نظرة عامة شاملة على CPO (البصريات المعبأة معًا)

CPO، أو Co-Packaged Optics، هو مصطلح يُذكَر غالبًا إلى جانب LPO. دعنا نتعمق في معناه وأهميته.

تتصل الوحدات الضوئية التقليدية القابلة للتبديل السريع بالشريحة الرئيسية لنظام التبديل عبر إشارات كهربائية على مسافة طويلة نسبيًا تبلغ حوالي 150-200 مم. على سبيل المثال، في الوحدات الضوئية 800G التي تستخدم وصلات PCB M7، يبلغ فقدان الإشارة لإشارات PAM112 بسرعة 4 جيجابت في الثانية (بعرض نطاق ترددي يبلغ حوالي 30 جيجاهرتز) حوالي 0.25 ديسيبل/مم. وبالمقارنة، فإن الخسارة في الألياف الضوئية لمثل هذه الإشارات أصغر بملايين المرات، مما يجعلها لا تذكر. وعلاوة على ذلك، يزداد فقدان الإشارة الكهربائية مع التردد، في حين يظل فقدان الإشارة الضوئية ثابتًا بغض النظر عن التردد. ويعزى هذا الثبات إلى تعديل الإشارات الضوئية على موجة حاملة ضوئية، لها تردد ثابت (على سبيل المثال، 228 تيراهرتز لإشارة PAM112 بسرعة 4 جيجابت في الثانية).

هناك استراتيجيتان أساسيتان لتقليل فقدان الإشارة الكهربائية:

• استخدام مواد موصلة وعازلة ذات خسارة منخفضة.
• تقليل مسافات الربط.

تتبنى تقنية CPO النهج الثاني. فهي تدمج وحدة CPO الضوئية مع شريحة ASIC (الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيق) في المفتاح، وبالتالي تقصير مسافات التوصيل وتقليل فقدان إشارة التردد اللاسلكي عالي التردد.

معايير الإشارة وتعريفات الصناعة

• VSR: تم تحديده بواسطة معيار CEI للإشارات الكهربائية بين وحدات البصريات الموجودة على اللوحة الأمامية وشرائح ASIC.
• XSR: تم تعريفه بواسطة معيار CEI للإشارات الكهربائية بين وحدات CPO المجمعة وشرائح ASIC.

في معايير OIF، يتم تعريف وحدة CPO بسرعة 3.2 تيرابايت في الثانية. تمثل الصورة أدناه دمج مفتاح بسرعة 51.2 تيرابايت في الثانية مع وحدة CPO بسرعة 3.2 تيرابايت في الثانية. يشير CPO إلى "التغليف المشترك" مع شريحة ASIC لتقليل مسافات الإشارة الكهربائية ومعالجة تحديات فقدان الإدخال الكبيرة عند الترددات العالية.

تحدد معايير OIF CPO الاتصالات أحادية الوضع وتصميمات الوحدات المدمجة. وهذا يستبعد فعليًا تقنية VCSEL، ويفضل فوتونيات السيليكون لقدرتها على استيعاب التصميمات الضيقة.

وحدات OSFP الشائعة حاليًا وحدات بصرية بسرعة 800 جيجابت في الثانيةتختلف هذه المعايير عن معيار CPO، الذي يحدد سعة 8x400Gbps (3.2Tbps لكل وحدة). وهذا يتطلب سعة أكبر بكثير ضمن تخطيطات محدودة، مما يستلزم التكامل العميق مع فوتونيات السيليكون بسبب التحديات مع تكامل EML أو InP.

تطور CPO والمفاهيم ذات الصلة تم تقديم مفهوم CPO في عام 2018 تقريبًا، وقد استوعب تقنيات بصرية سابقة غير قابلة للتبديل السريع مثل OBO وOBA وCOBO (2010-2018)، والتي يشار إليها الآن بشكل جماعي باسم CPO. علاوة على ذلك، بناءً على قرب التكامل مع ASIC، هناك فئات فرعية:

NPO (البصريات القريبة من الحزمة): للتكاملات البعيدة نسبيًا.

IPO (البصريات داخل الحزمة): لتحقيق تكاملات أوثق.

تظل تقنية CPO نهجًا رائدًا في معالجة التحديات المتعلقة بفقدان الإشارة عالية التردد وتوسيع قدرات الاتصالات البصرية في الأنظمة الحديثة.

وبصورة عامة، إذا تم تصنيف جميع وحدات البصريات غير القابلة للتوصيل السريع على أنها وحدات بصرية مجمعة (CPO)، فإن هذا المصطلح لم يعد يقتصر على الاتصالات أحادية الوضع كما هو محدد حاليًا بالمعايير. ونتيجة لذلك، ظهرت بعض مفاهيم الاتصالات أحادية الوضع متعددة الأوضاع في الصناعة.

تستخدم أنظمة CPO متعددة الأوضاع أجهزة VCSEL متعددة الأوضاع (أشعة الليزر ذات التجويف الرأسي) مقترنة بكاشفات ضوئية (PDs). على سبيل المثال، قدمت شركات تصنيع يابانية مثل Fujitsu وFurukawa 400 جيجابت في الثانية متعدد الأوضاع وحدات بصرية CPO تستخدم شبكات اتصال ملائمة بالضغط من نوع LGA (Land Grid Array).

وعلى نحو مماثل، تبنت شركات أمريكية مثل Finisar (التي تُعرف الآن باسم Coherent) وHP حلول CPO متعددة الأوضاع بسعات تتراوح من 1 إلى 2 تيرابايت في الثانية، وتدعم مجموعات VCSEL مثل التكوينات ذات 16 قناة أو 24 قناة. وتستخدم هذه الأنظمة أيضًا جهات اتصال LGA.

مزايا LGA في اللحام متعدد الأوضاع CPO على عكس اللحام التقليدي، تعتمد وصلات LGA على جهات اتصال ملائمة بالضغط، مما يلغي الحاجة إلى اللحام بالصهر. وهذا يسهل تجميع وصيانة CPO مع تجنب إجهاد المواد بسبب معاملات التمدد الحراري غير المتطابقة (CTEs) أثناء اللحام بدرجة حرارة عالية. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يمنع المشكلات الناجمة عن معالجة الغراء تحت الحرارة، والتي قد تؤثر بخلاف ذلك على المحاذاة البصرية.

تختلف حلول CPO المحددة بشكل ضيق والمبنية على فوتونيات السيليكون بشكل كبير عن أنظمة CPO الأوسع نطاقًا والمبنية على VCSEL متعدد الأوضاع:

استهلاك الطاقة: تستهلك أنظمة CPO الفوتونية السيليكونية أحادية الوضع طاقة أكبر من الأنظمة متعددة الأوضاع القائمة على VCSEL.

الموثوقية: تتميز أنظمة الفوتونيات السيليكونية بموثوقية أعلى، حيث يمثل السيليكون (أشباه الموصلات الأولية) مخاطر فشل أقل مقارنة بأشباه الموصلات المركبة المستخدمة في أنظمة VCSEL، والتي هي أكثر عرضة لتحديات الموثوقية.

بالعودة إلى وضع CPO أحادي النمط كما هو محدد بواسطة OIF، فإن استخدام رقائق السيليكون الفوتونية المتكاملة يعقد عمليات التعبئة والتغليف مقارنة بوحدات البصريات التقليدية القابلة للتوصيل السريع. على سبيل المثال، المساحة محدودة للغاية مع شرائح ASIC التي يبلغ قياسها حوالي 30 مم وعرض CPO حوالي 20 مم. يتضمن كل CPO 32 زوجًا تفاضليًا للإرسال و32 زوجًا تفاضليًا للاستقبال وخطوط إشارة التحكم، مما يستلزم تخطيطات عالية الكثافة للغاية للإشارات الكهربائية.

لا يمكن لربط الأسلاك التقليدي تلبية متطلبات الكثافة هذه، مما دفع معظم الشركات المصنعة إلى اعتماد تقنيات متقدمة مثل TCB (الربط بالضغط الحراري) أو التغليف على مستوى الرقاقة، مثل نهج Intel، أو على الأقل، طرق التقليب.

يخضع التغليف على مستوى الرقاقة لبحوث مكثفة بشكل خاص للتسويق في الفترة من 2024 إلى 2025. وهو يستفيد من عمليات أشباه الموصلات لتحقيق خطوط أدق وفتحات أصغر وتوصيلات أكثر كثافة. وبعد تحقيق توصيلات عالية الكثافة، يتم تقطيع الرقاقات إلى قوالب وتجميعها في قوالب بلاستيكية.

تقنيات متقدمة للتوصيل عبر الوصلات عالية الكثافة قد يستخدم التجميع على مستوى الرقاقة تقنيات توصيل مختلفة، اعتمادًا على متطلبات التوصيل:

TSV (Through-Silicon Vias): يدعم نطاق ترددي يصل إلى ~30 جيجاهرتز (~112 جيجابت في الثانية من إشارات PAM4)، ولكن بسعة طفيلية كبيرة بسبب خصائص أشباه الموصلات للسيليكون. وهذا يمكن أن يؤدي إلى حدوث رنينات.

TGV (Through-Glass Vias): يوفر نطاق ترددي أفضل ولكنه هش بسبب صلابة الزجاج.

TMV (الفتحات المصبوبة بالكامل): تتميز بهيكل مصبوب باستخدام مواد عازلة للترددات الراديوية لملء الفجوات، مما يدعم نطاقات ترددية أكبر مع معالجة تحديات مثل التمدد الحراري.

تحديات التعبئة الضوئية في CPO بصرف النظر عن كثافات التوصيل الكهربائي، فإن التعبئة الضوئية CPO أكثر تطلبًا من الوحدات الضوئية التقليدية. على سبيل المثال، تتضمن CPO بسرعة 3.2 تيرابايت في الثانية قنوات 32x112 جيجابت في الثانية لكل من الإرسال والاستقبال، مما يتطلب 64 ليفًا ضوئيًا في إعداد غير WDM. يقلل WDM (على سبيل المثال، WDM بأربعة أطوال موجية) هذا إلى 4 ليفًا.

يشكل محاذاة الألياف الضوئية تحديين:

قطر مجال وضع الألياف الضوئية أكبر من مجال وضع الموجة الضوئية للفوتونيات السليكونية، مما يستلزم محولات مجال الوضع (على سبيل المثال، محولات حجم البقعة أو SSCs).

تهدف التصميمات المختلفة، مثل الهياكل المخروطية المقلوبة، أو أشكال الرمح الثلاثي، أو التكوينات التي تشبه الماس، إلى توسيع المجال البصري مع تحسين تكاليف الإنتاج والاتساق.

طرق تكامل الليزر

أخيرًا، يعد اختيار الليزر أمرًا بالغ الأهمية في أنظمة CPO المعتمدة على فوتونيات السيليكون.

خيارات تشمل ما يلي:

أجهزة الليزر المتكاملة: تكامل أعلى ولكن معدلات فشل أعلى (على سبيل المثال، Intel).

أجهزة الليزر ذات الشريحة المقلوبة: تكامل وموثوقية معتدلة (على سبيل المثال، مارفيل).

مصادر الليزر الخارجية (ELSFP): وحدات ليزر مستقلة توفر ضوء CW لأجهزة CPO، مما يوفر موثوقية أعلى على حساب زيادة الخسارة البصرية.

تتطلب تقنية CPO أيضًا إدارة الإجهاد في الألياف الضوئية، حيث تكون هذه المواد الزجاجية عرضة للإجهاد عند الانحناء أو الضغط. تتضمن الحلول عمليات تصميم وتجميع الألياف المحسنة، مثل تقنيات اللصق منخفضة الحرارة أو طرق اللحام المتقدمة (على سبيل المثال، اللحام بالليزر، لحام الزجاج).

يسلط هذا الإطار الشامل الضوء على الابتكارات والعقبات التقنية التي تشكل تطور أنظمة CPO.