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在生成式人工智能與機器學習技術飛速迭代的今天，數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)吞吐量正以指數(shù)級速度攀升。共封裝光學（CPO）技術通過將電集成電路（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)濟發(fā)展的核心技術支柱。廣西科毅光通信科技有限公司（官網(wǎng)：www.www.bmortechnologies.com）作為深耕光通信領域的專業(yè)光開關供應商，始終以技術前沿視角洞察行業(yè)變革，本文將從技術原理、應用場景及落地價值三個維度，系統(tǒng)解讀 CPO 與光 IO 領域的兩種革命性光口耦合方案，為行業(yè)提供兼具深度與實踐價值的技術參考。

一、CPO 技術演進與光連接核心挑戰(zhàn)

在數(shù)據(jù)中心算力密度持續(xù)提升的背景下，CPO 技術憑借近芯片級的信號傳輸優(yōu)勢，正在重構高速互聯(lián)的技術格局。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，但實現(xiàn)這一突破的關鍵在于解決兩大核心問題：電連接的穩(wěn)定性與光耦合的精準性。

當前電氣連接已普遍采用倒裝鍵合技術，無論是直接鍵合還是中介層轉(zhuǎn)接，主流設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，必須通過光扇出技術提升海濱密度；更關鍵的是，多通道批量生產(chǎn)中的耦合損耗問題 —— 傳統(tǒng) SSC 波導連接要求 0.1μm 級的對準精度，微小的位置偏差就會導致信號衰減急劇增加，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 CPO 技術的光連接痛點，業(yè)界涌現(xiàn)出多種創(chuàng)新解決方案，其中 Sumitomo 提出的垂直耦合擴束透鏡（VCBEL）方案憑借獨特的技術設計脫穎而出。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，通過材料特性與結構設計的雙重優(yōu)化，實現(xiàn)了電信號與光信號的高效協(xié)同傳輸。

（一）玻璃基板的集成優(yōu)勢與結構設計

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），以及可同時實現(xiàn)電氣與光學布線的多功能性。通過離子交換或激光寫入技術，可在玻璃內(nèi)部形成低損耗光波導，為光信號傳輸構建優(yōu)質(zhì)通道。

如圖 1

如圖 1 所示，PIC 芯片與 ASIC 處理器通過玻璃基板上的低損耗電線實現(xiàn)近距離互聯(lián)，光信號經(jīng)波導扇出后與外部光纖陣列精準對接。這種布局不僅降低了信號傳輸損耗，更通過緊湊設計提升了空間利用率。

圖 2

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

（二）VCBEL 透鏡的突破性設計

垂直耦合擴束透鏡（VCBEL）是該方案的技術核心，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)墓庑盘栟D(zhuǎn)向垂直方向，通過特殊曲率設計將光束直徑從 PIC 的 3μm 模場直徑（MFD）擴束至光纖陣列的 9μm MFD，大幅降低了對準精度要求。

圖 3

測試數(shù)據(jù)顯示（圖 3），VCBEL 在 1260-1360nm 波段保持穩(wěn)定耦合效率，波長依賴性極低，這種寬譜特性使其可適配波分復用（WDM）系統(tǒng)，進一步提升傳輸帶寬。

（三）光開關原型的技術驗證與量產(chǎn)潛力

Sumitomo 基于該方案開發(fā)的光開關原型，采用馬赫 - 曾德爾干涉儀（MZIs）構建核心光路，通過飛秒激光在玻璃基板上寫入光波導，利用激光輔助蝕刻工藝制備溝槽結構，最終通過雙光子聚合 3D 打印技術制造 VCBEL 組件。

圖 4

組裝過程中，PIC 芯片通過熱壓縮倒裝鍵合技術固定于玻璃基板，光纖陣列雙側對接后，通過柔性扁平電纜（FFC）與控制板連接完成測試（圖 4）。實際測試顯示，該原型在位置偏差 ±3μm 時額外損耗小于 0.1dB，通道串擾控制在 40dB 以下，充分驗證了技術可行性。

圖 5

值得注意的是，透鏡曲面經(jīng)特殊處理實現(xiàn)光滑表面，配合耐高溫樹脂透鏡（300℃不變形），確保了長期工作穩(wěn)定性。針對玻璃溝槽粗糙度問題，通過樹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。

圖 6

圖 7

在 1310nm 波長處，VCBEL 耦合損耗低至 -1.6dB（圖 7），1dB 容差范圍達 ±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關研發(fā)中，正積極探索玻璃基板技術在產(chǎn)品中的應用，致力于提升光開關的響應速度與穩(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 級的傳輸需求。AIST 研發(fā)的有源光封裝（AOP）方案，通過微轉(zhuǎn)鏡耦合技術與聚合物波導網(wǎng)絡，構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)架構設計

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

如圖 10

如圖 10 所示，PIC 采用硅光微環(huán)諧振腔實現(xiàn)信號處理，通過類 EMIB 結構與芯粒形成高速電接口。這種設計不僅消除了傳統(tǒng) SerDes 帶來的帶寬限制，更通過堆疊集成大幅提升了空間效率。

（二）波分復用與邊緣帶寬優(yōu)化

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

圖 11

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

（三）曲面微鏡與高密度波導技術突破

AOP 光 IO 接口的核心是集成曲面微鏡組件，通過上下反射鏡配合實現(xiàn)光信號轉(zhuǎn)向與聚焦。優(yōu)化后的微鏡結構將光束直徑控制在 10μm 左右，單個反射鏡總寬度僅 40μm，可實現(xiàn) 100μm 間距的陣列布局，進一步優(yōu)化后間距可達 20-30μm。

圖 12

圖 13

實際制備的 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。在波導技術方面，采用激光直接光刻工藝制備的聚合物波導，成功實現(xiàn) 250μm、62.5μm 及 30μm 多種間距陣列。

圖 14

圖 15

聚合物波導陣列顯微圖 - 250μm 與 62.5μm 間距

圖 16

圖 17

串擾測試結果顯示（圖 17），30μm 間距波導的最大串擾為 -31.9dB，62.5μm 間距降至 -44.8dB，250μm 間距可達 -52.0dB，通過優(yōu)化波導結構可進一步降低雜散光影響。

圖 18

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

四、技術對比與行業(yè)應用展望

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 方案通過玻璃基板與擴束透鏡組合，在保證耦合效率的同時大幅降低對準精度要求，特別適合大規(guī)模集成場景；AIST 的微鏡耦合方案則聚焦芯片級邊緣帶寬突破，通過 WDM 與高密度波導實現(xiàn)超 1TB/s/mm 的傳輸能力，更適配小芯片異構集成需求。

光交換模塊光路切換功率對比 - 科毅光通信測試數(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，可通過晶圓級灰度光刻或納米壓印技術實現(xiàn)量產(chǎn)；微鏡耦合方案則需優(yōu)化聚合物波導的長期可靠性，提升環(huán)境適應性。這兩種技術均為 CPO 與光 IO 的落地提供了可行路徑，推動光通信從 “可插拔模塊時代” 邁向 “共封裝時代”。

作為專業(yè)光開關供應商，科毅光通信始終緊跟技術前沿，將先進封裝理念融入產(chǎn)品設計。無論是基于玻璃基板的高穩(wěn)定性光開關，還是適配高密度互聯(lián)的微型光開關，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，公司將持續(xù)深化與科研機構的技術合作，推動創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，為光通信行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展貢獻力量。

結語

在數(shù)字經(jīng)濟加速滲透的今天，CPO 與光 IO 技術正成為數(shù)據(jù)中心升級的核心驅(qū)動力。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創(chuàng)新為引擎，以品質(zhì)服務為保障，持續(xù)為全球客戶提供領先的光開關產(chǎn)品與解決方案，共同構建高速、高效、綠色的下一代光通信網(wǎng)絡。

選擇合適的光開關是一項需要綜合考量技術、性能、成本和供應商實力的工作。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，詳細對比關鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術扎實、質(zhì)量可靠、服務專業(yè)的合作伙伴。

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