负 3 分贝带宽约 32 吉赫兹来自 HFSS 与 ADS 仿真，没有做矢量网络分析仪的 S 参数实测，实测的 34.4 吉赫兹是调制器本身的电光带宽。
和已有的发射机工作对比还要小心。文章自己指出，各家报出的能耗值功耗边界不一致，不能直接放在一起比；很多前作聚焦调制器、驱动器或传输性能，没有把射频过渡、光纤阵列对准容差、键合工艺、热调控与多通道信号质量放在一起表征。这也是这篇文章的位置：它的贡献不在于某个指标创了纪录，而在于把一整条封装链的账摊开。
从 800G 到 1.6T，光模块的竞争重心正在从芯片指标移到封装与能效。调制器和驱动器的带宽早已够用，能不能在几十皮焦的预算里同时解决打线、耦合、散热与多通道一致性，才是能不能上量的关键。
还有一处容易被忽略的成本。四只外置激光器的功耗在这套账里占 5.0 瓦，比十六路驱动器的 5.6 瓦只低一点，而它们实际要出多少力，取决于芯片的光损耗与耦合效率。四条波长的输入耦合估计从 1270 纳米的 7.43 分贝一路降到 1310 纳米的 3.77 分贝，省下的不只是插入损耗，还直接给激光器留出了可以退让的功率余量。封装工艺与光路效率在这套账里是同一件事的两个侧面，任何一头恶化，都会原封不动地记在每比特能耗上。四个通道之间的耦合散差也还没有完全收敛，这是这条链路后续继续压缩能耗时最先要动的地方。
内容来源：MDPI Microelectronics 2026, 2(3), 14
原文标题：Packaging Design and Characterization of a 16-Channel Silicon Photonic Transmitter Module for a 1.6 Tb/s-Class Optical Engine
作者：Fu-Hsiang Hsu, Wei-Chih Cheng, Chien-Wei Huang, Hong-Wei Huang, Chia-Chin Chiang, Chun-Nien Liu
原文链接：https://doi.org/10.3390/microelectronics2030014
许可协议：CC BY 4.0（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）
配图说明：图1、图2 为本文依据原文献数据自行绘制。
改动声明：本文在其基础上进行了中文编译与删节，未改变技术结论与原始数据。
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