ECTC 2026：京瓷发表硅光CPO宽温域光耦合成果，实现0~70℃全温域32Gb/s无误码传输

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系统级性能进一步提升的核心瓶颈。传统前面板可插拔光模块在带宽密度、功耗效率与封装灵活性方面面临根本性限制，而共封装光学（CPO）技术通过将光模块直接集成在封装内部，大幅缩短高速电互连长度，显著降低信号插入损耗、提升带宽密度与封装效率，已成为下一代计算平台的关键技术方向。

京瓷公司在本次ECTC 2026上发布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，通过系统优化硅光器件封装构型与光耦合关键参数，实现了单通道32Gb/s（等效PCIe 5.0）在0~70℃全温域的无误码传输，为下一代高性能计算与数据中心应用提供了可行的CPO解决方案。

一、硅光器件封装构型：面朝下方案胜出

硅光器件在CPO结构中需紧邻高功耗芯片，热管理与高频电互连性能成为核心设计挑战。京瓷团队对比了面朝上与面朝下两种硅光器件封装构型，两者均集成光输入输出波导与用于冷却LD和EIC的金属块，区别在于面朝上构型采用引线键合实现电输入输出，面朝下构型则采用球栅阵列（BGA）互连。

1. 散热性能对比

通过片上温度监测功能直接测量EIC温度，利用LD发射波长与温度的明确依赖关系估算LD温度，在自然风冷环境下的测试结果显示：与面朝上构型相比，面朝下构型的EIC温度降低5.5℃，LD温度更是大幅降低15.3℃。

这一显著差异源于散热路径的不同：面朝上构型中，光纤阵列位于LD上方，阻碍了LD的高效散热；而面朝下构型可通过高导热硅衬底与金属块实现有效散热。尽管面朝上构型的EIC也可通过热界面材料（TIM）经金属块散热，但LD产生的额外热量导致其整体温度远高于面朝下构型。

LD的高效冷却至关重要，它能抑制热激活退化机制，显著延长器件寿命；同时降低LD阈值电流、提升斜率效率，从而提升CPO模块可靠性并降低驱动电流与整体功耗。

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评估高频性能，结果表明：面朝下构型的信噪比（SNR）提升90%，时序峰峰值抖动降低20%。

性能提升的核心原因在于电互连方式的差异：面朝上构型依赖的细长引线键合会引入显著的寄生电感与阻抗不连续，恶化高频信号完整性；而面朝下构型采用的BGA互连则有效避免了这些问题，提供了更宽的链路裕量。

基于上述对比结果，京瓷团队最终选择面朝下硅光器件作为CPO模块的核心器件。

二、光耦合结构的系统级优化

采用面朝下构型后，有两种光接口方案可供选择：41°抛光端面的多模光纤阵列与聚合物波导。京瓷团队选择了聚合物波导方案，原因在于更低的BGA高度可实现更紧凑的光接口，同时聚合物波导的节距转换功能可减少连接器与光纤阵列的数量。

实现硅光器件与聚合物波导之间的高效光耦合是该方案的核心挑战。本次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会导致硅光芯片上光栅耦合器的输出角度发生改变。为适应这一角变化，研究团队在硅光器件上制备了被称为"光pin针"的垂直聚合物波导结构，将传播模式从单模转换为多模，这是本次设计的关键特征。

在硅光器件安装的中介层基板上，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。为实现0~70℃环境温度下的稳定工作，研究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，以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，为将其高效耦合进聚合物波导芯层，研究团队设计了曲面反射镜，并通过光线追迹仿真优化了曲率半径与反射镜角度。仿真结果显示，当曲率半径为0.8mm、反射镜角度为41°时，耦合损耗达到最小值。

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对比测试。实验结果与仿真值高度吻合，曲面反射镜相比平面反射镜实现了1.58dB的耦合损耗降低。

2. 波导包层与芯层结构优化

研究团队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。垂直侧壁芯层结构的下包层与芯层侧壁均为垂直，上包层延伸至反射镜表面；环绕式芯层结构的下包层为垂直侧壁，而芯层与上包层均延伸至反射镜上方。

光线追迹仿真结果表明，两种结构的最小耦合损耗相当，但环绕式芯层结构具有更宽的对准容差。这是因为环绕式结构的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，入射光线更容易进入芯层。因此，研究团队最终采用了环绕式芯层结构。

3. FDTD仿真验证

为进行更详细的分析，研究团队采用FDTD方法进行仿真。与之前将硅光器件出射光作为光源不同，FDTD模型以光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，结果显示：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，仍保持了足够高的耦合效率；20℃与80℃时的插入损耗分别为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，研究团队在宽温度范围内实验评估了对准容差图。测试系统中，硅光器件放置在珀尔帖平台上，通过电探针驱动片上LD使其从光针出射光；反射镜与1cm长的聚合物波导制备在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方向扫描波导基板并记录光强分布。结果表明：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，证明了该结构在宽温度范围内具有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，并连接至单个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。

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，电光转换后的光眼图在所有测试温度下均呈现清晰的眼图张开。

进一步将发射端光信号通过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。测试得到的误码率（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，BER为10^-12（无误码性能的常用判据）时的裕量为0.305UI，表明系统具有足够的裕量。裕量按高温、室温、低温的顺序递减，这与之前分析中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硅光器件封装构型，证实了面朝下构型在散热性能与高频性能方面的显著优势，可降低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。

通过系统设计反射镜几何参数与聚合物波导截面结构等关键参数，优化了光耦合结构，在宽温度范围内实现了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，并具有足够的接收灵敏度，验证了其实际应用性能。这些研究成果为下一代高性能计算系统的CPO模块实现提供了重要的技术支撑。