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2025-07-15
在生成式人工智能与机器学习技术飞速迭代的今天，数据中心的数据吞吐量正以指数级速度攀升。共封装光学（CPO）技术通过将电集成电路（EIC）与光子集成电路（PIC）集成于同一封装内，相比传统可插拔光模块实现了传输速率与能耗表现的双重突破，成为支撑数字经济发展的核心技术支柱。广西科毅光通信科技有限公司（官网：www.coreray.cn）作为深耕光通信领域的专业光开关供应商，始终以技术前沿视角洞察行业变革，本文将从技术原理、应用场景及落地价值三个维度，系统解读 CPO 与光 IO 领域的两种革命性光口耦合方案，为行业提供兼具深度与实践价值的技术参考。
一、CPO 技术演进与光连接核心挑战
在数据中心算力密度持续提升的背景下，CPO 技术凭借近芯片级的信号传输优势，正在重构高速互联的技术格局。其核心突破在于打破了传统光模块与芯片间的物理壁垒，但实现这一突破的关键在于解决两大核心问题：电连接的稳定性与光耦合的精准性。
当前电气连接已普遍采用倒装键合技术，无论是直接键合还是中介层转接，主流设备的定位精度均可控制在 ±3μm 以内，这种精度足以满足电信号传输的稳定性需求。但光连接面临的挑战截然不同：光通道数量受限于光纤密度与接口尺寸，必须通过光扇出技术提升海滨密度；更关键的是，多通道批量生产中的耦合损耗问题 —— 传统 SSC 波导连接要求 0.1μm 级的对准精度，微小的位置偏差就会导致信号衰减急剧增加，而疏逝波耦合虽能放宽尺寸要求，却面临集成密度不足的困境。
二、Sumitomo 基于 VCBEL 的 CPO 创新方案
针对 CPO 技术的光连接痛点，业界涌现出多种创新解决方案，其中 Sumitomo 提出的垂直耦合扩束透镜（VCBEL）方案凭借独特的技术设计脱颖而出。该方案的核心创新在于采用玻璃基板作为光电集成载体，通过材料特性与结构设计的双重优化，实现了电信号与光信号的高效协同传输。
（一）玻璃基板的集成优势与结构设计
玻璃基板之所以成为理想载体，源于其三大核心特性：近乎零翘曲的物理稳定性、与硅材料匹配的热膨胀系数（CTE），以及可同时实现电气与光学布线的多功能性。通过离子交换或激光写入技术，可在玻璃内部形成低损耗光波导，为光信号传输构建优质通道。
如图 1
如图 1 所示，PIC 芯片与 ASIC 处理器通过玻璃基板上的低损耗电线实现近距离互联，光信号经波导扇出后与外部光纤阵列精准对接。这种布局不仅降低了信号传输损耗，更通过紧凑设计提升了空间利用率。
图 2
从横截面结构（图 2）可见，堆叠式玻璃芯基板通过玻璃通孔（TGV）实现多层布线，配合 VCBEL 组件构建三维光传输网络，可灵活支持波导交叉、空间路由及多芯光纤连接，完美适配高密度集成需求。
（二）VCBEL 透镜的突破性设计
垂直耦合扩束透镜（VCBEL）是该方案的技术核心，由自由曲面透镜与非球面反射镜组成。反射镜将水平传输的光信号转向垂直方向，通过特殊曲率设计将光束直径从 PIC 的 3μm 模场直径（MFD）扩束至光纤阵列的 9μm MFD，大幅降低了对准精度要求。
图 3
测试数据显示（图 3），VCBEL 在 1260-1360nm 波段保持稳定耦合效率，波长依赖性极低，这种宽谱特性使其可适配波分复用（WDM）系统，进一步提升传输带宽。
（三）光开关原型的技术验证与量产潜力
Sumitomo 基于该方案开发的光开关原型，采用马赫 - 曾德尔干涉仪（MZIs）构建核心光路，通过飞秒激光在玻璃基板上写入光波导，利用激光辅助蚀刻工艺制备沟槽结构，最终通过双光子聚合 3D 打印技术制造 VCBEL 组件。
图 4
组装过程中，PIC 芯片通过热压缩倒装键合技术固定于玻璃基板，光纤阵列双侧对接后，通过柔性扁平电缆（FFC）与控制板连接完成测试（图 4）。实际测试显示，该原型在位置偏差 ±3μm 时额外损耗小于 0.1dB，通道串扰控制在 40dB 以下，充分验证了技术可行性。
图 5
值得注意的是，透镜曲面经特殊处理实现光滑表面，配合耐高温树脂透镜（300℃不变形），确保了长期工作稳定性。针对玻璃沟槽粗糙度问题，通过树脂填充工艺将额外损耗控制在 0.3dB 以内，为量产奠定基础。
图 6
图 7
在 1310nm 波长处，VCBEL 耦合损耗低至 -1.6dB（图 7），1dB 容差范围达 ±11μm（图 8），这种高性能表现使其成为大规模集成的理想选择。广西科毅光通信在光开关研发中，正积极探索玻璃基板技术在产品中的应用，致力于提升光开关的响应速度与稳定性。
图 8
图 9
三、AIST 基于微转镜耦合的高密度光 IO 方案
随着 UCIe 等高级芯片接口规范的普及，芯片边缘带宽需求激增，传统电互连已难以满足 1TB/s/mm 级的传输需求。AIST 研发的有源光封装（AOP）方案，通过微转镜耦合技术与聚合物波导网络，构建了高密度光重分布层（ORDL），为突破带宽瓶颈提供了创新路径。
（一）AOP 衬底的系统架构设计
AOP 方案的核心在于将光子集成电路（PICs）嵌入封装衬底，构建集光电转换、光重分布与可拆卸连接于一体的完整光子系统。这种架构可实现芯粒（xPU、存储器等）与 PIC 的高密度互联，其 uBump 连接技术与 UCIe 高级封装标准兼容，为异构集成提供灵活接口。
如图 10
如图 10 所示，PIC 采用硅光微环谐振腔实现信号处理，通过类 EMIB 结构与芯粒形成高速电接口。这种设计不仅消除了传统 SerDes 带来的带宽限制，更通过堆叠集成大幅提升了空间效率。
（二）波分复用与边缘带宽优化
UCIe 规范下边缘带宽达 1317Gb/s/mm，若采用 32Gbps 链路速率，每毫米需 330 个通道，这远超传统光接口的物理极限。解决方案是引入波分复用（WDM）技术，通过多波长并行传输降低通道密度需求。
图 11
计算表明（图 11），采用 32 波 WDM 技术并将聚合物波导间距控制在 100μm 以内，可将通道密度降至每毫米 10 个左右，在满足带宽需求的同时降低制造难度。
（三）曲面微镜与高密度波导技术突破
AOP 光 IO 接口的核心是集成曲面微镜组件，通过上下反射镜配合实现光信号转向与聚焦。优化后的微镜结构将光束直径控制在 10μm 左右，单个反射镜总宽度仅 40μm，可实现 100μm 间距的阵列布局，进一步优化后间距可达 20-30μm。
图 12
图 13
实际制备的 50μm 间距微镜阵列（图 13）显示出优异的制造精度，为高密度集成提供了硬件基础。在波导技术方面，采用激光直接光刻工艺制备的聚合物波导，成功实现 250μm、62.5μm 及 30μm 多种间距阵列。
图 14
图 15
聚合物波导阵列显微图 - 250μm 与 62.5μm 间距
图 16
图 17
串扰测试结果显示（图 17），30μm 间距波导的最大串扰为 -31.9dB，62.5μm 间距降至 -44.8dB，250μm 间距可达 -52.0dB，通过优化波导结构可进一步降低杂散光影响。
图 18
广西科毅光通信在光开关产品研发中，正积极借鉴高密度波导与微镜耦合技术，探索更高端口密度、更低插入损耗的新型光开关解决方案，以满足数据中心日益增长的互联需求。
四、技术对比与行业应用展望
两种方案从不同路径解决了高密度光互联的核心难题：Sumitomo 的 VCBEL 方案通过玻璃基板与扩束透镜组合，在保证耦合效率的同时大幅降低对准精度要求，特别适合大规模集成场景；AIST 的微镜耦合方案则聚焦芯片级边缘带宽突破，通过 WDM 与高密度波导实现超 1TB/s/mm 的传输能力，更适配小芯片异构集成需求。
光交换模块光路切换功率对比 - 科毅光通信测试数据
从产业化角度看，玻璃基板方案需突破大面积 3D 打印效率瓶颈，可通过晶圆级灰度光刻或纳米压印技术实现量产；微镜耦合方案则需优化聚合物波导的长期可靠性，提升环境适应性。这两种技术均为 CPO 与光 IO 的落地提供了可行路径，推动光通信从 “可插拔模块时代” 迈向 “共封装时代”。
作为专业光开关供应商，科毅光通信始终紧跟技术前沿，将先进封装理念融入产品设计。无论是基于玻璃基板的高稳定性光开关，还是适配高密度互联的微型光开关，均致力于为客户提供低损耗、高可靠的光传输解决方案。未来，公司将持续深化与科研机构的技术合作，推动创新成果转化，为光通信行业的高质量发展贡献力量。
结语
在数字经济加速渗透的今天，CPO 与光 IO 技术正成为数据中心升级的核心驱动力。两种创新耦合方案的突破，不仅解决了高密度互联的技术瓶颈，更重塑了光通信的产业生态。广西科毅光通信将以技术创新为引擎，以品质服务为保障，持续为全球客户提供领先的光开关产品与解决方案，共同构建高速、高效、绿色的下一代光通信网络。
选择合适的光开关是一项需要综合考量技术、性能、成本和供应商实力的工作。希望本指南能为您提供清晰的思路。我们建议您在明确自身需求后，详细对比关键参数，并优先选择像科毅光通信这样技术扎实、质量可靠、服务专业的合作伙伴。
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