随着高性能数据中心与计算系统的爆发式增长，系统内部互连技术已成为制约性能提升的“卡脖子”瓶颈。传统的前面板可插拔光模块在带宽密度、功耗效率及封装灵活性方面，已难以满足日益严格的需求。在此背景下，共封装光学（CPO）技术应运而生——通过将光模块直接集成于封装内部，显著缩短高速电互连路径，从而降低信号插入损耗，提升带宽密度与封装效率，成为下一代计算平台的关键技术路径之一。
在ECTC 2026大会上，京瓷公司展示了一款集成硅光子学与聚合物波导的高效宽温域光耦合结构CPO模块。通过对硅光器件封装构型及光耦合关键参数进行系统优化，该模块在0~70℃的全温域内，成功实现了单通道32Gb/s（对应PCIe 5.0速率）的无误码传输。这一成果为下一代高性能计算与数据中心应用提供了一条可行的CPO技术路线。
一、硅光器件封装构型：面朝下方案胜出
在CPO结构中，硅光器件需紧邻高功耗芯片，因此热管理与高频电互连性能成为设计的首要挑战。京瓷团队对比了两种封装构型：面朝上与面朝下。两者均集成了光输入输出波导及用于冷却LD、EIC的金属块，区别在于电互连方式——面朝上采用引线键合，面朝下则使用球栅阵列（BGA）。
1. 散热性能对比
团队利用片上温度监测功能直接测量EIC温度，同时依据LD发射波长与温度的依赖关系估算LD温度。在自然风冷环境下，结果对比鲜明：相较于面朝上构型，面朝下构型的EIC温度降低了5.5℃，LD温度更是大幅下降了15.3℃。
究其原因，散热路径的差异是主要因素。面朝上构型中，光纤阵列压于LD上方，阻碍热量散发；而面朝下构型则可通过高导热硅衬底与金属块高效导出热量。尽管面朝上构型的EIC能够通过热界面材料（TIM）经金属块散热，但LD产生的额外热量仍使其整体温度居高不下。
高效冷却LD至关重要：从小处看，有助于抑制热激活退化机制，显著延长器件寿命；从大处着眼，能够降低LD阈值电流、提升斜率效率，进而增强CPO模块的可靠性，同时减少驱动电流与整体功耗。这项优势在多方面都极具价值。
2. 高频性能对比
通过测量32Gb/s NRZ电信号经电光转换后的光输出眼图，结果同样清晰：面朝下构型的信噪比（SNR）提升了90%，时序峰峰值抖动降低了20%。
性能差异的核心原因仍在于电互连方式。面朝上构型采用的细长引线键合，会引入显著的寄生电感与阻抗不连续性，严重损害高频信号完整性；而面朝下构型采用的BGA互连则有效规避了这些问题，提供了更宽裕的链路裕量。
综合考量后，京瓷团队最终选定面朝下硅光器件作为CPO模块的核心方案。
二、光耦合结构的系统级优化
确定面朝下构型后，光接口方案的选择成为下一步重点。有两种备选方案：41°抛光端面的多模光纤阵列，或聚合物波导。京瓷团队选择了后者，原因在于更低的BGA高度可实现更紧凑的光接口，且聚合物波导的节距转换功能有助于减少连接器与光纤阵列的数量。
然而，实现硅光器件与聚合物波导间的高效光耦合才是核心难题。本研究采用的硅光器件集成了成本低廉、输出功率较高的法布里-珀罗（FP）激光器，但其发射波长随温度变化，进而导致硅光芯片上光栅耦合器的输出角度发生偏移。为应对这一角度变化，团队在硅光器件上制备了一种名为“光pin针”的垂直聚合物波导结构，将传播模式从单模切换为多模——这是整个设计中的关键一步。
在安装硅光器件的中介层基板上，集成了用于光路转向的反射镜，并通过光刻工艺制备了聚合物波导。为确保在0~70℃环境温度下稳定工作，团队对硅光器件侧与中介层基板侧的光输入输出结构进行了全面优化，核心目标在于扩大光耦合界面的对准容差。
1. 反射镜几何参数优化
光pin针出射的光束存在发散现象，要将其高效耦合进聚合物波导芯层，需采用曲面反射镜。团队通过光线追迹仿真，优化了曲率半径与反射镜角度。仿真结果表明，当曲率半径为0.8mm、反射镜角度为41°时，耦合损耗降至最低。
基于仿真结果制备了优化后的曲面反射镜，并与相同角度的平面反射镜进行了对比测试。实验数据与仿真值高度吻合，曲面反射镜相比平面反射镜，耦合损耗降低了1.58dB——这一优化效果颇为显著。
2. 波导包层与芯层结构优化
团队还对比了两种不同制备工艺形成的聚合物波导截面结构：垂直侧壁芯层结构与环绕式芯层结构。前者下包层与芯层侧壁均为垂直，上包层延伸至反射镜表面；后者下包层为垂直侧壁，但芯层与上包层均延伸至反射镜上方。
光线追迹仿真显示，两种结构的最小耦合损耗相近，但环绕式芯层结构拥有更宽的对准容差。原因在于其芯层有效入射孔径更大——当硅光器件与反射镜发生横向偏移时，入射光线更易进入芯层。因此，团队最终确定了环绕式芯层结构。
3. FDTD仿真验证
为进行更精细的分析，团队采用了FDTD方法进行仿真。与之前以硅光器件出射光作为光源不同，本次FDTD模型直接以光pin针上游的光栅耦合器出射光为光源，完整包含了光pin针内部的传播过程。
仿真设置了0℃、20℃、80℃三个环境温度对应的光源。结果令人满意：尽管光栅耦合器的发射角度随温度变化，但在所有考虑的发射角度下，光线均能被反射镜成功反射并导入波导。其中0℃时插入损耗最大，为2.04dB，但仍保持了足够的耦合效率；20℃与80℃时，插入损耗分别为1.23dB与1.25dB。
三、宽温域对准容差实验验证
采用优化后的光耦合结构，团队在宽温度范围内对对准容差进行了实验评估。测试系统中，硅光器件置于珀尔帖平台上，通过电探针驱动片上LD，使光从光针出射；反射镜与1cm长的聚合物波导制备于PCB上，倒置安装在自动XYZ平台上；波导另一端连接光连接器，输出光通过多模光纤导入光功率计。
测试设置了-40℃、25℃、70℃、105℃四个环境温度。在每个温度下，沿X与Y方向扫描波导基板，记录光强分布。结果显示，由于光栅耦合器发射角度随温度变化，容差图的中心位置向Y轴正方向偏移——但在所有测试温度下，均获得了宽矩形的容差区域。额外损耗低于1dB的区域，在两个横向方向上均为±5μm。这充分表明，该结构在宽温度范围内具备显著的位置偏移容限。
四、集成CPO模块性能测试
基于上述优化设计，京瓷团队开发了一款符合OIF 2023年4月发布的3.2Tb/s CPO模块实施协议的CPO模块。该模块在有机基板上安装了两个硅光器件，共计16个光通道（8通道×2器件），通过聚合物波导布线至基板边缘，连接至一个16芯光纤连接器。每个硅光器件包含4个通道，模块总容量达到8通道×32Gb/s=256Gb/s。
团队在0℃、25℃、50℃、70℃四个环境温度下，评估了模块的传输性能。将32Gb/s电信号施加至模块发射端，经电光转换后，所有测试温度下的光眼图均呈现清晰的张开。
进一步测试中，发射端光信号通过1.5m OM3多模光纤环回至同一模块的接收端，转换为电信号后输入误码仪。误码率（BER）浴盆曲线显示，所有温度下均实现了无误码操作。在50℃环境温度下，误码率判据BER=10⁻¹²时的裕量为0.305UI，表明系统具有充足的裕量。裕量按高温、室温、低温的顺序递减，这与先前分析中低温下插入损耗增加的趋势相一致。
五、结论
本研究成功开发了一款集成硅光器件与聚合物波导的高效宽温域光耦合结构。通过对比面朝上与面朝下两种硅光器件封装构型，证实了面朝下构型在散热与高频性能方面的显著优势——它能够降低LD工作温度、提升器件可靠性、减少功耗，并通过提高信噪比来扩大链路裕量。
通过系统设计反射镜几何参数与聚合物波导截面结构等关键要素，光耦合结构得到了全面优化，在宽温度范围内实现了高耦合效率与稳健的位置偏移容限。集成后的CPO模块，在0~70℃温度范围内实现了32Gb/s信号的无误码传输，并具备足够的接收灵敏度，实际应用性能得到了充分验证。这些成果为下一代高性能计算系统的CPO模块实现提供了坚实的技术支撑。
