CPO扩容，光链路损耗与成本是关键挑战

未来五年，纵向扩容互联方案将完成从铜缆向光互联的转型，主流技术为共封装光学（CPO），近封装光学（NPO）也会得到应用，垂直腔面发射激光器（VCSEL）同样拥有部分落地场景。

AI热潮带动算力需求全面爆发，Anthropic年化营收已达470亿美元，OpenAI与谷歌Gemini紧随其后。Anthropic表示，公司发展的瓶颈并非市场需求，而是算力供给。这也倒逼行业深挖每一颗GPU、XPU的性能潜力。基于光互联的纵向扩容架构能够提供更高带宽、更低延迟，大幅提升各类算力芯片的利用率与综合性能。

数年后，算力机柜或将采用下图所示形态。所有高带宽互联线路均采用黄色单模光纤（SMF）。在该示例方案中，机柜下部80%区域为算力托盘，通过单模光纤连接至机柜顶部的集线盒；集线盒将光纤带拆分，分别接入不同交换平面。交换托盘则部署在另一台机柜中。多组算力机柜还可组合成规模更大的算力集群，这只是落地形态之一。不同厂商对交换模块与算力模块的封装设计会存在差异，但底层互联架构思路基本一致。

图1全CPO互联架构演示算力机柜，机柜布设有大量黄、蓝色线缆，透明抽匣区域展示内部元器件。

CPO链路为双向传输：信号从发射端激光器出发，经由XPU上的光引擎（OE）、单模光纤，传输至交换托盘，最终接入交换机的光引擎；反向链路传输路径与之对称，往返链路会经过同一套器件。光链路途经的元器件远比表面看起来更多，下文将展开详解。光信号在传输的每一个环节都会产生光功率损耗，所有损耗叠加后的总损耗值即为光链路预算。若累计损耗过高，终端接收器将无法正常识别光信号。光链路预算决定了激光器所需的输出功率，而激光器造价高昂，因此控制链路总损耗至关重要。数据显示，光信号抵达接收器前，高达99%的光功率会在传输路径中损耗殆尽。

除光功率损耗外，另一项核心预算是成本预算。整条链路所有元器件的综合成本，必须控制在合理区间，才能在单位带宽成本上具备商业竞争力。

CPO光链路损耗预算

GPU与交换机之间的光链路架构如下图所示。

图2简化版光链路架构ELS-OE-OE。

实际光链路的传输环节远多于示意图所示。以下为GPU至交换机CPO光链路的主要组成单元（交换机至GPU链路结构反向一致）：

1. 外置激光源可插拔模块（ELSFP）

2. 保偏光纤（PMF）

3. 可拆卸连接器

4. 光引擎发射端

5. 可拆卸连接器（同第3类）+单模光纤，连接至机柜面板

6. 算力机柜面板至交换机面板链路：包含各类连接器、光开关（OCS）或集线盒，相关损耗由客户侧承担

7. 交换机面板+单模光纤+可拆卸连接器

8. 光引擎接收端

所有布局CPO技术的企业均承认，端到端链路损耗是行业面临的核心难题，需要在光功率、性能与成本之间反复权衡。下文结合公开资料分析这一技术挑战，并逐段统计光信号传输过程中的剩余功率。

图3ELSFP输出端至光引擎接收端的CPO链路损耗示例。

外置激光源可插拔模块（ELSFP）

该模块采用外置可插拔设计，便于故障快速检修与更换。模块内的激光器将光束耦合进入保偏光纤（PMF），这种光纤造价远高于单模光纤，最终光信号接入光引擎的连接器。

外置激光源可插拔模块的光路细节，其完整光路依次为：激光芯片输出端→准直透镜→光隔离器→聚焦透镜→多纤连接器（MT）。聚焦透镜负责将光束汇聚，导入后端保偏光纤。

根据此前文章数据，ELSFP整体光路损耗为-1.5分贝至-3分贝：-1.5分贝对应29%功率损耗，-3分贝对应50%功率损耗。

综合计算：从激光芯片输出至ELSFP输出端，光功率剩余50%~71%。

模块输出功率以多纤连接器端口为计量点，统计单位为单通道（单波长）光功率。

行业常用功率换算参考：

20分贝毫瓦=100毫瓦

23分贝毫瓦=200毫瓦

26分贝毫瓦=400毫瓦

保偏光纤（PMF）

ELSFP输出的光信号接入保偏光纤，其造价约为数据中心常用黄色单模光纤的100倍。

使用保偏光纤可稳定光信号偏振态，让光引擎的耦合器件实现更高耦合效率。虽然保偏光纤成本更高，但其布线长度通常不足1米，综合来看，降低耦合损耗省下的成本，远高于短距离保偏光纤的投入（高功率激光器的成本更是远高于保偏光纤）。

保偏光纤损耗极低，在O波段（1310纳米）下，每米损耗通常低于0.001分贝。

光引擎输入端可拆卸连接器

CPO专用可拆卸连接器属于新兴技术。横向光互联方案所用的可插拔光模块体积偏大，无法适配CPO架构；而CPO连接器必须做到微型化，才能集成在GPU、交换机封装体内。

算力/交换机多芯片封装（MCP）必须搭配可拆卸连接器，简化装配运维。若无此类器件，数十根光纤将直接对接多芯片封装，机柜装配过程中极易造成光纤损坏。

目前布局该领域的厂商众多，包括Senko、Molex（近期收购Teramount）、康宁、Foci、ACON、富士康、古河电工等，各家也拿出了不同技术方案应对这一全新挑战。

下图为光纤阵列与光子集成芯片（PIC）对接的可拆卸连接器原理示意图，光子集成芯片是光引擎的核心组成部分。

图4光子集成芯片/光引擎配套可拆卸连接器。

该方案通过芯片边缘结合透镜阵列实现光路耦合，配对连接器支持反复拆装。完整光路为：光子集成芯片→透镜阵列→连接器通路→透镜阵列→光纤阵列。不过边缘耦合方案难以实现大规模量产。

英伟达是首家采用台积电COUPE技术的企业。根据台积电在2025年IEEE电子元件与技术会议（ECTC）公布的信息，COUPE技术采用顶部入纤方案；而上文提到的边缘耦合方案，量产规模化难度要大得多。

光纤阵列包含三类光路：激光输入光路、数据输入光路、数据输出光路。

Senko公开数据显示，其SEAT光接口及金属光子集成芯片耦合器（MPC）的插入损耗低于-1.5分贝，对应29%功率损耗。

综合计算：从ELSFP输出端至首个光引擎输入端，光功率剩余71%。

第一级光引擎（发射端）

光引擎同时具备发射与接收功能，本段先分析单向发射链路：来自XPU或交换机的电信号，在光引擎中调制输入的激光信号。

保偏光纤传输的偏振光，通过一维光栅耦合器接入光引擎。台积电COUPE方案的光栅耦合器插入损耗约-1.2分贝（对应24%功率损耗，数据来自2025年IEEEECTC论文）。

硅光芯片与硅波导会进一步造成光损耗，公开资料显示，仅硅光波导本身损耗就达-1分贝（不含输入、输出光栅耦合器）。CPO所用光调制器同样存在较大插入损耗，区间为-3分贝至-6分贝。

若传输混合偏振态的数据信号，还需搭配二维光栅耦合器，典型损耗为-3分贝。

仅光子集成芯片内部综合损耗计算：

-1.2+(-1)+(-3~-6)+(-3)=-8.2~-11.2分贝，对应85%~92%的光功率损耗。

综合计算：从ELSFP输出端至发射端光引擎输出端，光功率剩余6%~11%。

光引擎输出端可拆卸连接器

该连接器规格、损耗参数与输入端一致，插入损耗低于-1.5分贝（29%功率损耗）。

综合计算：从ELSFP输出端至发射端光引擎外接连接器输出端，光功率剩余4%~8%。

单模光纤+机柜面板链路（算力机柜→交换机机柜）

根据OCIMSA技术规范第2.4章节，算力机柜与交换机机柜之间的外部链路（含各类转接器件）总损耗限值为-2.5分贝。

该区间覆盖GPU机柜面板连接器、中间转接器件（未来可升级为光开关），直至交换机机柜面板连接器，所用均为多纤MT连接器。机柜内部需要对光纤带进行分纤、重新束纤，再接入交换托盘。

规范支持最长500米SMF-28单模光纤（康宁旗下单模光纤产品），足以支撑超大型算力集群部署。单模光纤自身损耗极低，链路损耗主要来自各类连接器。

-2.5分贝损耗对应44%光功率损耗。

综合计算：从ELSFP输出端至交换机机柜面板连接器后端，光功率剩余2%~4%。

接收端光引擎输入连接器

器件规格、损耗与发射端一致，插入损耗低于-1.5分贝（29%功率损耗）。

综合计算：从ELSFP输出端至第二级光引擎输入端，光功率剩余1.6%~3%。

第二级光引擎（接收端）

光信号经连接器接入二维光栅耦合器，损耗约-3分贝。

信号继续传输至硅光器件，直至终端光电探测器，此段综合损耗约-1分贝。光信号最终转换为电信号，传输至交换机。

接收端光引擎总损耗：-3+(-1)=-4分贝，对应60%功率损耗。

综合全链路：从激光器输出端至接收端最终光电探测器，光功率仅剩余0.6%~1.2%。

终端剩余光功率必须达到阈值，才能保证光电探测器稳定识别数据信号。行业也会基于这一损耗结果，反向推导激光器所需的最低输出功率。

不同发射功率下终端剩余光功率参考（以ELSFP输出为基准）

结合1.1%剩余功率的案例，再次梳理全链路损耗：信号初始功率100%，经过连接器后剩余71%，经过发射端光引擎后剩余11%，全链路综合损耗高达98.8%。

由此可见，CPO光链路预算的实现难度极高。只要任意环节的插入损耗得到优化，就能降低激光器的输出功率要求，最关键的是大幅削减激光器硬件成本。

CPO链路同步与信号偏移补偿

光链路的运维复杂度不止于损耗控制，固件调试同样是一大难点。例如，链路两端的光引擎芯片工作温度存在差异，会导致激光波长偏移。光引擎内部搭载复杂的反馈调控系统，实时校准温度与波长，确保参数维持在正常区间。

这一原理，和传统高速电互联SerDes中的锁相环、时钟数据恢复电路、自适应均衡技术逻辑相近，后者目前已在行业广泛应用。

CPO成本预算

通信链路的成本控制始终是行业追求的目标。纵向扩容场景下，CPO的核心价值，是实现铜缆方案无法企及的超大带宽与集群规模，进而大幅提升GPU、XPU这类高价值算力芯片的利用率与整体性能。

AI数据中心全产业链受需求暴涨影响，供给持续紧张，企业不得不溢价签订大额远期采购订单。

头部厂商并未公开完整链路成本，结合公开信息可做大致估算。CPO链路中，元器件成本从高到低排序为：

1. GPU

2. 纵向扩容交换机

3. 链路专用激光器

4. 光引擎

5. 算力/交换机多芯片封装专用可拆卸连接器

6. 单模光纤

光引擎融合了光子芯片与先进鳍式场效应晶体管（FinFET）CMOS工艺，依托成熟量产产线制造。

单模光纤在数据中心应用数十年，供应链与制造体系高度完善。

激光器与可拆卸连接器的产业化成熟度偏低，叠加当下供需失衡，现阶段售价居高不下。两类器件结构复杂，但多家厂商均按照统一标准研发生产。参考行业规律，未来三至五年，随着出货量提升、工艺成熟，激光器与连接器的成本将快速下滑，降幅会明显高于链路内其他器件。

总结

光互联纵向扩容架构，需要对各类元器件做系统性规划，才能在高带宽、高性能的前提下，压低单位带宽综合成本。

激光器、新型连接器等新兴器件初期成本偏高，但这类产品属性更接近DRAM，而非GPU。在需求持续爆发、供给短期不足的阶段过后，其价格会逐步回落。

硅光技术已有三十余年发展历史，近年才迎来量产规模爆发，后续出货量还将持续走高。随着工艺迭代与技术创新，全链路光损耗将不断优化，进一步提升传输性能、降低单位带宽成本。