近年來，光通訊產業發展迅速，在5G和人工智慧的推動下，光通訊技術取得了巨大突破，基礎設施也實現了質的飛躍，隨著 AI 技術的廣泛應用，尤其是今年 AIGC 大模型的流行，企業和組織對智慧運算中心的需求不斷增長，在各個產業，我們都迫切希望運用 AI 技術來改善工作流程、提高效率，實現更大的價值；為了在技術和市場上獲得優勢，各方紛紛競相建設智慧運算中心，激勵企業和組織不斷投資和創新，以打造更強大、更高效的網路基礎設施；因此帶動了光通訊新一波發展熱潮，400G 骨幹網路即將全面部署，資料中心800G、1.6T也躍躍欲試。
AI 運算中心的建設已經帶動了光學模組市場的大幅增長，從技術和需求兩方面帶來了深刻的變革，隨著應用場景的不斷演進和市場需求的快速增長，LightCounting 預測，在接下來的五年內，光學模組市場的總體規模將繼續保持穩定增長。
自 2007 年首次亮相以來，光學模組不斷進化，隨著光學模組速度的增加，功耗、成本和尺寸已成為進一步發展的瓶頸；此外，隨著AI 運算中心的快速增長，對光學模組提出了新的要求：
高速需求 (High-speed)：
AI 運算中心需要處理大規模資料，進行高速資料傳輸和處理；目前，商用高速光學模組，如100G、400G和800G，正在不斷持續開發與進化，以實現更高的資料傳輸速率；未來，光學模組將繼續朝著更高速度的方向演進，以滿足不斷增長的資料傳輸需求。
微型化需求 (Miniaturization)：
AI 運算中心具有高密度的伺服器和設備，需要大量的光纖布線來連接各種設備，然而，傳統的光學模組在尺寸和布線密度方面存在限制；為了滿足高密度布線的需求，光學模組透過先進的封裝技術和整合電路設計不斷縮小其尺寸，這使得更高的傳輸埠密度和更靈活的佈局得以實現。
低功耗要求 (Low power consumption)：
AI 運算中心對能源消耗和管理效率有較高的需求，光學模組的功耗是影響光通訊系統整體能源效率的關鍵因素之一；為了降低功耗，光學模組融入了更高效的光電元件、低功耗驅動電路、和降低製程節點以及先進封裝技術的節能；其功耗和價格與客戶購買意願密切相關，在2007 年 10G（10Gbps）光學模組的功率僅為 1W 左右，到了40G、100G、400G、800G，光學模組的功耗達到了30W；更重要的是一台交換機可以有多個光學模組，以滿載的狀況下，通常有幾十個光學模組（如果有48個的話，就是48×30=1440W）；一般來說，光學模組的功耗約佔整機功耗的40%以上，因此整機功耗極有可能超過3000W；光通訊設備能耗的激增也對整個 AI 運算中心的能耗和成本帶來巨大壓力，這對通訊網路的碳達峰 (carbon peaking) 和碳中和 (carbon neutrality) 目標極為不利。
靈活性需求 (Flexibility)：
AI 運算中心的需求不斷演變，需要靈活的網路架構，光學模組的可插拔能力使網路配置和升級更加靈活和便捷，它允許使用者根據特定需求選擇適當的光學模組類型、傳輸速率和協定，滿足不同應用場景的多樣需求。(延伸閱讀：可插拔相干光學模組測試、400G可插拔相干模組：準備迎接真實工作！、可插拔相干光學模組中的OSNR：光訊號品質的關鍵指標)
因此，在未來AI 運算中心的發展中，只有那些具備高速能力、小型化、低功耗和靈活性的光學模組，才能提供更有效的支持，實現高速、高密度和可靠的光通訊系統。
然而，目前傳統的高速光學模組使用數位訊號處理器（DSP）來處理高速訊號，儘管DSP提供了數位時脈恢復和色散補償等功能，有助於實現更低誤碼率的訊號恢復，但也帶來了更高的功耗和成本。
LPO 線性驅動可插拔光學 (Linear-drive Pluggable Optics)
為了在滿足高速、高密度光通訊連接的需求，以及光網路的靈活性和可擴展性需求的同時，降低功耗和成本上，出現了線性驅動可插拔光學（LPO, Linear-drive Pluggable Optics）技術，LPO 技術採用了線性驅動方法，將DSP替換為具有高線性和等化功能的轉導放大器（TIA, Transimpedance Amplifier）和驅動器（驅動晶片），這種替換顯著降低了功耗和延遲。
LPO 強調“可插拔”，是與 CPO 共同封裝架構 中光學模組不可插拔的最大區別。CPO 將光學模組（光學引擎）移至靠近交換晶片，直接與其「捆綁」在一起；而所謂「線性驅動」是指LPO採用線性直接驅動技術，光學模組中取消了DSP（數位訊號處理）/ CDR（時脈資料恢復）晶片，那什麼是線性直接驅動，DSP的作用是什麼，為什麼可以取消呢？拆除後有何影響？ (延伸閱讀：CPO 共同封裝的架構介紹)
我們先從光模組的基本架構開始，光學模組傳輸即電訊號轉變為光訊號，光訊號轉變為電訊號的過程；在發送端 (TX)，訊號經過數位類比轉換器 (DAC)，將其從數位訊號變為類比訊號；在接收端 (RX)，類比訊號經過類比數位轉換（ADC）並再次變為數位；經過一番運算後，得到的數位訊號有點雜亂、失真，這時，就需要DSP對數位訊號進行「修復」，DSP是運行演算法的晶片，有數位時脈恢復和色散補償功能（去除雜訊、非線性干擾等因素），可對抗和補償失真，減少失真對系統誤碼率的影響。（註：並非所有傳統光學模組都有DSP，但在高速光模組中，訊號要求較高，所以基本上需要DSP。）
除了DSP之外，光學模組中的主要電氣晶片還包括雷射驅動器（LDD）、跨阻放大器（TIA）、限幅放大器（LA）以及時脈和資料恢復晶片（CDR）；CDR也用於資料復原，它從接收的訊號中提取資料序列，並恢復出與資料序列對應的時脈時序訊號，從而恢復接收到的特定資訊。DSP的功能非常強大。但它也存在功耗和成本較高的問題。
LPO方案是將光學模組中的DSP/CDR晶片取出，將相關功能整合到設備的交換晶片中，光模組中只留下了線性度較高的驅動晶片和TIA（Trans-Impedance Amplifier），分別整合了CTLE（連續時間線性等化）和EQ（Equalization, 等化）功能，用以在某種程度上補償高速訊號。
LPO (Linear-drive Pluggable Optics) 技術提供以下優勢：
低功耗 (Low power consumption)：
LPO 光學模組的功耗相比可插拔光學模組減少約50%，透過線性驅動解決方案，矽光子和垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）的功耗也減少約50%，有效降低了內部元件的發熱。
低成本 (Low cost)：
LPO (Linear-drive Pluggable Optics) 技術成本較低，由於DSP 價格較高，但它們在 400G 光學模組的材料清單（BOM）成本中佔約20%到40%；在 LPO 解決方案中，驅動器和 TIA 整合了EQ功能，讓光學模組的整體成本大幅降低。
低延遲 (Low latency)：
透過消除 DSP，並利用具有EQ功能的高線性 TIA 和 DRIVER 晶片，系統可以減少訊號恢復時間，將延遲顯著降低到甚至皮秒 (picosecond) 級別。
可插拔式 (Pluggable)：
在 LPO (Linear-drive Pluggable Optics) 解決方案中，光學模組的封裝形式沒有發生顯著變化，採用了可插拔設計，允許輕鬆插入和拆除光學模組，這使得光纖連接更加靈活和方便，這樣的設計讓過去的交換機設備可以直接沿用，而不需汰換，簡化了光纖布線和設備維護，使系統易於管理和維護。
LPO 線性驅動可插拔光學 (Linear-drive Pluggable Optics) 技術優勢
LPO 線性驅動可插拔光學 (Linear-drive Pluggable Optics) 是一種平衡與妥協的技術，它適用於特定的應用場景（短距離），放棄了DSP/CDR，導致效能（誤碼率）略有損失；然而，它也降低了功耗、成本和延遲，它與 CPO 相比具有不同的優點和缺點，雖然它比CPO出現得晚，但它的部署會比CPO更快；此外，要實現LPO，需要將 DSP 晶片整合到交換機中，這需要交換器晶片製造商的參與，LPO 概念也激起了 Broadcom 和 Inphi 等DSP晶片製造商之間的競爭。 (延伸閱讀：CPO 共同封裝的架構介紹)
總之，LPO 線性驅動可插拔光學 (Linear-drive Pluggable Optics) 技術提供低功耗、低成本、低延遲和熱插拔能力的優勢，這些優點使其成為未來高速光通訊、智慧運算中心和雲端資料中心的靈活高效光連接解決方案，預計將成為光學模組市場的主要成長驅動因素。
延伸閱讀
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