在生成式人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)飛速迭代的今天，數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)吞吐量正以指數(shù)級(jí)速度攀升。共封裝光學(xué)（CPO）技術(shù)通過(guò)將電集成電路（EIC）與光子集成電路（PIC）集成于同一封裝內(nèi)，相比傳統(tǒng)可插拔光模塊實(shí)現(xiàn)了傳輸速率與能耗表現(xiàn)的雙重突破，成為支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心技術(shù)支柱。廣西科毅光通信科技有限公司（官網(wǎng)：www.www.wagerqb.com）作為深耕光通信領(lǐng)域的專業(yè)光開(kāi)關(guān)供應(yīng)商，始終以技術(shù)前沿視角洞察行業(yè)變革，本文將從技術(shù)原理、應(yīng)用場(chǎng)景及落地價(jià)值三個(gè)維度，系統(tǒng)解讀 CPO 與光 IO 領(lǐng)域的兩種革命性光口耦合方案，為行業(yè)提供兼具深度與實(shí)踐價(jià)值的技術(shù)參考。

一、CPO 技術(shù)演進(jìn)與光連接核心挑戰(zhàn)

在數(shù)據(jù)中心算力密度持續(xù)提升的背景下，CPO 技術(shù)憑借近芯片級(jí)的信號(hào)傳輸優(yōu)勢(shì)，正在重構(gòu)高速互聯(lián)的技術(shù)格局。其核心突破在于打破了傳統(tǒng)光模塊與芯片間的物理壁壘，但實(shí)現(xiàn)這一突破的關(guān)鍵在于解決兩大核心問(wèn)題：電連接的穩(wěn)定性與光耦合的精準(zhǔn)性。

當(dāng)前電氣連接已普遍采用倒裝鍵合技術(shù)，無(wú)論是直接鍵合還是中介層轉(zhuǎn)接，主流設(shè)備的定位精度均可控制在 ±3μm 以內(nèi)，這種精度足以滿足電信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性需求。但光連接面臨的挑戰(zhàn)截然不同：光通道數(shù)量受限于光纖密度與接口尺寸，必須通過(guò)光扇出技術(shù)提升海濱密度；更關(guān)鍵的是，多通道批量生產(chǎn)中的耦合損耗問(wèn)題 —— 傳統(tǒng) SSC 波導(dǎo)連接要求 0.1μm 級(jí)的對(duì)準(zhǔn)精度，微小的位置偏差就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減急劇增加，而疏逝波耦合雖能放寬尺寸要求，卻面臨集成密度不足的困境。

二、Sumitomo 基于 VCBEL 的 CPO 創(chuàng)新方案

針對(duì) CPO 技術(shù)的光連接痛點(diǎn)，業(yè)界涌現(xiàn)出多種創(chuàng)新解決方案，其中 Sumitomo 提出的垂直耦合擴(kuò)束透鏡（VCBEL）方案憑借獨(dú)特的技術(shù)設(shè)計(jì)脫穎而出。該方案的核心創(chuàng)新在于采用玻璃基板作為光電集成載體，通過(guò)材料特性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的雙重優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)與光信號(hào)的高效協(xié)同傳輸。

（一）玻璃基板的集成優(yōu)勢(shì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玻璃基板之所以成為理想載體，源于其三大核心特性：近乎零翹曲的物理穩(wěn)定性、與硅材料匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE），以及可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣與光學(xué)布線的多功能性。通過(guò)離子交換或激光寫入技術(shù)，可在玻璃內(nèi)部形成低損耗光波導(dǎo)，為光信號(hào)傳輸構(gòu)建優(yōu)質(zhì)通道。

如圖 1

如圖 1 所示，PIC 芯片與 ASIC 處理器通過(guò)玻璃基板上的低損耗電線實(shí)現(xiàn)近距離互聯(lián)，光信號(hào)經(jīng)波導(dǎo)扇出后與外部光纖陣列精準(zhǔn)對(duì)接。這種布局不僅降低了信號(hào)傳輸損耗，更通過(guò)緊湊設(shè)計(jì)提升了空間利用率。

圖 2

從橫截面結(jié)構(gòu)（圖 2）可見(jiàn)，堆疊式玻璃芯基板通過(guò)玻璃通孔（TGV）實(shí)現(xiàn)多層布線，配合 VCBEL 組件構(gòu)建三維光傳輸網(wǎng)絡(luò)，可靈活支持波導(dǎo)交叉、空間路由及多芯光纖連接，完美適配高密度集成需求。

（二）VCBEL 透鏡的突破性設(shè)計(jì)

垂直耦合擴(kuò)束透鏡（VCBEL）是該方案的技術(shù)核心，由自由曲面透鏡與非球面反射鏡組成。反射鏡將水平傳輸?shù)墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)向垂直方向，通過(guò)特殊曲率設(shè)計(jì)將光束直徑從 PIC 的 3μm 模場(chǎng)直徑（MFD）擴(kuò)束至光纖陣列的 9μm MFD，大幅降低了對(duì)準(zhǔn)精度要求。

圖 3

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示（圖 3），VCBEL 在 1260-1360nm 波段保持穩(wěn)定耦合效率，波長(zhǎng)依賴性極低，這種寬譜特性使其可適配波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)，進(jìn)一步提升傳輸帶寬。

（三）光開(kāi)關(guān)原型的技術(shù)驗(yàn)證與量產(chǎn)潛力

Sumitomo 基于該方案開(kāi)發(fā)的光開(kāi)關(guān)原型，采用馬赫 - 曾德?tīng)柛缮鎯x（MZIs）構(gòu)建核心光路，通過(guò)飛秒激光在玻璃基板上寫入光波導(dǎo)，利用激光輔助蝕刻工藝制備溝槽結(jié)構(gòu)，最終通過(guò)雙光子聚合 3D 打印技術(shù)制造 VCBEL 組件。

圖 4

組裝過(guò)程中，PIC 芯片通過(guò)熱壓縮倒裝鍵合技術(shù)固定于玻璃基板，光纖陣列雙側(cè)對(duì)接后，通過(guò)柔性扁平電纜（FFC）與控制板連接完成測(cè)試（圖 4）。實(shí)際測(cè)試顯示，該原型在位置偏差 ±3μm 時(shí)額外損耗小于 0.1dB，通道串?dāng)_控制在 40dB 以下，充分驗(yàn)證了技術(shù)可行性。

圖 5

值得注意的是，透鏡曲面經(jīng)特殊處理實(shí)現(xiàn)光滑表面，配合耐高溫樹(shù)脂透鏡（300℃不變形），確保了長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。針對(duì)玻璃溝槽粗糙度問(wèn)題，通過(guò)樹(shù)脂填充工藝將額外損耗控制在 0.3dB 以內(nèi)，為量產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

圖 6

圖 7

在 1310nm 波長(zhǎng)處，VCBEL 耦合損耗低至 -1.6dB（圖 7），1dB 容差范圍達(dá) ±11μm（圖 8），這種高性能表現(xiàn)使其成為大規(guī)模集成的理想選擇。廣西科毅光通信在光開(kāi)關(guān)研發(fā)中，正積極探索玻璃基板技術(shù)在產(chǎn)品中的應(yīng)用，致力于提升光開(kāi)關(guān)的響應(yīng)速度與穩(wěn)定性。

圖 8

圖 9

三、AIST 基于微轉(zhuǎn)鏡耦合的高密度光 IO 方案

隨著 UCIe 等高級(jí)芯片接口規(guī)范的普及，芯片邊緣帶寬需求激增，傳統(tǒng)電互連已難以滿足 1TB/s/mm 級(jí)的傳輸需求。AIST 研發(fā)的有源光封裝（AOP）方案，通過(guò)微轉(zhuǎn)鏡耦合技術(shù)與聚合物波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了高密度光重分布層（ORDL），為突破帶寬瓶頸提供了創(chuàng)新路徑。

（一）AOP 襯底的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

AOP 方案的核心在于將光子集成電路（PICs）嵌入封裝襯底，構(gòu)建集光電轉(zhuǎn)換、光重分布與可拆卸連接于一體的完整光子系統(tǒng)。這種架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)芯粒（xPU、存儲(chǔ)器等）與 PIC 的高密度互聯(lián)，其 uBump 連接技術(shù)與 UCIe 高級(jí)封裝標(biāo)準(zhǔn)兼容，為異構(gòu)集成提供靈活接口。

如圖 10

如圖 10 所示，PIC 采用硅光微環(huán)諧振腔實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，通過(guò)類 EMIB 結(jié)構(gòu)與芯粒形成高速電接口。這種設(shè)計(jì)不僅消除了傳統(tǒng) SerDes 帶來(lái)的帶寬限制，更通過(guò)堆疊集成大幅提升了空間效率。

（二）波分復(fù)用與邊緣帶寬優(yōu)化

UCIe 規(guī)范下邊緣帶寬達(dá) 1317Gb/s/mm，若采用 32Gbps 鏈路速率，每毫米需 330 個(gè)通道，這遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光接口的物理極限。解決方案是引入波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，通過(guò)多波長(zhǎng)并行傳輸降低通道密度需求。

圖 11

計(jì)算表明（圖 11），采用 32 波 WDM 技術(shù)并將聚合物波導(dǎo)間距控制在 100μm 以內(nèi)，可將通道密度降至每毫米 10 個(gè)左右，在滿足帶寬需求的同時(shí)降低制造難度。

（三）曲面微鏡與高密度波導(dǎo)技術(shù)突破

AOP 光 IO 接口的核心是集成曲面微鏡組件，通過(guò)上下反射鏡配合實(shí)現(xiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)向與聚焦。優(yōu)化后的微鏡結(jié)構(gòu)將光束直徑控制在 10μm 左右，單個(gè)反射鏡總寬度僅 40μm，可實(shí)現(xiàn) 100μm 間距的陣列布局，進(jìn)一步優(yōu)化后間距可達(dá) 20-30μm。

圖 12

圖 13

實(shí)際制備的 50μm 間距微鏡陣列（圖 13）顯示出優(yōu)異的制造精度，為高密度集成提供了硬件基礎(chǔ)。在波導(dǎo)技術(shù)方面，采用激光直接光刻工藝制備的聚合物波導(dǎo)，成功實(shí)現(xiàn) 250μm、62.5μm 及 30μm 多種間距陣列。

圖 14

圖 15

聚合物波導(dǎo)陣列顯微圖 - 250μm 與 62.5μm 間距

圖 16

圖 17

串?dāng)_測(cè)試結(jié)果顯示（圖 17），30μm 間距波導(dǎo)的最大串?dāng)_為 -31.9dB，62.5μm 間距降至 -44.8dB，250μm 間距可達(dá) -52.0dB，通過(guò)優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步降低雜散光影響。

圖 18

廣西科毅光通信在光開(kāi)關(guān)產(chǎn)品研發(fā)中，正積極借鑒高密度波導(dǎo)與微鏡耦合技術(shù)，探索更高端口密度、更低插入損耗的新型光開(kāi)關(guān)解決方案，以滿足數(shù)據(jù)中心日益增長(zhǎng)的互聯(lián)需求。

四、技術(shù)對(duì)比與行業(yè)應(yīng)用展望

兩種方案從不同路徑解決了高密度光互聯(lián)的核心難題：Sumitomo 的 VCBEL 方案通過(guò)玻璃基板與擴(kuò)束透鏡組合，在保證耦合效率的同時(shí)大幅降低對(duì)準(zhǔn)精度要求，特別適合大規(guī)模集成場(chǎng)景；AIST 的微鏡耦合方案則聚焦芯片級(jí)邊緣帶寬突破，通過(guò) WDM 與高密度波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)超 1TB/s/mm 的傳輸能力，更適配小芯片異構(gòu)集成需求。

光交換模塊光路切換功率對(duì)比 - 科毅光通信測(cè)試數(shù)據(jù)

從產(chǎn)業(yè)化角度看，玻璃基板方案需突破大面積 3D 打印效率瓶頸，可通過(guò)晶圓級(jí)灰度光刻或納米壓印技術(shù)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；微鏡耦合方案則需優(yōu)化聚合物波導(dǎo)的長(zhǎng)期可靠性，提升環(huán)境適應(yīng)性。這兩種技術(shù)均為 CPO 與光 IO 的落地提供了可行路徑，推動(dòng)光通信從 “可插拔模塊時(shí)代” 邁向 “共封裝時(shí)代”。

作為專業(yè)光開(kāi)關(guān)供應(yīng)商，科毅光通信始終緊跟技術(shù)前沿，將先進(jìn)封裝理念融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)。無(wú)論是基于玻璃基板的高穩(wěn)定性光開(kāi)關(guān)，還是適配高密度互聯(lián)的微型光開(kāi)關(guān)，均致力于為客戶提供低損耗、高可靠的光傳輸解決方案。未來(lái)，公司將持續(xù)深化與科研機(jī)構(gòu)的技術(shù)合作，推動(dòng)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，為光通信行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

結(jié)語(yǔ)

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)加速滲透的今天，CPO 與光 IO 技術(shù)正成為數(shù)據(jù)中心升級(jí)的核心驅(qū)動(dòng)力。兩種創(chuàng)新耦合方案的突破，不僅解決了高密度互聯(lián)的技術(shù)瓶頸，更重塑了光通信的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。廣西科毅光通信將以技術(shù)創(chuàng)新為引擎，以品質(zhì)服務(wù)為保障，持續(xù)為全球客戶提供領(lǐng)先的光開(kāi)關(guān)產(chǎn)品與解決方案，共同構(gòu)建高速、高效、綠色的下一代光通信網(wǎng)絡(luò)。

選擇合適的光開(kāi)關(guān)是一項(xiàng)需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實(shí)力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細(xì)對(duì)比關(guān)鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴。

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