黃君彬

摘要：介紹了光互連在新型消費(fèi)類電子市場，如高清多媒體接口（HDMI）、通用串行總線（USB）、DisplayPort、專業(yè)音視頻以及分體式電視領(lǐng)域的新應(yīng)用。采用板上芯片封裝（COB）方案為基礎(chǔ)的新型消費(fèi)類電子市場有源光纜（AOC），以其低成本生產(chǎn)技術(shù)、小體積、支持多路光通道集成的特點(diǎn)，自2018年以來迅速得到了市場的認(rèn)可。進(jìn)一步介紹了具有代表性的HDMI、USB以及分體式電視AOC的性能特性以及市場應(yīng)用。認(rèn)為大量的新型光電產(chǎn)品將會出現(xiàn)在消費(fèi)類電子市場。

關(guān)鍵詞：消費(fèi)類電子市場;板上芯片封裝;AOC;光模塊;并行多通道光路集成

Abstract： In this paper， optical interconnect applications in new consumer electronics market， such as high definition multimedia interface （HDMI）， universal serial bus （USB）， DisplayPort， Customized Video & Audio System， TV market are introduced. Since 2018， consumer electronics active optical cable （AOC） products， which is based on chip on board （COB） technology， have acquired consumer market approbation due to low cost， small packaging and parallel optics solutions. The detail specification and application of HDMI， USB and TV AOC have been further discussed. Finally， the roadmap and development prospects of optical interconnect in consumer electronics market have been concluded at the end of this paper. It is believed that a large number of new optoelectronic products will appear in the consumer electronics market.

Key words： consumer electronics market; COB; AOC; optical transceiver; parallel optics

傳統(tǒng)的光模塊，如小型可插拔（SFP）、四通道SFP接口（QSFP）、十六通道可插拔光模塊（CXP）、吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）等數(shù)據(jù)中心以及電信網(wǎng)用的光模塊，由于其光發(fā)射次模塊（TOSA）/光接收次組件（ROSA）（光學(xué)芯片封裝）在量產(chǎn)中的高生產(chǎn)成本、大體積，并無法滿足多路光通道傳輸需求等因素，無法達(dá)到消費(fèi)類電子市場的客戶需求標(biāo)準(zhǔn)，因此一直無法在新的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

板上芯片封裝（COB）工藝以其低成本、小封裝體積的優(yōu)勢，在傳統(tǒng)光模塊領(lǐng)域一直被用作有源光纜（AOC）的光學(xué)封裝解決方案。自2018年以來，在消費(fèi)類市場，如高清多媒體接口（HDMI）、通用串行總線（USB）、數(shù)字式視頻接口（DisplayPort）、專業(yè)音視頻領(lǐng)域以及分體式電視市場，出現(xiàn)了越來越多的以COB方案為基礎(chǔ)的新型AOC解決方案。這是光互連在新型消費(fèi)類電子領(lǐng)域的新應(yīng)用。

1 COB工藝

COB也稱為芯片直接貼裝，就是將未經(jīng)封裝的裸芯片（包括光芯片以及電芯片）直接組合并粘貼到印刷電路板（PCB）上，然后進(jìn)行引線鍵合，最后對封裝進(jìn)行保護(hù)處理的工藝。

COB的技術(shù)核心由2部分構(gòu)成：固晶（Die Bond）和引線鍵合（Wire Bond），前者是貼片，后者是綁線。COB是在電芯片以及發(fā)光二級管（LED）封裝中大量采用的一種成熟工藝，之前一直應(yīng)用于一些基于封裝性能要求不高的產(chǎn)品。

傳統(tǒng)光通信行業(yè)（特指數(shù)據(jù)中心網(wǎng)以及電信網(wǎng)中應(yīng)用的光通信行業(yè)）在40 G/100 G等多路平行封裝中遇到瓶頸，之前的TOSA/ROSA體積過大并且無法滿足多路平行封裝的體積要求，因此COB技術(shù)在2010年左右就已成為光通信領(lǐng)域的熱門話題[1]。

COB工藝用在光通信時(shí)有2點(diǎn)顯著不同的特點(diǎn)：（1）其封裝精度要求提高了很多。典型的固晶精度要求由原來電芯片以及LED封裝中的幾百微米發(fā)展到在光通信封裝中的5 μm以內(nèi);因此，此時(shí)的COB封裝，也被稱為亞微米級（Sub-Micron）精度封裝技術(shù)。（2）由于引入了光芯片（垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和光電二極管（PIN）），光路部分必須通過光器件（透鏡、反射鏡或者其他光學(xué)器件）將光信號傳遞到光纖中;因此對封裝芯片的保護(hù)不能采用電芯片封裝處理方式，同時(shí)這里的光器件同樣需要做到亞微米級的封裝（耦合）精度。

在數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)等傳統(tǒng)光通信模塊市場中，COB工藝被用作AOC的方案，如SFP、QSFP、迷你串行小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（MiniSAS）等接口類型的基于電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）以太網(wǎng)或者InfiniBand協(xié)議的AOC。AOC比之前的光模塊方案在成本、多通道集成以及光學(xué)信號檢測成品率上都有明顯的優(yōu)勢;其唯一劣勢在于長度固定，不能如光模塊一樣使客戶可以自由更換長度。

自2018年以來，在消費(fèi)類光通信市場出現(xiàn)一種新型的基于COB工藝的光模塊方案[2]，并且將傳統(tǒng)光通信市場AOC生產(chǎn)工藝拆分為2部分：前端模塊供應(yīng)商先提供基于COB工藝的光模塊半成品，后端加工廠制作AOC成品。

這種新型技術(shù)方的案引入，大大推動了光互連應(yīng)用在消費(fèi)類電子市場的發(fā)展。三星率先在分體式電視市場采用了這種新型COB工藝的AOC方案，在其出廠的新型分體式大尺寸電視中，主機(jī)盒與電視屏幕之間的高速視頻信號、低速控制信號以及電源信號全部使用其定制的混合纜AOC。2018年是HDMI AOC市場迅速崛起的一年，許多新型的AOC產(chǎn)品開始涌入消費(fèi)類電子市場，光互連應(yīng)用開始在這一全新的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用和產(chǎn)品量產(chǎn)。

1.1 低成本

消費(fèi)類電子市場對成本非常敏感，盡管在2018年以前也有部分傳統(tǒng)光通信廠商嘗試過進(jìn)入該領(lǐng)域，然而大多因?yàn)樯a(chǎn)工藝不成熟造成價(jià)格高昂，無法真正帶動消費(fèi)類電子市場的光模塊產(chǎn)品應(yīng)用。

一種低成本生產(chǎn)技術(shù)的COB工藝于2018年開始出現(xiàn)在消費(fèi)類電子光互連市場，其主要技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在2點(diǎn)：適合量產(chǎn)的光學(xué)器件以及批量高效率的光學(xué)耦合方式。

光學(xué)器件在發(fā)射端將VCSEL中發(fā)出的光引導(dǎo)至多模光纖中，同時(shí)在接收端將多模光纖中的光引導(dǎo)至PIN中，具體見圖1。由于VCSEL的發(fā)光面以及PIN的光電探測面均向上垂直于印刷電路PCB板。而多模光纖的耦合方向是平行于PCB板，因此在COB工藝中，光器件需要將光轉(zhuǎn)動90°。一種高效的利于量產(chǎn)的光學(xué)器件的方法是用Ultem塑料材料注塑一體成型，分別設(shè)計(jì)3個(gè)光學(xué)平面。以發(fā)射端為例，第一聚光面將VCSEL發(fā)出的成高斯?fàn)钅芰糠植嫉墓饩酆铣深悳?zhǔn)直光;第二光平面為一個(gè)45°反射面，類準(zhǔn)直的光束在45°入射時(shí)形成全反射（Ultem材料的折射率約為1.65），此時(shí)經(jīng)過此第二光平面后形成類準(zhǔn)直的平行于PCB板的光束;第三光平面為另一聚光面，類準(zhǔn)直的平行光束經(jīng)聚光面匯聚，形成入射的聚焦光束進(jìn)入多模光纖的纖芯。在接收端的光路與發(fā)射端光路類似，只不過光的方向相反。新型光學(xué)器件適合量產(chǎn)，一方面體現(xiàn)在其適合注塑成型的材料大大降低了單個(gè)光學(xué)器件的成本，另一方面體現(xiàn)在光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化上。光學(xué)參數(shù)，例如2個(gè)聚光面的非球面曲率參數(shù)的優(yōu)化，可以使得光器件在其本身的制作公差以及光學(xué)耦合誤差的容忍度上大大提高，從而在成本設(shè)計(jì)以及最終光靈敏度需求中間取得一個(gè)平衡點(diǎn)。要做到這點(diǎn)，光學(xué)設(shè)計(jì)師需要對光路原理有著深刻的理解并同時(shí)對生產(chǎn)制作有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。

光學(xué)耦合方式一般可以分為主動式和被動式。主動式耦合，即在耦合過程中通過信息反饋（Feedback）的方式持續(xù)地調(diào)節(jié)耦合位置，直到達(dá)到最佳值為止，其特點(diǎn)是必須在耦合過程中讓光芯片進(jìn)入工作狀態(tài)，所以稱之為主動;被動式耦合，即在耦合過程中光芯片是不工作、不通電的，被動式耦合的方法有很多種，典型的一種是通過精密固晶機(jī)，直接通過拍照對準(zhǔn)的方式將光器件精密地固定到指定地為止，誤差范圍一般在5 μm左右。

市場上主流的AOC光學(xué)耦合方式經(jīng)歷了從被動式到主動式的發(fā)展歷程。最初的AOC市場，廠商用大型的精密固晶機(jī)被動式耦合的方法，可以將精度控制在5 μm以下，滿足性能要求。然而綜合計(jì)算生產(chǎn)成本，由于精密固晶機(jī)的設(shè)備投入大，單個(gè)設(shè)備耦合速度并不能真正滿足量產(chǎn)的需求。批量提高耦合方式的效率最終需要用到主動式耦合方式。主動式耦合的設(shè)備，能夠針對COB工藝的特點(diǎn)進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)，如根據(jù)COB工藝中PCB板小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了定制化的治具，可以在20個(gè)、40個(gè)的連扳上同時(shí)操作多個(gè)耦合工位。另外，主動式耦合的設(shè)備投入小，一般不到精密固晶機(jī)的價(jià)格的十分之一，同時(shí)單個(gè)設(shè)備產(chǎn)能大（最好的能達(dá)到被動式耦合設(shè)備的5倍以上），因此大大降低了生產(chǎn)成本。

1.2 小體積

相對于數(shù)據(jù)中心、電信網(wǎng)市場而言，消費(fèi)類電子市場中的產(chǎn)品種類數(shù)和功能極大地增加了。目前，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心、電信網(wǎng)市場對于光模塊的接口大多集中于少數(shù)的幾個(gè)類型標(biāo)準(zhǔn)，如SFP、QSFP、MiniSAS、CXP等。而消費(fèi)類電子的接口數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了數(shù)據(jù)中心中的接口數(shù)，其中標(biāo)準(zhǔn)接口有視頻類的HDMI Type A、HDMI Type D、數(shù)字視頻接口（DVI）、DisplayPort、Mini DP、USB Type C、Mipi等，數(shù)據(jù)類的接口有USB Standard A、USB Micro B、USB Standard B、Mini USB、Thunderbolt、USB Type C等。另外，更多的接口是客戶定制接口，如Facebook、微軟的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）頭盔上用的一款Occulink接口、三星分體式電視定制化的接口等。在這些新型的消費(fèi)類電子的接口類型中，小體積的COB工藝光模塊有利于光互連在不同產(chǎn)品、不同功能中的應(yīng)用中推廣。

由于COB工藝是將未經(jīng)封裝的裸芯片（包括光芯片以及電芯片）直接組合粘貼到PCB電路板上，相比于傳統(tǒng)光通信光模塊所使用的封裝好的TOSA、ROSA，裸芯片加上設(shè)計(jì)的光學(xué)器件所需要的體積要小很多。以單通道光芯片尺寸為例，單顆VCSEL或PIN的長寬均為0.25 mm，高一般為0.15 mm;而定制化的光器件設(shè)計(jì)，最小尺寸可以在1 mm以下?？紤]到耦合治具以及連接光纖的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)，長寬均可以做到5 mm以內(nèi)。由此可見，基于COB工藝的光模塊體積可以適配絕大多數(shù)消費(fèi)類電子市場對于結(jié)構(gòu)的需求。

1.3 支持并行多通道光路集成技術(shù)

COB工藝不僅可以支持小體積、小尺寸的光器件以及光模塊的設(shè)計(jì)，還能很好地支持并行多通道光路集成技術(shù)。由于直接處理裸芯片，在光芯片晶元切割時(shí)，可以定制4路、8路或12路并行陣列，光學(xué)器件也可以定制設(shè)計(jì)成4路、8路或者12路光通道與之對應(yīng)。4路、8路以及12路為常見的陣列數(shù)組合，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的接口類型為：QSFP、MiniSAS、CXP等。另外，多模光纖陣列一般也以12路為常見通道數(shù)，光纖插件如多光纖推進(jìn)（MPO）光纖連接器等也均以12路通道數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。近年來，還出現(xiàn)了24路的MPO，一般應(yīng)用于一些特殊場合或者光波導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。并行多通道光路集成技術(shù)在COB工藝中得到很好的實(shí)現(xiàn)，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)TOSA、ROSA無法做到的。

消費(fèi)類電子同樣對并行光通道處理有著非常強(qiáng)烈的需求，例如HDMI、DisplayPort、DVI都是4個(gè)單向通道，USB Type C是雙向雙通道，而VR、分體式電視等特殊的應(yīng)用一般都需要數(shù)據(jù)傳輸和視頻傳輸并行，一般要求6通道或以上。

并行多通道光路在光模塊端極大簡化了模組電處理上的設(shè)計(jì)，并解決了高速電信號在傳輸中無法逾越的問題，如電磁干擾（EMI）、傳輸長度、線纜外徑過粗、體積過大等，為新型的應(yīng)用提供了簡單、可行、可靠且低成本的光互連解決方案。

2 新型消費(fèi)類電子光互連應(yīng)用

2.1 HDMI AOC

2018年是HDMI AOC市場迅速崛起的一年。圖2為HDMI AOC的原理示意圖，其中有4對高速信號差分對，分別對應(yīng)視頻信號中紅、綠、藍(lán)三色（RGB）以及一組時(shí)鐘信號對。光互連將這4對高速信號對在線纜兩端進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，換成光信號傳輸，從而實(shí)現(xiàn)以前銅線技術(shù)無法滿足的超長距離傳輸。除了這4對高速信號差分外，其他信號依舊按原來銅線傳輸。（注：也有部分技術(shù)方案將所有信號轉(zhuǎn)成光纖，然而目前由于其兼容性以及模組的成本價(jià)格原因，還沒有形成大規(guī)模量產(chǎn)。這里介紹的是已經(jīng)量產(chǎn)的混合纜HDMI AOC。）

HDMI AOC分HDMI 1.4、2.0以及2.1版本，對應(yīng)的傳輸速率分別為3.4 Gbit/s、6 Gbit/s以及12 Gbit/s每通道，分別能傳輸4 K 30 Hz、4 K 60 Hz以及8 K 30 Hz的高清視頻分辨率。其接口類型又分為HDMI Type A和Type D 2種接口。

HDMI AOC主要應(yīng)用場景有大型會議室、電教室、家庭影院、戶外拍攝、視頻監(jiān)測控制、工程布線等有需要用到長距離、高清視頻傳輸?shù)牡胤健?/p>

2.2 USB AOC

USB是電腦端最常見的接口，USB 3.0 AOC的原理示意如圖3所示。USB 3.0 AOC有一對雙向的高速信號差分對，以傳輸U(kuò)SB 3.0高速數(shù)據(jù)信號。光互連將這對雙向高速信號在線纜兩端進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，換成光信號傳輸，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。

USB的接口類型比較多，如Standard A、Micro B、Mini、Type C等，按協(xié)議和速率又分為USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1等。USB AOC的典型應(yīng)用場景有工業(yè)攝像頭、PC機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，以及各種大型會議數(shù)據(jù)布線等。

2.3 分體式電視AOC

2018年，三星首創(chuàng)了在其分體式電視采用光互連方案傳輸，并在當(dāng)年銷售了上百萬臺該分體式電視，開啟了光互連在消費(fèi)類電子市場尤其是電視市場的量產(chǎn)應(yīng)用先河。2019年，創(chuàng)維的分體式Q80[3]，應(yīng)用了中國廠商的光模組方案，首次在中國發(fā)布并銷售。

分體式電視的功能示意如圖4。分體式電視的主要特點(diǎn)是顯示功能和多媒體控制功能的分離，讓顯示屏僅做顯示的作用，因此顯示部分的設(shè)計(jì)可以做得超薄、超高清以及大尺寸?？刂撇糠忠?yàn)榕c顯示部分分離，因此具有可升級、更換的特點(diǎn)，并且多媒體對外接口齊全，還能做成物聯(lián)網(wǎng)加人工智能（AIoT）的生態(tài)中心控制接入點(diǎn)。

關(guān)于分體式電視的設(shè)計(jì)和概念，2018年以來已經(jīng)成為全球電視技術(shù)的討論熱點(diǎn)，從智能家居以及顯示屏本質(zhì)特性來看，分體式電視將會是未來物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及家庭娛樂的一個(gè)綜合處理中心和解決方案。在這樣一個(gè)具體的產(chǎn)品形態(tài)中，光互連是其中一個(gè)必不可少的設(shè)計(jì)部分。由于顯示屏的超薄特性，高清視頻信號的傳輸需要一個(gè)既高速又纖細(xì)的數(shù)據(jù)線，因此光纖是唯一的選擇。整個(gè)屏幕僅靠一條傳輸線驅(qū)動，因此這是一條混合型AOC，里面還包括給屏幕的供電電源線以及雙向的低速數(shù)據(jù)控制信號等。超高清視頻信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，從主機(jī)盒傳送到屏幕。雙向的低頻數(shù)據(jù)控制信號接通屏幕和主機(jī)盒的通信。高壓以及大電流的電源信號從主機(jī)盒通過這條混合AOC供給電視。

3 光互連技術(shù)的發(fā)展路線與消費(fèi)類電子市場光互連發(fā)展的契合

光互連的技術(shù)發(fā)展路線[4]具體如圖5所示，經(jīng)歷了從電信網(wǎng)“Telecom”的幾千米到幾十千米再到幾百千米的傳輸，到數(shù)據(jù)網(wǎng)“Datacom”的幾百米到100米以內(nèi)的傳輸，再到計(jì)算網(wǎng)“Computer-com”小于1米甚至幾毫米之間的傳輸。電信網(wǎng)是設(shè)備與設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)網(wǎng)是板邊（Card Edge）服務(wù)器與服務(wù)器或交換機(jī)之間的傳輸，而計(jì)算網(wǎng)則是板內(nèi)、芯片與芯片之間甚至是芯片與芯片內(nèi)部之間的光傳輸。

電信網(wǎng)的客戶是運(yùn)營商，如電信、移動、聯(lián)通;數(shù)據(jù)網(wǎng)的客戶是各大數(shù)據(jù)中心，如騰訊云、阿里云、百度云等;電信網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)即本文中提到的傳統(tǒng)光通信模塊的應(yīng)用場景，其較常見的接口類型如SFP、QSFP、CXP、MiniSAS等，遵循的協(xié)議有以太網(wǎng)、Infiniband等。

到了計(jì)算網(wǎng)，將出現(xiàn)大量短距離的光互連，如板載光引擎（On-board Optics）技術(shù)，該技術(shù)是近幾年光互連的一個(gè)研究熱點(diǎn)。以太網(wǎng)協(xié)會IEEE[5]在2016年首次將“光模塊小型化”“光集成化”等構(gòu)想寫入以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展路線圖中，并提出“光電轉(zhuǎn)換嵌入進(jìn)系統(tǒng)”的概念和市場發(fā)展方向。未來的硅光通信，則有望實(shí)現(xiàn)更短距離間的光護(hù)欄，如芯片與芯片間，甚至芯片內(nèi)部通信。硅光通信，是指用硅材料做的發(fā)射器（激光）、接收器（光電探測器）、調(diào)制解調(diào)器（如果是間接調(diào)制的話）以及波導(dǎo)（硅波導(dǎo)一體成型）。

從技術(shù)的角度看，消費(fèi)類電子市場的光互連應(yīng)用屬于計(jì)算網(wǎng)光互連應(yīng)用的一種：不同于傳統(tǒng)電信網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)市場，它對光互連的需求并不僅僅滿足于板邊互聯(lián)（如分體式電視、醫(yī)療等應(yīng)用），而是已開始將光模塊做進(jìn)板內(nèi);消費(fèi)類市場對光互連低生產(chǎn)成本、小體積以及并行多路光通道的技術(shù)要求，促使光互連朝著計(jì)算網(wǎng)光模塊的性能標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)展。

從市場的角度看，隨著4 K/8 K高清視頻概念的興起，2019年全球HDMI接口產(chǎn)品的總出貨量預(yù)期將近10億臺[6];2019年全球USB 各種型號下，僅僅Type-C型號的設(shè)備出貨量預(yù)測超20億臺[7];2018年全球電視的銷售量大約2.25億臺[8]，以上僅是消費(fèi)類電子市場的代表領(lǐng)域。在“光進(jìn)銅退”的政策下，人們對數(shù)據(jù)傳輸量需求也越來越大、越來越快，可以預(yù)見消費(fèi)類電子市場的光互連應(yīng)用的增長是一個(gè)必然的市場趨勢。在未來的光通信領(lǐng)域中，消費(fèi)類電子市場將占據(jù)越來越重要的地位，由于其所涵蓋的領(lǐng)域和應(yīng)用足夠多，其市場份額必然會遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光通信市場。

因此，無論從技術(shù)上還是市場發(fā)展角度看，大量的新型光電產(chǎn)品會出現(xiàn)在消費(fèi)類電子市場，這是光互連發(fā)展的必然趨勢。

4 結(jié)束語

從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌瓤?，從古至今人類廣泛應(yīng)用的傳輸介質(zhì)只有3種：銅、光和無線，并且它們都是以電磁波的形式來傳輸信息。2019年已經(jīng)開始進(jìn)入5G網(wǎng)絡(luò)、4 K/8 K超高清視頻以及數(shù)據(jù)量劇增的時(shí)代，傳輸介質(zhì)的需求也會日益增長?？梢灶A(yù)見，光互連市場將會很快迎來巨大的增長，而且由于新技術(shù)新方案的引入，光互連將在越來越多的市場和領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。提到光通信，人們將不僅只想到在其數(shù)據(jù)中心、運(yùn)營商里應(yīng)用到的光模塊，也會開始想到家里的電視、手機(jī)、汽車、投影儀、電教室、會議室等日常接觸的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中都用上了光通信。相信這樣的未來很快就會到來！