京瓷硅光CPO宽温域光耦合：全温域32Gb/s无误码传输
高性能计算和数据中心集群的快速扩张，使系统内部互连技术成为制约算力升级的关键瓶颈。传统前面板可插拔光模块在带宽密度、能效比和封装灵活性上逐渐暴露出局限。共封装光学（CPO）技术将光模块直接集成至封装内部，显著缩短高速电互连路径，降低信号插入损耗，同时提升带宽密度与封装效率，成为下一代计算平台的核心技术路径之一。
ECTC 2026上，京瓷展示了集成硅光子学与聚合物波导的高效宽温域光耦合CPO模块。通过对硅光器件封装构型与光耦合关键参数的系统优化，最终在0~70℃全温域内实现了单通道32Gb/s（等效于PCIe 5.0）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可行的CPO技术方案。
一、硅光器件封装构型：面朝下方案胜出
硅光器件在CPO结构中紧邻高功耗芯片，热管理与高频电互连性能成为设计核心挑战。京瓷团队对比了面朝上与面朝下两种封装构型。两者均集成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，面朝下采用球栅阵列（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，并通过LD发射波长与温度的关联估算LD温度。在自然风冷条件下，结果明确：相比面朝上构型，面朝下构型的EIC温度降低了5.5℃，LD温度更是下降了15.3℃。
根本差异在于散热路径。面朝上构型中，光纤阵列压在LD上方，热量难以散发；而面朝下构型通过高导热硅衬底和金属块高效传导热量。尽管面朝上构型的EIC可通过热界面材料（TIM）经金属块散热，但LD额外热量仍使整体温度偏高。
高效冷却LD的意义：一方面抑制热激活退化机制，大幅延长器件寿命；另一方面降低LD阈值电流、提升斜率效率，从而增强CPO模块可靠性，同时降低驱动电流与整体功耗。这笔投入回报显著。
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%。
性能差距的核心在于电互连方式。面朝上构型使用的细长引线键合引入显著寄生电感和阻抗不连续，高频信号完整性受损；而面朝下构型采用的BGA互连规避了这些干扰，链路裕量更充裕。
综合评估后，京瓷团队选择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
选定面朝下构型后，光接口方案需在两种选项中抉择：41°抛光端面的多模光纤阵列，或聚合物波导。京瓷团队选择后者，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可减少连接器和光纤阵列数量。
然而，实现硅光器件与聚合物波导间的低损耗光耦合才是真正挑战。本研究采用的硅光器件集成了低成本、高输出功率的法布里-珀罗（FP）激光器，但其发射波长随温度变化，进而影响硅光芯片上光栅耦合器的输出角度。为应对角度偏移，团队在硅光器件上制备了名为“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——这是整个方案的关键设计。
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，团队对硅光器件侧和中介层基板侧的光输入输出结构进行全方位优化，核心目标是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，需采用曲面反射镜实现高效耦合进聚合物波导芯层。团队通过光线追迹仿真优化曲率半径和反射镜角度。仿真结果表明，当曲率半径为0.8mm、反射镜角度为41°时，耦合损耗最低。
基于仿真结果制备优化后的曲面反射镜，并与相同角度的平面反射镜进行对比测试。实验结果与仿真值高度一致，曲面反射镜相比平面反射镜耦合损耗降低了1.58dB——优化效果十分显著。
2. 波导包层与芯层结构优化
团队还比较了两种不同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垂直，上包层延伸至反射镜表面；后者下包层为垂直侧壁，芯层和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，但环绕式芯层结构的对准容差更宽。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，团队最终选定环绕式芯层结构。
3. FDTD仿真验证
为更精细分析，团队采用FDTD方法仿真。与之前以硅光器件出射光为光源不同，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，完整包含光pin针内部传播过程。
仿真设置0℃、20℃、80℃三个环境温度对应的光源。结果理想：尽管光栅耦合器发射角度随温度变化，但在所有考虑角度下，光线均能被反射镜成功导入波导。其中0℃时插入损耗最大（2.04dB），仍保持足够耦合效率；20℃和80℃时插入损耗分别为1.23dB和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实验评估对准容差。测试系统中，硅光器件置于珀尔帖平台上，电探针驱动片上LD，使光从光针出射；反射镜和1cm长聚合物波导制备在PCB上，倒置安装于自动XYZ平台；波导另一端连接光连接器，输出光经多模光纤导入光功率计。
测试设置-40℃、25℃、70℃、105℃四个环境温度。在每个温度下沿X和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，容差图中心位置向Y轴正方向偏移——但在所有测试温度下，均获得宽矩形容差区域。额外损耗低于1dB的区域在两个横向方向上均为±5μm。这充分证明该结构在宽温度范围内具备较大的位置偏移容限。
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两个硅光器件，共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，连接一个16芯光纤连接器。每个硅光器件含4个通道，模块总容量为8通道×32Gb/s=256Gb/s。
团队在0℃、25℃、50℃、70℃四个环境温度下评估模块传输性能。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，所有温度下均实现无误码操作。在50℃环境温度下，BER=10⁻¹²时的裕量为0.305UI，说明系统裕量充足。裕量按高温、室温、低温顺序递减，与低温下插入损耗增加的趋势一致。
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，证实面朝下构型在散热和高频性能上的显著优势——降低LD工作温度、提升器件可靠性、降低功耗，并通过提升信噪比扩大链路裕量。
通过对反射镜几何参数、聚合物波导截面结构等关键参数的系统设计，光耦合结构得到全面优化，在宽温度范围内实现高耦合效率与鲁棒的位置偏移容限。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，实际应用性能得到验证。这些成果为下一代高性能计算系统的CPO模块实现奠定了坚实基础。