VCSEL基光子interposer芯片：高紧凑集成与高效光传输技术研究

在高速光互联与高密度集成需求日益迫切的背景下，光子中介层芯片凭借其在光信号传输与电-光组件集成中的核心作用，成为数据中心、高性能计算等领域的关键技术突破口。来自韩国ETRI、OPROCESSOR INC和Chungnam national Universit的研究团队在IPC 2025会议上发表了以VCSEL-based Photonic Interposer Chips 为题的文章，提出了一种基于VCSEL的光子中介层芯片新技术，通过创新的光耦合与波导设计，实现了光源、调制器及多路MUX/DeMUX的高紧凑共定位集成，同时达成低损耗的多波长光传输，为下一代高密度光互联系统提供了重要技术支撑。 一、VCSEL技术发展现状 VCSEL作为短距离高速光通信的核心光源，近年来在性能上取得了显著突破。直接调制多模VCSEL已实现单通道数据速率超过200Gb/s的传输能力，满足了高密度互联场景的带宽需求。在单横模VCSEL领域，技术进展同样亮眼：部分产品实现了39.4GHz的3dB直接调制带宽，在8mA驱动电流下输出功率达2.8mW，可支持50Gb/s NRZ信号的2km传输；另有产品将输出功率提升至16mW，为高功率应用场景提供可能；16通道单模VCSEL阵列更是实现了每通道70Gb/s PAM4信号的5km传输，展现出多通道高密度集成的巨大潜力。这些技术突破为光子中介层芯片的高性能设计奠定了坚实基础。 二、核心技术与组件设计 为实现VCSEL光信号的高效注入与紧凑集成，研究团队开发了四大核心组件，形成了完整的光传输链路设计。

（一）聚酰亚胺微透镜 微透镜是优化VCSEL光输出特性的关键组件，其直径设计为30μm，与25Gbps VCSEL芯片贴合后，可将VCSEL输出光转换为准直光束，显著提升后续光耦合效率。搭载该微透镜的VCSEL封装尺寸为800μm×500μm×640μm，在保证光学性能的同时，实现了紧凑化封装，为组件共定位集成创造了条件。

（二）GaP棱镜耦合器 棱镜耦合器作为VCSEL与波导之间的光接口，被分别附着于光学波导的两端，一端负责接收VCSEL注入的光信号，另一端实现波导传输光信号的输出。其设计充分考虑了光的折射与耦合效率，为光信号在不同组件间的低损耗传输提供了保障，实验中已成功观测到激光经棱镜注入波导后从另一端稳定输出的现象。 （三）光波导 光波导是光信号传输的核心通道，基于硅晶圆制备，采用CMOS兼容工艺实现，确保了与传统电芯片的集成兼容性。波导由氧化物间隔层和二维分布布拉格反射器（DBR）构成，DBR从两个维度对间隔层形成包裹，具体结构为3周期DBR、2μm厚SiO₂平滑层、4μm厚SiO₂间隔层及4周期DBR。每个DBR周期包含150nm厚的Si₃N₄层和642nm厚的SiO₂层，其中间隔层经沉积与干法刻蚀至4μm目标厚度后，通过沉积2μm厚平滑层消除壁面粗糙度，进一步降低传输损耗。波导芯宽设计为50μm，兼顾了光约束能力与传输带宽需求。 （四）薄膜MUX/DeMUX 为提升单波导的信号传输密度，研究团队设计了基于波分复用（WDM）技术的薄膜MUX/DeMUX。通过在棱镜基底涂覆WDM薄膜滤波器，实现了4种不同波长的VCSEL光在单条波导中的并行传输。薄膜材料选用TiO₂和Ta₂O₅，其中TiO₂的折射率为2.5086（记为T_H），Ta₂O₅的折射率为2.0908（记为T_L），棱镜折射率在850nm波长下为3.16，棱镜角度设定为26.5°。薄膜厚度按对应角度下光程为λ/4的原则设计，DBR结构采用[(T_H T_L)¹⁵(T_H T_H)⁸(T_L T_H)¹⁵]，两反射镜间插入4λ宽间隔层，理论计算验证了TE模式与TM模式下的有效传输特性。

三、实验性能与损耗分析 为验证技术方案的可行性，研究团队开展了系统的性能测试，重点测量了波导的传播损耗、耦合损耗及全链路总损耗。 传播损耗测试通过对比5.5mm与10.5mm长波导的输出功率实现，光信号经棱镜注入波导，输出端由200μm直径的商用透镜探测器收集。对5个样本的测试结果显示，5.5mm长波导的平均输出功率为0.1726mW，10.5mm长波导的平均输出功率为0.164mW，计算得出平均传播损耗为0.444dB/cm，其中10.5mm长波导的传播损耗为0.466dB。

全链路总损耗测试中，VCSEL光经棱镜注入波导并从另一端棱镜输出至探测器的总损耗为7.45dB。理论计算表明，在未采用增透膜（AR-coating）的情况下，两个棱镜的反射损耗为5.46dB。扣除棱镜反射损耗与10.5mm波导的传播损耗后，可得出每棱镜的平均耦合损耗为0.762dB，展现出良好的光耦合效率。 四、2.5D封装设计 为了实现电-光组件的高效集成，研究团队提出了2.5D封装方案，形成了垂直分层的集成结构。芯片顶部通过倒装键合技术集成各类电芯片，包括CPU、GPU等XPU器件、高带宽存储器（HBM）、DRAM及系统级芯片（SoC），实现了电信号的高速互联；芯片底部则形成光波导与光器件，通过重分布层（RDL）对光器件的高度与位置进行精准设计，确保光信号传输的稳定性。这种“顶部电组件+底部光组件”的垂直分层设计，大幅缩小了芯片整体占位面积，实现了光源、调制器、MUX/DeMUX与各类电芯片的高紧凑共定位集成，为高密度光互联系统提供了紧凑化解决方案。

五、结论 本文提出的VCSEL基光子中介层芯片技术，通过腔波导、GaP棱镜耦合器、聚酰亚胺微透镜及薄膜MUX/DeMUX的协同设计，成功实现了多模与单模VCSEL光信号的高效注入与传输。实验验证了该技术的低损耗特性，平均传播损耗达0.444dB/cm，每棱镜平均耦合损耗为0.762dB，同时通过2.5D封装设计达成了电-光组件的高紧凑集成，4波长WDM传输方案进一步提升了信号传输密度。该技术兼容CMOS工艺，具备良好的集成扩展性，为数据中心、高性能计算等领域的高速高密度光互联需求提供了可靠的技术路径，具有重要的实际应用价值。