OFC 2025三菱报告：高速EML的结构设计和封装优化

一、AI集群发展催生光互连技术需求

从市场趋势来看，AI集群对光收发器的需求呈现出强劲的增长态势。AI Scale out网络中光收发器数量持续攀升，同时，预计从2028年起，AI Scale up市场也将迎来爆发 ，这使得光收发器的需求将急剧增加。在GPU互连方面，高速以太网或InfiniBand收发器用于扩展网络，高速线性模块用于Scale up网络，无论是前端网络连接GPU集群，还是后端网络实现GPU之间的全连接，都需要高速光调制器以及高边缘密度的解决方案。单波400G的调制器成为支撑这些应用的关键技术，其性能直接影响着GPU集群系统的整体效率和数据传输能力。

二、高速EML器件的结构创新 （一）独特的高台面结构设计

三菱研发的高速EML采用了独特的高台面结构。从器件结构上看，这种结构的调制器部分中间为光吸收层，两侧由绝缘体和空气等低折射率材料包裹。这种设计能够将光场强力限制在吸收层内，有效减小调制器的体积。与传统的掩埋结构和脊形波导结构相比，高台面结构在保持光场限制因子方面具有显著优势。计算示例表明，随着波导宽度变化，高台面结构的光场限制因子能维持在较高水平，而其他结构则会快速下降。

（二）性能提升与突破

基于高台面结构，三菱不断优化EML器件性能。在产品成果方面，团队开发出适用于当今光收发器市场的100 GBaud PAM4 EML，其波长范围覆盖1270 - 1331nm，在1Vpp电压下，光眼图的消光比高于3.5dB，输出功率高于7dBm。

通过进一步改进，将器件的带宽不断提升，2024年报道了通过缩小台面宽度20%，优化射频（RF）走线设计和键合线长度等措施，成功将带宽从传统结构的不足70GHz提升至85GHz，支持170GBaud PAM4信号传输的突破，为400Gbps每通道的应用提供了有力支撑。

今年OFC报道了进一步将台面宽度缩小30％，光限制因子只下降了1％，但带宽提升到了106 GHz(CoC)，展示了450 Gbps PAM6的眼图。

三、突破带宽限制的EML封装技术 （一）封装对高速信号传输的挑战

当涉及到支持400Gbps高速信号传输时，EML的封装技术至关重要。高速电信号波长较短，在材料中的电长度也相应缩短，这要求封装组件的尺寸更小，以避免信号反射和共振等问题。传统的封装方式，如使用金线绑线将信号连接到调制器，由于射频走线和金线键合的占用空间较大，限制了模块的边缘密度，并且会引入寄生电感，降低信号带宽。

（二）混合基板封装方案

为解决上述问题，三菱提出了一种创新的混合基板封装方案。团队采用low-k玻璃基板（介电常数3.8）与氮化铝（AlN）基板（介电常数8.6）相结合的方式。玻璃基板有助于延长电信号的传输长度，提升射频性能，但存在热导率差的问题。为此，团队在EML下方打热通孔，实现了良好的光输出功率。

进一步通过将玻璃基板与AlN基板结合，使二者厚度与EML相近，极大缩短了键合线长度，最终成功实现了超过100GHz的带宽。

四、高边缘带宽密度应用的封装探索

（一）低串扰EML阵列 在高边缘带宽密度应用方面，三菱研发了低串扰的EML阵列。以2通道EML阵列芯片为例，其集成了2个激光器、2个调制器和2个输出端口。测试数据显示，该阵列在67GHz以下的串扰优于20dB，3dB带宽高于67GHz，两个通道均能实现良好的光眼图性能，Tdecq值约为1.7dB，有效降低了通道间干扰，提高了信号传输的稳定性。

（二）无绑线封装技术

团队还探索了无键合线封装技术，包括外延面朝上和外延面朝下两种配置。外延面朝上设计中，将激光EML和接地块放置在AlN基板上，通过在玻璃基板上集成终端电阻，并使用射频探针直接接触玻璃基板进行测量，实现了85GHz的带宽，但该设计仍有优化空间。

对于外延面朝下的倒装芯片配置，团队开发了适用于倒装的EML器件，将电极设计在表面，消除了键合线带来的寄生电感，仿真显示该设计可实现145GHz的带宽，相关实测数据将在未来公布。

五、未来展望与技术方向

展望未来，三菱将目光投向更具挑战性的共封装光学（CPO）等更高密度的解决方案。CPO技术需要大规模集成16个以上通道，涉及二维方向的扩展。为此，团队致力于将III - V族调制器集成到硅光子学平台上，以实现高速调制。与其他类型的调制器相比，如硅MZM和TFLN MZM，虽然它们具有较高的调制速度，但在集成密度上存在不足；硅MRM虽然集成密度高，但调制速度有待进一步提升。

而三菱采用的硅 - InP混合EML阵列方法，有望结合二者优势，在硅平台上实现高速、高效、高密度的调制器阵列，并且能够使用外部光源，为未来GPU集群系统的光互连提供更强大的技术支持。

目前三菱在III-V异质集成硅光平台上暂时还没有报道高速调制的数据，不过这次OFC上OpenLight和Tower合作已经展示了相似平台的400G/lane的结果。

六、结语

三菱在高速EML及封装技术上的研究成果，为GPU集群系统的光互连提供了创新且可行的解决方案。通过器件结构创新、封装技术突破以及对未来技术方向的探索，该团队在提升光电器件性能、满足高速数据传输需求方面取得了显著进展。尽管在热管理、器件可靠性和成本控制等方面仍面临挑战，但随着技术的不断进步和完善，这些成果有望推动GPU集群系统向更高性能、更低功耗的方向发展，为人工智能和高性能计算领域的持续创新奠定坚实基础 。

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自微信公众号。原始发表：2025-04-23，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent 删除设计网络性能优化集群