硅光技术正在重塑数据中心，而最大的变革尚未到来

可插拔光模块在数据中心已应用多年，在横向扩展（scale-out）连接中占据主导地位。下图展示了谷歌Jupiter 网络，该网络用于集群内数千颗Ironwood TPU的互联。图中大部分线缆为黄色，代表单模光纤（SMF）。

在纵向扩展（scale-up）方面，英伟达 CEO 黄仁勋在去年夏天表示：“我们应尽可能长期使用铜缆。” 但多数观察人士认为，铜缆最多只能再沿用一到两代。

图1 | 谷歌木星网络

横向扩展（scale‑out）网络中存在大量连接。每个机架配备超过 128 口的架顶式（TOR）以太网交换机，其上方还设有 1–2 层横向扩展网络。

而纵向扩展（scale‑up）的链路数量要多得多。例如在英伟达 NVL72 机架中，共有 18 台交换机，每台交换机与 72 颗 GPU 一一直连：单机架链路达 18 × 72 = 1296 条。随着 NVL144、NVL576 等更大规模集群的出现，单机架纵向扩展链路数量还将进一步上升。

因此，一旦纵向扩展采用光纤方案，光纤市场将迎来大幅增长。

在光纤通信大会（OFC 2025）上，OMDIA 发布的光器件市场预测显示：市场规模从 2003 年的数十亿美元（主要用于电信领域）增长到 2023 年的约130 亿美元。此后增速将显著加快，预计 2030 年达到250 亿美元，主要驱动力来自人工智能网络的发展 —— 先是横向扩展，数年后再轮到纵向扩展。

CignalAI 最新预测则认为，到 2029 年该市场规模将达到310 亿美元。

图2 | 光器件整体市场规模

光通信组件包括：

硅光技术：将原本分立的光子器件集成到优化的 CMOS 工艺中；

基于III‑V 族工艺制造的激光器、硅光放大器（SOA）等器件（如磷化铟 InP、砷化镓 GaAs），以及用于芯片间连接的封装、光纤、连接器和适配器。

本文重点聚焦硅光技术，后续文章将探讨其他关键组件。

光如何在芯片间传输数据

数据中心正从铜缆连接向光纤转型。实际物理光连接由光缆实现，通常采用单模光纤，用于传输单模或多波长光信号。

包层可保护光纤，更重要的是，其折射率低于纤芯，从而将光信号约束在光纤内部传输。

光缆市场规模庞大，市场龙头康宁每年光纤产品销售额达68 亿美元。Meta 近期与康宁达成60 亿美元协议，确保未来数年光缆持续供应。

图3 | 单模光缆——实际光纤直径8–9微米，光缆直径2–3毫米

实际光纤由玻璃制成，极细 —— 仅 9 微米，相当于 0.009 毫米。如此小的直径能让光保持单模状态，而硅光技术正是利用了这一特性。

光纤通信常用波段为：O 波段、E 波段、S 波段、C 波段和 L 波段，因为这些波段在光纤中的信号损耗较低，它们均属于红外光谱范围。

图 4 | 光纤中的光传输波段

由于O 波段在硅波导中的传输损耗较低，因此被应用于硅光领域。

在光纤或芯片的波导中，可使用单波长或多波长信号。多波长信号主要通过两种方式实现：粗波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）。CWDM 的波长间隔较大，DWDM 的波长间隔较小。二者均可提供更高带宽，但实现难度各有不同。

需要注意的是，尽管几乎所有用于互联的光纤均为单模光纤（SMF），但它们未必能互通，因为光可采用单波长或多波长、不同波长传输，且 / 或使用不同连接器。

硅光技术应用

可插拔光器件

当前，硅光技术在数据中心市场的主要驱动力来自可插拔光收发模块。

这类器件是标准化的热插拔设备，一端连接交换机或服务器的电接口，另一端连接光纤。相比被替代的铜缆，它们可通过光纤以更高带宽、更低功耗，将数据高速从一台交换机 / 服务器传输至另一台。

可插拔光收发模块的主要组件包括：

1.激光器

2.带 DSP 功能与高速 SerDes 的 CMOS 芯片

3.硅光芯片

在这类收发器中，硅光调制器（通常为马赫 - 曾德尔调制器）对激光器进行调制，将来自 CMOS 芯片的数据加载到光信号上。此外还包括滤波器、耦合器、石榴石、透镜与隔离器等器件。所有组件均封装在标准化可插拔外壳中。

Coherent（相干公司）2025 年投资者报告预测：

可插拔光器件市场规模将从 2023 年的60 亿美元增长至 2030 年的250 亿美元！

到 2030 年，市场将以 1.6T 和 3.2T 速率产品为主，同时仍有部分低速传统产品出货。

光电路交换机（OCS）

谷歌已在谷歌云（Google Cloud）中使用 ** 光电路交换机（OCS）** 多年。

与其他 AI 加速器不同，谷歌 TPU 无需交换机，而是通过三维路由架构组成数千颗 TPU 的集群。其架顶式（TOR）交换机采用可插拔光模块，并连接至 OCS 层，可实现整个数据中心顶层互联的重构，这对冗余、可靠性以及应对业务负载变化的网络重构至关重要。

谷歌方案采用MEMS（微机电系统）微镜，可接收数百路输入光纤，并将光路导向数百路输出光纤中的任意一路。

Lumentum 与 Coherent 目前也提供 OCS 光电路交换技术，分别采用 MEMS（Lumentum） 和 液晶技术（Coherent）。

图 5 | 谷歌 OCS 采用 MEMS 微镜实现光路路由 / 交换

在 2025 年 12 月的一场金融会议上，Coherent 首席执行官表示：“我们对 OCS 持非常乐观的态度。”

去年夏天，他们预测 OCS 的整体潜在市场空间（TAM） 将超过 20 亿美元；而如今看到客户兴趣持续提升、应用场景不断拓宽，已将 TAM 预估上调至 30 亿美元以上。

多家初创公司正采用更紧凑的硅光技术开发 “二维” 光通信系统（OCS），包括 iPronics、nEye 和 Salience。

这些企业均已开展概念验证样品测试（nEye、Salience）或首批产品交付（iPronics）。

这类技术最终有望比现有架构更具成本效益或可靠性。

这些高密度方案还可能让 OCS 用于 scale-out 横向扩展连接：

先是用于冗余 / 可靠性保障，随后实现 GPU 与 GPU 之间的完整 OCS 直连，未来甚至有可能取代用于横向扩展的硅包分组交换机。

共封装光学（CPO）

相比可插拔光器件，CPO 共封装光学能够实现更高密度、更低功耗。

随着英伟达与博通在 2025 年宣布，将推出采用共封装光学的以太网横向扩展交换机以降低交换功耗，CPO 已开始蚕食可插拔交换机的市场份额。

图 6 | 英伟达 Spectrum‑X 横向扩展交换机（采用共封装光学 CPO）

交换机包含两颗芯片（上图红框内），顶部覆盖液冷外壳。

从顶端伸出的四根黑色粗线缆为液冷进出管路。

可插拔激光器（上图绿框内）位于图下方箱体顶部，用于提供信号载波。

激光器共有 9 个，每个箱体可容纳 8 个。

可以看到 9 根黄色线缆将激光器与交换芯片相连。

激光器采用可插拔设计，原因是其故障率相对较高，故障时可轻松更换，无需替换整个交换机。

左下角仅连接了一根输入光纤（黄色线缆），还能看到许多其他光纤连接器。

从 I/O 面板到芯片的光纤连接，必然位于我们无法看到的下方区域。

CPO 的节能优势显著（功耗仅为可插拔光器件的 1/3），对大规模应用至关重要，因为每个机架通常有超过 1000 个连接。

英伟达、博通、Ayar Labs、Celestial（近期被美满电子收购）、Lightmatter 以及 Ranovus 均在研发 CPO 解决方案。

图7 | 配备CPO的AI加速器的示意图

目前，所有 GPU/XPU/AI 加速器均采用铜缆进行连接。正如英伟达黄仁勋所言，当前趋势是尽可能长期使用铜缆。

然而，铜缆的性能提升已接近收益递减点：追求更高性能会导致连接距离过短，并提高误码率。

光纤连接将使 AI 加速器能够以更低延迟、更大芯片容量持续提升互联带宽。

Ayar Labs 与 Alchip 去年年底展示了基于 CPO（共封装光学） 的 AI 加速器概念图。

加速器与 HBM 芯片位于硅中介层上，而光引擎芯片（图中显示 8 颗，包含超过 256 路光纤）则搭载在有机基板上。

未来，光引擎将直接集成在中介层上。

潜力巨大的硅光代工厂

与 CMOS 相比，当前硅光制造规模仍较小，但硅光器件代工厂将迎来大幅增长，台积电有望成为行业第一。

目前主流的硅光芯片代工厂包括格芯（GlobalFoundries，近期收购了 AMF）和高塔半导体（Tower Semiconductor）。

此外还有一些规模较小的厂商，例如提供原型服务的 imec、荷兰的 LioniX 以及马来西亚的 Silterra。

台积电、三星、联华电子均在开发面向代工业务的硅光芯片技术。

格芯（GF）收购 AMF 后，宣称已成为全球第一大硅光（SiPho）代工厂。

预计 2026 年硅光收入将接近 3 亿美元，并在本十年末突破 10 亿美元。

格芯硅光部门副总裁兼总经理 Kevin Soukup 表示，公司在新加坡拥有两座晶圆厂，主要聚焦 C 波段与 L 波段，面向长距相干通信应用。

一座是收购的 AMF 晶圆厂，另一座是规模更大的原有晶圆厂，同样采用 AMF 工艺。

凭借更大的晶圆厂，格芯可大幅提升产能，满足长距客户需求。

在马耳他，格芯的硅光晶圆厂专注于可插拔光模块与共封装光学（CPO）。

该厂拥有可在单颗芯片上同时制造 45nm CMOS、射频及 / 或硅光器件 的工艺，也可生产不含 CMOS 的纯硅光芯片。

公司利用其 12nm FinFET 工艺的先进设备制造低损耗波导，并拥有类似台积电 COUPE 的技术，将电接口芯片（EIC）与光子集成芯片（PIC）集成在单颗芯片中。

该工艺支持光纤输入的边缘接入与顶部接入：与 COUPE 不同，格芯通过光学反射镜实现顶部接入，将光线 90 度反射至边缘连接，无需使用光栅耦合器。

这使其在宽带领域具备优势，因为光栅耦合器难以处理宽带信号。

Soukup 表示，客户已将格芯的 CPO 技术 “整合” 到面向 scale-out（横向扩展）与 scale-up（纵向扩展） 的设计中。

格芯还预测：

2026 年，全球第二大硅光代工厂收入约为 2 亿美元，第三约 1 亿美元，第四约 5000 万美元。

将这三家收入相加并估算其余厂商规模，2026 年全球硅光代工厂总收入将低于 10 亿美元 / 年，不到台积电年收入的 1%。

高塔半导体（Tower Semi）堪称全球第二大硅光器件代工厂。

据报道，Tower Semiconductor 的 PH18 硅光晶圆代工方案，旨在满足数据中心互联市场对 O 波段与 C 波段 日益增长的需求。