在生成式人工智能與機器學(xué)習技術(shù)飛速迭代的今天，數據中心的數據吞吐量正以指數級速度攀升。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，相比傳統可插拔光模塊實(shí)現了傳輸速率與能耗表現的雙重突破，成為支撐數字經(jīng)濟發(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.hellosk.com）作為深耕光通信領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)光開(kāi)關(guān)供應商，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、應用場(chǎng)景及落地價(jià)值三個(gè)維度，系統解讀 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

在數據中心算力密度持續提升的背景下，CPO 技術(shù)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(shù)格局。其核心突破在于打破了傳統光模塊與芯片間的物理壁壘，但實(shí)現這一突破的關(guān)鍵在于解決兩大核心問(wèn)題：電連接的穩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(shù)，無(wú)論是直接鍵合還是中介層轉接，主流設備的定位精度均可控制在 ±3μm 以?xún)?，這種精度足以滿(mǎn)足電信號傳輸的穩定性需求。但光連接面臨的挑戰截然不同：光通道數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 SSC 波導連接要求 0.1μm 級的對準精度，微小的位置偏差就會(huì )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(shù)的光連接痛點(diǎn)，業(yè)界涌現出多種創(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(shù)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(guò)材料特性與結構設計的雙重優(yōu)化，實(shí)現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定性、與硅材料匹配的熱膨脹系數（CTE），以及可同時(shí)實(shí)現電氣與光學(xué)布線(xiàn)的多功能性。通過(guò)離子交換或激光寫(xiě)入技術(shù)，可在玻璃內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(guò)玻璃基板上的低損耗電線(xiàn)實(shí)現近距離互聯(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(guò)緊湊設計提升了空間利用率。

圖 2

從橫截面結構（圖 2）可見(jiàn)，堆疊式玻璃芯基板通過(guò)玻璃通孔（TGV）實(shí)現多層布線(xiàn)，配合 VCBEL 組件構建三維光傳輸網(wǎng)絡(luò )，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(shù)核心，由自由曲面透鏡與非球面反射鏡組成。反射鏡將水平傳輸的光信號轉向垂直方向，通過(guò)特殊曲率設計將光束直徑從 PIC 的 3μm 模場(chǎng)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

測試數據顯示（圖 3），VCBEL 在 1260-1360nm 波段保持穩定耦合效率，波長(cháng)依賴(lài)性極低，這種寬譜特性使其可適配波分復用（WDM）系統，進(jìn)一步提升傳輸帶寬。

（三）光開(kāi)關(guān)原型的技術(shù)驗證與量產(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）構建核心光路，通過(guò)飛秒激光在玻璃基板上寫(xiě)入光波導，利用激光輔助蝕刻工藝制備溝槽結構，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，光纖陣列雙側對接后，通過(guò)柔性扁平電纜（FFC）與控制板連接完成測試（圖 4）。實(shí)際測試顯示，該原型在位置偏差 ±3μm 時(shí)額外損耗小于 0.1dB，通道串擾控制在 40dB 以下，充分驗證了技術(shù)可行性。

圖 5

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

圖 6

圖 7

在 1310nm 波長(cháng)處，VCBEL 耦合損耗低至 -1.6dB（圖 7），1dB 容差范圍達 ±11μm（圖 8），這種高性能表現使其成為大規模集成的理想選擇。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)品中的應用，致力于提升光開(kāi)關(guān)的響應速度與穩定性。

圖 8

圖 9

三、AIST 基于微轉鏡耦合的高密度光 IO 方案

隨著(zhù) UCIe 等高級芯片接口規范的普及，芯片邊緣帶寬需求激增，傳統電互連已難以滿(mǎn)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(guò)微轉鏡耦合技術(shù)與聚合物波導網(wǎng)絡(luò )，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，構建集光電轉換、光重分布與可拆卸連接于一體的完整光子系統。這種架構可實(shí)現芯粒（xPU、存儲器等）與 PIC 的高密度互聯(lián)，其 uBump 連接技術(shù)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(shí)現信號處理，通過(guò)類(lèi) EMIB 結構與芯粒形成高速電接口。這種設計不僅消除了傳統 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）波分復用與邊緣帶寬優(yōu)化

UCIe 規范下邊緣帶寬達 1317Gb/s/mm，若采用 32Gbps 鏈路速率，每毫米需 330 個(gè)通道，這遠超傳統光接口的物理極限。解決方案是引入波分復用（WDM）技術(shù)，通過(guò)多波長(cháng)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(shù)并將聚合物波導間距控制在 100μm 以?xún)?，可將通道密度降至每毫?10 個(gè)左右，在滿(mǎn)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)現光信號轉向與聚焦。優(yōu)化后的微鏡結構將光束直徑控制在 10μm 左右，單個(gè)反射鏡總寬度僅 40μm，可實(shí)現 100μm 間距的陣列布局，進(jìn)一步優(yōu)化后間距可達 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。在波導技術(shù)方面，采用激光直接光刻工藝制備的聚合物波導，成功實(shí)現 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(guò)優(yōu)化波導結構可進(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(mǎn)足數據中心日益增長(cháng)的互聯(lián)需求。

四、技術(shù)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(guò)玻璃基板與擴束透鏡組合，在保證耦合效率的同時(shí)大幅降低對準精度要求，特別適合大規模集成場(chǎng)景；AIST 的微鏡耦合方案則聚焦芯片級邊緣帶寬突破，通過(guò) WDM 與高密度波導實(shí)現超 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 - 科毅光通信測試數據

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)晶圓級灰度光刻或納米壓印技術(shù)實(shí)現量產(chǎn)；微鏡耦合方案則需優(yōu)化聚合物波導的長(cháng)期可靠性，提升環(huán)境適應性。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(zhuān)業(yè)光開(kāi)關(guān)供應商，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)品設計。無(wú)論是基于玻璃基板的高穩定性光開(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(hù)提供低損耗、高可靠的光傳輸解決方案。未來(lái)，公司將持續深化與科研機構的技術(shù)合作，推動(dòng)創(chuàng )新成果轉化，為光通信行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展貢獻力量。

結語(yǔ)

在數字經(jīng)濟加速滲透的今天，CPO 與光 IO 技術(shù)正成為數據中心升級的核心驅動(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，持續為全球客戶(hù)提供領(lǐng)先的光開(kāi)關(guān)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(luò )。

選擇合適的光開(kāi)關(guān)是一項需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應商實(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，詳細對比關(guān)鍵參數，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(zhuān)業(yè)的合作伙伴。

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