新型消費類電子光互連應用

黃君彬

摘要：介紹了光互連在新型消費類電子市場，如高清多媒體接口（HDMI）、通用串行總線（USB）、DisplayPort、專業音視頻以及分體式電視領域的新應用。采用板上芯片封裝（COB）方案為基礎的新型消費類電子市場有源光纜（AOC），以其低成本生產技術、小體積、支持多路光通道集成的特點，自2018年以來迅速得到了市場的認可。進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用。認為大量的新型光電產品將會出現在消費類電子市場。

關鍵詞：消費類電子市場;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）、吉比特無源光網絡（GPON）等數據中心以及電信網用的光模塊，由于其光發射次模塊（TOSA）/光接收次組件（ROSA）（光學芯片封裝）在量產中的高生產成本、大體積，并無法滿足多路光通道傳輸需求等因素，無法達到消費類電子市場的客戶需求標準，因此一直無法在新的領域廣泛應用。

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

1 COB工藝

COB也稱為芯片直接貼裝，就是將未經封裝的裸芯片（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，然后進行引線鍵合，最后對封裝進行保護處理的工藝。

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

傳統光通信行業（特指數據中心網以及電信網中應用的光通信行業）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技術在2010年左右就已成為光通信領域的熱門話題[1]。

COB工藝用在光通信時有2點顯著不同的特點：（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展到在光通信封裝中的5 μm以內;因此，此時的COB封裝，也被稱為亞微米級（Sub-Micron）精度封裝技術。（2）由于引入了光芯片（垂直腔面發射激光器（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器件）將光信號傳遞到光纖中;因此對封裝芯片的保護不能采用電芯片封裝處理方式，同時這里的光器件同樣需要做到亞微米級的封裝（耦合）精度。

在數據中心和電信網等傳統光通信模塊市場中，COB工藝被用作AOC的方案，如SFP、QSFP、迷你串行小型計算機系統接口（MiniSAS）等接口類型的基于電氣和電子工程師協會（IEEE）以太網或者InfiniBand協議的AOC。AOC比之前的光模塊方案在成本、多通道集成以及光學信號檢測成品率上都有明顯的優勢;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，在消費類光通信市場出現一種新型的基于COB工藝的光模塊方案[2]，并且將傳統光通信市場AOC生產工藝拆分為2部分：前端模塊供應商先提供基于COB工藝的光模塊半成品，后端加工廠制作AOC成品。

這種新型技術方的案引入，大大推動了光互連應用在消費類電子市場的發展。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產品開始涌入消費類電子市場，光互連應用開始在這一全新的領域實現應用和產品量產。

1.1 低成本

消費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光通信廠商嘗試過進入該領域，然而大多因為生產工藝不成熟造成價格高昂，無法真正帶動消費類電子市場的光模塊產品應用。

一種低成本生產技術的COB工藝于2018年開始出現在消費類電子光互連市場，其主要技術特點體現在2點：適合量產的光學器件以及批量高效率的光學耦合方式。

光學器件在發射端將VCSEL中發出的光引導至多模光纖中，同時在接收端將多模光纖中的光引導至PIN中，具體見圖1。由于VCSEL的發光面以及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，光器件需要將光轉動90°。一種高效的利于量產的光學器件的方法是用Ultem塑料材料注塑一體成型，分別設計3個光學平面。以發射端為例，第一聚光面將VCSEL發出的成高斯狀能量分布的光聚合成類準直光;第二光平面為一個45°反射面，類準直的光束在45°入射時形成全反射（Ultem材料的折射率約為1.65），此時經過此第二光平面后形成類準直的平行于PCB板的光束;第三光平面為另一聚光面，類準直的平行光束經聚光面匯聚，形成入射的聚焦光束進入多模光纖的纖芯。在接收端的光路與發射端光路類似，只不過光的方向相反。新型光學器件適合量產，一方面體現在其適合注塑成型的材料大大降低了單個光學器件的成本，另一方面體現在光學參數設計的優化上。光學參數，例如2個聚光面的非球面曲率參數的優化，可以使得光器件在其本身的制作公差以及光學耦合誤差的容忍度上大大提高，從而在成本設計以及最終光靈敏度需求中間取得一個平衡點。要做到這點，光學設計師需要對光路原理有著深刻的理解并同時對生產制作有著豐富的經驗。

光學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）的方式持續地調節耦合位置，直到達到最佳值為止，其特點是必須在耦合過程中讓光芯片進入工作狀態，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，直接通過拍照對準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光學耦合方式經歷了從被動式到主動式的發展歷程。最初的AOC市場，廠商用大型的精密固晶機被動式耦合的方法，可以將精度控制在5 μm以下，滿足性能要求。然而綜合計算生產成本，由于精密固晶機的設備投入大，單個設備耦合速度并不能真正滿足量產的需求。批量提高耦合方式的效率最終需要用到主動式耦合方式。主動式耦合的設備，能夠針對COB工藝的特點進行定制化的設計，如根據COB工藝中PCB板小的特點，設計了定制化的治具，可以在20個、40個的連扳上同時操作多個耦合工位。另外，主動式耦合的設備投入小，一般不到精密固晶機的價格的十分之一，同時單個設備產能大（最好的能達到被動式耦合設備的5倍以上），因此大大降低了生產成本。

1.2 小體積

相對于數據中心、電信網市場而言，消費類電子市場中的產品種類數和功能極大地增加了。目前，傳統數據中心、電信網市場對于光模塊的接口大多集中于少數的幾個類型標準，如SFP、QSFP、MiniSAS、CXP等。而消費類電子的接口數量遠遠超過了數據中心中的接口數，其中標準接口有視頻類的HDMI Type A、HDMI Type D、數字視頻接口（DVI）、DisplayPort、Mini DP、USB Type C、Mipi等，數據類的接口有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、微軟的虛擬現實（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品、不同功能中的應用中推廣。

由于COB工藝是將未經封裝的裸芯片（包括光芯片以及電芯片）直接組合粘貼到PCB電路板上，相比于傳統光通信光模塊所使用的封裝好的TOSA、ROSA，裸芯片加上設計的光學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計，最小尺寸可以在1 mm以下。考慮到耦合治具以及連接光纖的結構件設計，長寬均可以做到5 mm以內。由此可見，基于COB工藝的光模塊體積可以適配絕大多數消費類電子市場對于結構的需求。

1.3 支持并行多通道光路集成技術

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計，還能很好地支持并行多通道光路集成技術。由于直接處理裸芯片，在光芯片晶元切割時，可以定制4路、8路或12路并行陣列，光學器件也可以定制設計成4路、8路或者12路光通道與之對應。4路、8路以及12路為常見的陣列數組合，在傳統數據中心網絡中對應的接口類型為：QSFP、MiniSAS、CXP等。另外，多模光纖陣列一般也以12路為常見通道數，光纖插件如多光纖推進（MPO）光纖連接器等也均以12路通道數為標準設計。近年來，還出現了24路的MPO，一般應用于一些特殊場合或者光波導系統設計。并行多通道光路集成技術在COB工藝中得到很好的實現，這一點是傳統TOSA、ROSA無法做到的。

消費類電子同樣對并行光通道處理有著非常強烈的需求，例如HDMI、DisplayPort、DVI都是4個單向通道，USB Type C是雙向雙通道，而VR、分體式電視等特殊的應用一般都需要數據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計，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 新型消費類電子光互連應用

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，分別對應視頻信號中紅、綠、藍三色（RGB）以及一組時鐘信號對。光互連將這4對高速信號對在線纜兩端進行光電轉換，換成光信號傳輸，從而實現以前銅線技術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：也有部分技術方案將所有信號轉成光纖，然而目前由于其兼容性以及模組的成本價格原因，還沒有形成大規模量產。這里介紹的是已經量產的混合纜HDMI AOC。）

HDMI AOC分HDMI 1.4、2.0以及2.1版本，對應的傳輸速率分別為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主要應用場景有大型會議室、電教室、家庭影院、戶外拍攝、視頻監測控制、工程布線等有需要用到長距離、高清視頻傳輸的地方。

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USB 3.0高速數據信號。光互連將這對雙向高速信號在線纜兩端進行光電轉換，換成光信號傳輸，從而實現遠距離的數據傳輸。

USB的接口類型比較多，如Standard A、Micro B、Mini、Type C等，按協議和速率又分為USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1等。USB AOC的典型應用場景有工業攝像頭、PC機數據傳輸，以及各種大型會議數據布線等。

2.3 分體式電視AOC

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

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，因此顯示部分的設計可以做得超薄、超高清以及大尺寸。控制部分因為與顯示部分分離，因此具有可升級、更換的特點，并且多媒體對外接口齊全，還能做成物聯網加人工智能（AIoT）的生態中心控制接入點。

關于分體式電視的設計和概念，2018年以來已經成為全球電視技術的討論熱點，從智能家居以及顯示屏本質特性來看，分體式電視將會是未來物聯網、人工智能以及家庭娛樂的一個綜合處理中心和解決方案。在這樣一個具體的產品形態中，光互連是其中一個必不可少的設計部分。由于顯示屏的超薄特性，高清視頻信號的傳輸需要一個既高速又纖細的數據線，因此光纖是唯一的選擇。整個屏幕僅靠一條傳輸線驅動，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據控制信號等。超高清視頻信號經過光電轉換，從主機盒傳送到屏幕。雙向的低頻數據控制信號接通屏幕和主機盒的通信。高壓以及大電流的電源信號從主機盒通過這條混合AOC供給電視。

3 光互連技術的發展路線與消費類電子市場光互連發展的契合

光互連的技術發展路線[4]具體如圖5所示，經歷了從電信網“Telecom”的幾千米到幾十千米再到幾百千米的傳輸，到數據網“Datacom”的幾百米到100米以內的傳輸，再到計算網“Computer-com”小于1米甚至幾毫米之間的傳輸。電信網是設備與設備之間數據傳輸，數據網是板邊（Card Edge）服務器與服務器或交換機之間的傳輸，而計算網則是板內、芯片與芯片之間甚至是芯片與芯片內部之間的光傳輸。

電信網的客戶是運營商，如電信、移動、聯通;數據網的客戶是各大數據中心，如騰訊云、阿里云、百度云等;電信網和數據網即本文中提到的傳統光通信模塊的應用場景，其較常見的接口類型如SFP、QSFP、CXP、MiniSAS等，遵循的協議有以太網、Infiniband等。

到了計算網，將出現大量短距離的光互連，如板載光引擎（On-board Optics）技術，該技術是近幾年光互連的一個研究熱點。以太網協會IEEE[5]在2016年首次將“光模塊小型化”“光集成化”等構想寫入以太網技術發展路線圖中，并提出“光電轉換嵌入進系統”的概念和市場發展方向。未來的硅光通信，則有望實現更短距離間的光護欄，如芯片與芯片間，甚至芯片內部通信。硅光通信，是指用硅材料做的發射器（激光）、接收器（光電探測器）、調制解調器（如果是間接調制的話）以及波導（硅波導一體成型）。

從技術的角度看，消費類電子市場的光互連應用屬于計算網光互連應用的一種：不同于傳統電信網和數據網市場，它對光互連的需求并不僅僅滿足于板邊互聯（如分體式電視、醫療等應用），而是已開始將光模塊做進板內;消費類市場對光互連低生產成本、小體積以及并行多路光通道的技術要求，促使光互連朝著計算網光模塊的性能標準要求發展。

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接口產品的總出貨量預期將近10億臺[6];2019年全球USB 各種型號下，僅僅Type-C型號的設備出貨量預測超20億臺[7];2018年全球電視的銷售量大約2.25億臺[8]，以上僅是消費類電子市場的代表領域。在“光進銅退”的政策下，人們對數據傳輸量需求也越來越大、越來越快，可以預見消費類電子市場的光互連應用的增長是一個必然的市場趨勢。在未來的光通信領域中，消費類電子市場將占據越來越重要的地位，由于其所涵蓋的領域和應用足夠多，其市場份額必然會遠超傳統光通信市場。

因此，無論從技術上還是市場發展角度看，大量的新型光電產品會出現在消費類電子市場，這是光互連發展的必然趨勢。

4 結束語

從數據傳輸的角度看，從古至今人類廣泛應用的傳輸介質只有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年已經開始進入5G網絡、4 K/8 K超高清視頻以及數據量劇增的時代，傳輸介質的需求也會日益增長。可以預見，光互連市場將會很快迎來巨大的增長，而且由于新技術新方案的引入，光互連將在越來越多的市場和領域中得到更廣泛的應用。提到光通信，人們將不僅只想到在其數據中心、運營商里應用到的光模塊，也會開始想到家里的電視、手機、汽車、投影儀、電教室、會議室等日常接觸的消費類電子產品中都用上了光通信。相信這樣的未來很快就會到來！