随着人工智能算力的指数级攀升，数据中心互连架构正迎来全面升级的压力——带宽、功耗与集成规模三大瓶颈愈发严峻。共封装光学（CPO）之所以被公认为下一代互连的核心方案，关键在于它将光学组件直接集成到电子封装内部，有效缩短电互连路径，并借助硅光子学成熟的CMOS制造工艺，实现了大规模量产。
然而，在现实落地中，一个关键瓶颈依然存在：单模光纤阵列与光子集成芯片（PIC）之间需要高可靠、低损耗的耦合。现有的边缘耦合、光栅耦合、倏逝耦合等方案各有其局限性——要么损耗偏高，要么对准容差过小，要么占用面积过大，且在带宽和偏振特性上难以兼顾。更棘手的是，规模化部署还要求封装工艺能够同时兼容可插拔光纤连接与标准电子组装流程。
目前行业普遍采用的思路是借助扩展光束自由空间耦合，利用微光学元件实现PIC与光纤阵列的光束准直，并在倒装焊电子组装后接入光纤阵列。为了实现电光端口共面的统一组装流程，基板需要同时承载细间距电布线和集成光波导。玻璃基板凭借面板级可制造性、超高表面平整度以及优异的热机械稳定性，已成为理想的集成载体——目前已在空腔内实现5μm线宽电走线的工艺验证，可在玻璃基板上布置电学IC与周边多颗PIC，通过毫米级电走线互连，并借助视觉对准的无源倒装焊完成组装，最后在工艺末端接入机械隔离的光纤阵列连接器，实现PIC、基板边缘与互连光缆的光学对接。
这套架构的核心在于：近表面离子交换（IOX）玻璃波导与空腔内薄膜电线路协同制备，PIC通过倒装焊倏逝耦合至IOX波导，同时通过微凸块与电重分布层完成电学连接。IOX波导在此承担间距转换的角色——它将光纤连接器的标准间距转换为高密度PIC接口所需的最小50μm间距。而为了真正满足CPO场景下的低损耗、近ASIC高温区热可靠性以及高通量工艺兼容性这三大硬性约束，必须为玻璃组分和波导设计进行专门优化。
面向CPO工况的专用优化玻璃研发
在CPO应用场景中，芯片工作温度接近110℃，传统离子交换玻璃中的银离子在高温下会持续扩散，导致波导折射率下降、模场扩大，最终引发耦合失效和损耗飙升——器件寿命根本达不到数据中心要求的5年。与此同时，面板级制造要求玻璃具备高液相线粘度，才能实现均匀的大尺寸晶圆与面板成型；光互连性能则要求波导折射率对比度Δn > 0.025，且传播损耗不超过0.05dB/cm，否则传播损耗将成为多芯片互连的主要瓶颈。
本次研发的新型CPO兼容玻璃可适配熔拉法玻璃面板成型工艺，已实现规模化制备，并针对CPO的严苛工况完成了组分定向优化。康宁团队对超过200种适用于离子交换的碱性玻璃体系进行了系统性研究——所有样品在325℃至425℃区间内完成不同温度下的离子交换。研究人员对测得的一维折射率剖面采用互补误差函数拟合，计算出不同温度下的离子扩散率，再外推至110℃工作温度，最终建立了银离子扩散率的回归预测模型。
筛选结果表明，只有少数玻璃组分能够满足110℃下扩散率低于2×10⁻²¹ m²/s的寿命目标，而本次研发的CPO优化玻璃正是其中之一。它的银离子扩散率约为5×10⁻²² m²/s——在110℃下运行5年后，波导芯层折射率对比度的变化小于1.5%，而普通商用玻璃在相同工况下第一个月就会性能失效。更难得的是，这款优化玻璃同时满足了面板成型所需的高液相线粘度，以及Δn > 0.025的波导性能指标，将低损耗光学性能、高热稳定性和大规模制造兼容性真正融为一体。
先进波导设计与实验验证
制备工艺与直波导损耗表征
研究采用两步法热离子交换工艺制备波导：第一步在玻璃表面定义薄膜掩模，将基底放入硝酸银与硝酸钠的混合熔盐中完成第一次离子交换；去除掩模后，再放入纯硝酸钠熔盐中完成第二次离子交换。整套工艺在直径150mm、厚度0.7mm的玻璃晶圆上完成，晶圆上集成了扇出、截断测试等多种光学电路，最后通过激光切割获得光学端面。
直波导传播损耗采用截断法测量：测试样品长度分别为1.25mm、5mm、7.5mm、10mm和12.5mm，测试波长为1310nm，波导两端使用主动单模光纤探测，并施加折射率匹配油以优化耦合。测试结果显示，每组长度下插入损耗的标准差不超过0.03dB；14根测试波导的平均传播损耗为0.041dB/cm，最优样品低至0.0397dB/cm；单端光纤耦合损耗为0.28dB，与仿真得到的IOX波导和单模光纤之间0.3dB的耦合损耗理论值高度吻合。
变折射率对比度弯曲波导创新
弯曲波导是构建复杂光路与高密度扇出结构的核心单元。传统均匀折射率对比度波导的弯曲损耗会随着弯曲半径的减小快速上升，这直接限制了器件的小型化。
本次研究的一项核心创新在于：分区折射率对比度设计。直波导区域保持低折射率对比度，以与光纤高效模式匹配并获得低耦合损耗；弯曲区域则通过加大第一步离子交换的掩模开口宽度，提升局部银离子扩散浓度，从而获得更高的折射率对比度，增强模式限制能力，大幅降低弯曲损耗。更巧妙的是，利用离子的本征扩散特性，直段与弯曲段之间会自然形成渐变过渡，实现模式匹配，从而降低过渡损耗。
研究以90°圆弧弯曲作为测试结构——器件两端为直波导，中间是不同折射率对比度的圆弧波导。通过调整掩模开口宽度来调控弯曲区的离子浓度与折射率对比度，并用二维折射近场测量验证了折射率分布的变化。1310nm波长下的测试数据显示：通过局部提升折射率对比度，10mm弯曲半径下的弯曲损耗从4dB/cm降至0.01dB/cm；在弯曲半径小于10mm的区间内，4.5μm及以上的掩模开口可显著降低弯曲损耗。
高密度扇出器件性能验证
基于上述弯曲优化技术，研究团队设计了16通道光学扇出结构，用于实现标准250μm间距光纤连接器与高密度PIC接口之间的间距转换。器件采用两组16路S形弯曲波导，分别实现两种规格的间距转换：仅用6mm长度完成250μm到127μm的转换，用8mm长度完成250μm到50μm的转换。
设计中分别采用欧拉弯曲与圆弧弯曲两种方案，配合空间变化的掩模开口图案，实现了弯曲区域的局部折射率对比度增强；直段与弯曲段的过渡依赖离子本征扩散自然形成渐变结构，并通过调整横向偏移量进一步优化插入损耗。欧拉弯曲的最小物理弯曲半径为6mm，等效弯曲半径为11.5mm；圆弧弯曲的最小弯曲半径为9.9mm。
测试结果表现优异：总长度约12.5cm的扇出器件，包含两个光纤耦合端面的总插入损耗分别为——欧拉弯结构0.62±0.01dB，圆弧弯结构0.65±0.04dB。损耗构成包括单端面小于0.3dB的耦合损耗、0.04dB/cm的传播损耗，以及约0.01dB/cm的弯曲损耗。与采用均匀折射率对比度的波导相比，优化后的扇出结构在最小弯曲半径下，最边缘的第1、16通道损耗最高降低了1.3dB，整体器件总损耗低于0.7dB。
结论
这项工作成功研发了适配共封装光学场景的新型优化玻璃，并结合分区折射率对比度的先进离子交换波导设计，实现了低损耗、高热稳定、高密度的玻璃基光互连平台。
核心性能指标清晰可见：1310nm下直波导传播损耗低至0.04dB/cm，单端面光纤耦合损耗小于0.3dB；10mm弯曲半径下弯曲损耗仅为0.01dB/cm；250μm到50μm的高密度间距转换总损耗低于0.7dB。在材料层面，优化玻璃的银离子扩散率低至约5×10⁻²² m²/s，在110℃工作温度下可保障5年以上的性能稳定性，远超传统商用玻璃。
该方案同时兼容熔拉法玻璃面板成型工艺与面板级制造流程，将优异的热机械性能和光学性能有机结合，为下一代共封装光学与高速数据中心光互连提供了一条高可靠、可规模化的集成路径。
