VLSI 2026｜英特尔推出基于开放空腔封装的单纤800Gbps微环硅光DWDM 计算光互联OCI收发器

一、OCI：算力互连的范式革新

传统铜基计算互连受限于传输距离与带宽瓶颈，已无法满足高性能计算场景下的高带宽、低延迟需求。光学计算互连（OCI）的核心目标是将光学模块尽可能靠近计算单元，实现封装内或近封装的光互连，从根本上突破铜互连的物理极限。

OCI是对现有可插拔模块生态的全链条范式革新，覆盖工艺技术、封装组装、热管理、协议与系统架构多个维度，其核心成功指标包括单纤带宽、功耗与能量效率、延迟与误码率，需要体系化的技术优化才能充分释放技术价值。

二、收发器系统整体架构

该方案采用光电分离的架构，由发射端电芯片（TX-EIC）、发射端光芯片（TX-PIC），以及接收端电芯片（RX-EIC）、接收端光芯片（RX-PIC）共同组成完整的DWDM光链路。

发射端采用两组交错的微环调制器阵列，每组内波长间隔为400GHz，通过环辅助马赫-曾德尔干涉仪（RAMZI）波长交织器合并为16个波长、200GHz间隔的光信号，经8通道发射端半导体光放大器（SOA）放大后，通过垂直耦合器输出到单模光纤。

接收端先经过动态偏振控制模块，通过级联马赫-曾德尔干涉仪（CMZI）完成波长解交织，再由微环型分插滤波器（ADF）完成单波长选择，耦合至锗基光电二极管（Ge-PD）转换为电信号；接收端同样配置8通道SOA提升链路余量，每个微环器件均配备独立的热控制单元实现波长锁定。

三、PIC核心光器件：全功能硅光工艺集成

光芯片基于英特尔Fab11X硅光工艺制造，实现了激光器、调制器、放大器、滤波器的单片集成，无需外部耦合有源器件。

1. 片上集成DFB激光器阵列

集成16波长分布反馈（DFB）激光器阵列，无需关键的III-V族对准步骤，耦合损耗低，无需保偏光纤；通过先进光刻工艺实现精准的波长间隔控制，为DWDM系统提供稳定的多波长光源。

2. 微环谐振器

微环谐振器是该方案的核心波长选择器件：发射端作为高速微环调制器（MRM），实现每波长的高速信号调制；接收端作为分插滤波器（ADF），完成密集波长的解复用分离。微环器件的小尺寸特性支撑了高集成度的DWDM通道排布。

3. 半导体光放大器（SOA）

基于激光器工艺同步实现片上SOA，在发射端与接收端均有配置。SOA直接放宽了链路预算要求，降低了对激光器输出功率的约束，提升了系统的链路余量与可靠性。

4. 波长（解）交织器

发射端波长交织器与接收端波长解交织器，用于缓解微环谐振器的串扰限制；采用RAMZI结构实现平坦通带与陡峭滚降的滤波响应，支撑200GHz间隔的密集波分复用。

四、EIC电芯片：22nm CMOS的高速电路技术

电芯片采用英特尔22nm CMOS工艺制造，包含16路发射通道与16路接收通道，集成串化/解串、时钟分布、均衡、热控制等完整功能。全局采用半速率时钟输入，经全局分频器生成四相四分之一速率时钟，分布至所有通道，每通道均支持占空比校正与正交误差校正。

1. 发射端关键技术

发射通道集成4:1串化器与图案发生器，采用差分驱动架构，在0.9V电源电压下实现接近2Vdd的峰峰值输出摆幅，兼顾高带宽与能量效率；与单端堆叠驱动架构相比，该拓扑的高速器件无需承受2倍电源电压，工艺可扩展性更强。

针对微环调制器的偏置需求，方案采用交流耦合高速路径搭配直流耦合前馈路径的结构，既满足高压阴极偏置要求，又消除了低频截止问题。为解决基线漂移问题，内置反馈环路设置尾电流，使直流通路摆幅与交流耦合摆幅精准匹配，避免大偏置电阻带来的电压压降与性能恶化。

每通道配备独立的微环热控制单元：通过偏置电阻电流复制电路提取MRM的光电流，扣除基线漂移校正分量后作为波长失谐的检测量；再通过ΣΔ模数转换器、加热器数模转换器调节微环加热功率，将光电流锁定在目标值，实现稳定的插入损耗与工作点。

2. 接收端关键技术

接收端模拟前端采用3级并联反馈跨阻放大器，基于反相器结构设计，搭配共模反馈电路，实现65dBΩ的跨阻增益、24GHz带宽，输入噪声为3μA rms；同时集成直流偏移消除电路，输出的光电二极管直流电流副本，可直接用于接收端分插滤波器的热调谐控制。

采样端采用四分之一速率架构，四相正交时钟驱动跟踪-保持电路，25%的占空比设计延长了预放大器的建立时间；信号经2倍Cherry-Hooper预放大后，送入双尾锁存型切片器，实现1抽头判决反馈均衡。双尾锁存器采用中和技术最小化回踢噪声，支持阈值偏移校正，配合相位内插器可实现最优采样点调节。

接收通道后续集成4:16解串器与误码检测器，支持完整的链路性能测试与监控。

五、开腔封装：无中介层的异质集成

方案采用开腔有机衬底封装，光芯片置于衬底的开放腔体中，电芯片通过3D倒装焊同时与光芯片、有机衬底连接，无需高速中介层，避免了中介层带来的寄生参数恶化。

电芯片直接贴合衬底，实现电源、时钟与信号的低损耗传输；光芯片通过引线键合从封装获取供电；光信号从光芯片正面垂直耦合进出封装，电芯片顶部配置冷板实现热管理。该封装方案结构简洁，可实现OCI器件在有机标准封装上的低成本集成。

六、测试结果：全链路性能验证

◆ 发射端性能

16个波长通道全部实现50Gbps PRBS15信号调制，所有通道光眼图信噪比均大于7，波长间输出功率差异小于4dB；发射端电芯片的能量效率为0.92pJ/b，包含串化器与每通道时钟功耗。开启基线漂移校正功能后，8Gbps PRBS31长图案下的光眼图开启度提升0.35dB，验证了低频补偿效果。

◆ 全链路性能

两套收发器通过单模光纤连接，16个波长同时传输时，单波50Gbps速率下所有通道误码率均低于1E-9，单纤总带宽达到800Gbps；接收端最差接收光功率为-10.9dBm。

◆ 能量效率

接收端电芯片能量效率为3.1pJ/b，全局时钟分布功耗为0.17pJ/b；光芯片总能量效率为1.69pJ/b，包含激光器、SOA、波长解交织器调谐功耗，其中激光器功耗按8根光纤分摊计算；全链路总能量效率为5.7pJ/b。

七、结论

该工作完整验证了单纤16波长的OCI光互连系统，通过器件、电路与封装的协同优化，将单波长数据速率提升至50Gbps；开腔封装方案实现了光电异质集成在有机衬底上的简易落地。最终在单纤800Gbps带宽、误码率低于1E-9的指标下，实现了5.7pJ/b的总能量效率，充分证明了硅光DWDM技术面向高带宽、高能效计算光互连场景的技术可行性。