隨著 AI 快速發展，全球算力需求急速升溫。自 2012 年以來，用於 AI 模型訓練的算力需求幾乎每四個月就翻倍，遠遠超過摩爾定律所能支撐的速度。這意味著，單靠傳統積體電路，已難以滿足 AI 時代對算力的爆炸性需求。
在此背景下，矽光子（Silicon Photonics）技術應運而生。矽光子利用 CMOS 半導體製程，在矽或矽基襯底材料（如 SiGe/Si、SOI）上製造光子器件，包含發光器件、調製器、探測器、光波導等。透過這些元件，矽光子能高效地激發、處理與傳輸光訊號，大幅提升資料傳輸速度並降低損耗，應用於光通信、光互連及光計算等領域。
然而，矽光子技術仍受到材料特性的限制：矽本身難以高密度整合光源，波導與調製器也存在損耗與速率的瓶頸。為了突破這些問題，業界正積極推進矽基光電異質集成技術。這種做法一方面保留矽在 CMOS 製造上的大規模量產優勢，另一方面結合其他材料的光電特性，藉此打造更高性能的器件，並推動矽光子真正邁向單片集成系統。
共封裝光學CPO 介紹
目前資料中心的主流方案仍是傳統可插拔光模組（Pluggable Module）。這類模組由 TOSA、ROSA、光源、光電探測器與連接器組成，具備可熱插拔的便利性，長期以來是光通訊的標準配置。然而，傳統可插拔光模組在傳輸的過程必須透過多段銅線進行訊號傳輸（ASIC → 基板 → PCB → 模組內部），在高速場景下損耗嚴重：當速率上升至 200G 時，每公尺的損失超過 20dB，進一步提升至 3.2Tbps 時，更會因訊號衰減與散熱過熱問題而無法有效運作。
為解決這些瓶頸，共同封裝光學（CPO, Co-Packaged Optics）應運而生。CPO 將電子積體電路（EIC）與光子積體電路（PIC）直接整合至交換器 ASIC 封裝內，讓光模組更靠近核心晶片（如 ASIC），將電訊號傳輸距離從數公分縮短至毫米級。這種設計大幅降低訊號衰減與串擾，並在頻寬、功耗與空間效率上展現突破。
相較於傳統模組，CPO 的優勢主要有：
- 更高性能：支援高速與高容量傳輸。
- 能效改善：根據 Cisco 統計，CPO 取消高功耗的 DSP，並透過低功耗 SerDes，系統功耗可降低 25%–30%，其中 ASIC 連接所需功耗最多可減半。
- 小型化與散熱優化：尺寸更小，提供更佳的通風效率，降低系統溫度與風扇功率。
- 成本優勢：在高密度部署下具備更高經濟性。
不過，CPO 也存在挑戰：一旦損壞不易更換，且業界尚未統一規格，根據產業預期，CPO 將於 2027 年逐步成為市場主流。
CPO 關鍵結構
1. 矽光引擎（OE）
矽光引擎（OE） 是 CPO 交換機內部進行光電轉換的核心架構。它採用 3D 封裝，將激光器、探測器、調製器等光學元件直接堆疊整合到與 ASIC 相同的封裝中。這種方式相較 2D/2.5D 更緊湊，能最大限度降低信號損耗與功耗。
2. 外置雷射（ELS）
CPO 系統中，內置雷射壽命易受時間與溫度影響，且損壞後無法修復，需更換整組光引擎，導致維修成本增。因此，許多廠商改用外置雷射方案外置方案如 External Laser Small Form-Factor Pluggable（ELSFP），將雷射置於模組內，透過其雷射作為光源照射 CPO 中的矽光元件並進行調變，雷射失效時可直接更換模組，降低 CPO維修成本，此外，其連接介面由 OIF 制定，可透過標準化降低成本並促進市場擴展。
3. 光纖陣列（FAU）
在 CPO 系統中，PIC 與 FAU 的精確光學對準是最關鍵的環節之一。隨著通道數量增加與晶片面積擴大，對準的難度也大幅提升。FAU 通常以 V 形槽基片固定多芯光纖，將裸露光纖置入 V 槽中，由加壓器壓緊並以膠水黏合，最後經研磨與拋光達到高精度。以 ELSFP 方案為例，當光訊號從 PIC 輸出至光纖時，必須先經過 FAU 進行對準與耦合，才能確保光訊號高效穩定地傳輸。
4. 保偏光纖（PMF）
常規光纖在生產中容易因受力或彎曲導致雙折射，進而改變光的偏振態。保偏光纖則透過特殊纖芯設計，強化雙折射效果，以抵消外部應力對偏振態的干擾。在 ELS 功率較高（超過 100 W）的應用下，CPO 交換器部分光纖需使用保偏光纖，確保光訊號能沿單一偏振方向穩定傳輸。不過，為兼顧成本，CPO 僅在光輸入階段採用保偏光纖，而輸出則維持使用價格較低的常規光纖。
5. MPO 連接器
CPO 交換機內部需要大量光纖部署。與單芯光纖連接器不同，MPO 屬於高密度多芯連接器，可支援 8 芯至 144 芯以上的光纖，大幅減少布線空間與複雜度，因此被廣泛應用於數據中心內部互聯。CPO 雖然縮短了光引擎與交換 ASIC 之間的距離，但同時增加了光引擎至機箱前面板的布線需求。因此，CPO 內部光纖連接器多採用高芯數 MPO，以降低前面板端口數量。進一步來看，CPO 交換機內部甚至可能導入保偏 MPO。然而，保偏 MPO 必須確保 MT 插芯上的所有光通道同時耦合對準，技術難度顯著提升，也使得 ASP 隨之上升。
6. Shuffle box
交換機內部的光訊號通常先由 MPO 介面輸入，再經由分纖盒拆分為四路，分別連接至四個不同的交換機晶片。此舉能將信號來源切割至最小單元，便於後續處理。最終，數據在 CX8 網卡端完成匯聚。而在這一流程中，Shuffle box 扮演關鍵角色，負責信號的分配與處理，確保資料能高效且精準地傳輸。
實務上來說，以 NVIDIA Quantum-X Photonics InfiniBand 為例，交換機芯片發出的電信號，首先經由調製器轉換為光信號，再輸入 OE 模組。隨後，信號透過 FAU 對齊並導入 MPO 接口。之後，光信號有兩種路徑：一部分經普通光纖傳輸至交換機面板端的 MPO 端口，另一部分則透過保偏光纖傳輸至面板端的 ELS 外置雷射光源接口。
CPO 相關廠商
Broadcom
Broadcom 自 2022 年推出首款 CPO 交換機，搭載 Tomahawk 4（25.6Tbps），透過光電整合顯著降低功耗。2024 年，公司推出 Bailly 交換機，搭載 Tomahawk 5（51.2Tbps），功耗降至 5.5W/800G，並支援多速率與大規模端口配置，同時，引入 TWMZM 調製器與 FOWLP 封裝，進一步提升互連效能。2025 年，Broadcom 發表 Tomahawk 6（102.4Tbps），支援 100G/200G SerDes 與 CPO 架構，滿足 AI 網路部署對高效能、低功耗與系統整合的需求，進一步鞏固其在資料中心網路基礎設施的領先地位。
Marvell
Marvell 自 2022 年起積極布局 CPO 技術。在 OFC 2022 上，公司展示了面向 51.2T 交換機的 3.2T CPO 平台雛形，奠定基礎。2024 年，Marvell 在 OFC 發布業界首款 3D SiPho 光子引擎，支援 200Gbps 電/光接口，成為將 CPO 集成至 XPU 的關鍵模塊。2025 年 1 月，Marvell 宣布基於最新 HBM 架構，已能協助客戶將 CPO 無縫整合至下一代定制 XPU。這一突破使 XPU 連接從單機架內銅纜互聯，進化為跨機架數百個 XPU 的光連接，大幅提升 AI 伺服器的性能與可擴展性。
NVIDIA
在 2025 年 GTC 大會上，NVIDIA 發布 Quantum-X 與 Spectrum-X 矽光共封裝晶片，並同步推出三款交換機新品：Quantum 3450-LD、Spectrum SN6810 與 Spectrum SN6800。Quantum-X 系列基於 InfiniBand 架構，鎖定 HPC 與 AI 超算應用，預計於 2025 年底上市。Spectrum-X 系列則基於以太網技術，面向雲端與大型數據中心，預計於 2026 年推出。
台積電
台積電在 2025 年 1 月於 3nm 製程上成功調試 CPO 關鍵技術—微環調製器（MRM），實現與先進半導體封裝的整合，預計今年下半年將量產 1.6Tbps 光電器件，首批客戶可能包括 Broadcom 與 NVIDIA。同時，公司正開發緊湊型通用光子引擎（COUPE）技術，利用 SoIC-X 堆疊將積體電路直接整合至積體光路之上，以顯著降低連接阻抗，性能優於傳統封裝方式，展現台積電在光電異質整合上的持續突破與戰略布局。COUPE 發展計劃有三個階段：
- 第一代：集成至 OSFP 可插拔基板，速率達 1.6Tbps，超越現有銅纜以太網標準（最高 800Gbps）。
- 第二代：以 CPO 形式集成至 CoWoS 封裝，速率提升至 6.4Tbps，並進一步降低延遲。
- 第三代：進一步將 COUPE 集成至 CoWoS 中介層，速率可達 12.8Tbps，實現光學連接更靠近處理器，目前仍處於探索階段，尚未確定時程。
CPO 應用
IT 電信
矽光子憑藉著高速、低功耗的優勢，有望在 IT 產業中發揮重要的角色。在 5G 網路 中，矽光子已能應用於基站與傳輸環節，透過更快的光電轉換與低能耗傳輸，確保高效能與高可靠性。展望 6G，矽光子 Tbps 級速率與微秒級延遲的潛力，將支撐超高清影音傳輸、AR/VR、自動駕駛等數據密集型服務，並推動分布式與自組網架構的落地。整體而言，矽光子正成為次世代通訊與邊緣運算的關鍵基礎，對 AI 與高頻寬應用具深遠影響。
數據中心
傳統數據中心長期面臨能耗高、散熱壓力大與傳輸速度受限的挑戰。矽光子技術可提供高速、低功耗的互連方案，特別適用於伺服器與機架之間的高速光學互連。這不僅能滿足不斷增長的頻寬需求，也可大幅提升數據中心的效能與能效表現，被視為推動新一代數據中心發展的關鍵技術。
感測器
矽光子技術正逐步擴展至車用與沉浸式應用領域。在汽車中，它可應用於 LiDAR 系統，實現更高精度的 3D 環境感測，並提升車內組件間的數據傳輸效率，有助於輔助駕駛系統升級，甚至支持車輛與基礎建設間的高速通信。Mobileye 已在 2021 年 CES 上展示新型矽光子激光雷達 SoC，該晶片採用片上調頻連續波（FMCW）技術，並計劃自 2025 年起應用於自動駕駛汽車，成為矽光子跨足車用與智慧感測的具體落地案例。
生技醫療
矽光子憑藉高密度集成與小型化特性，正快速切入醫療領域，不僅能用於生物感測器，提升光學診斷與成像的效率與準確度，也更適合植入式醫療器件的應用。透過整合波導、光調製器與光探測器等組件，矽光子可大幅強化醫學成像、斷層掃描與基因測序的性能，成為推動精準醫療與新一代醫療科技的重要技術。
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