新型高密度光耦合封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)3.2 Tbps傳輸

  ICC訊 在算力需求爆發(fā)的時(shí)代，傳統(tǒng)可插拔光模塊已難以滿足高帶寬、高密度互聯(lián)的需求。共封裝光學(xué)(CPO)技術(shù)因其能夠在更小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高帶寬，成為未來數(shù)據(jù)通信的重要發(fā)展方向。然而，CPO技術(shù)中的光耦合精度問題一直是實(shí)現(xiàn)高性能光引擎的挑戰(zhàn)之一。

  近期，來自中科院的一項(xiàng)針對100 Gbps垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列的高密度光耦合封裝研究取得了重要突破。該研究提出了一種90°彎曲二維光纖陣列(2D-FA)，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)和高精度工藝，成功實(shí)現(xiàn)了高效光耦合，為CPO應(yīng)用提供了可行的解決方案。

  創(chuàng)新點(diǎn)：90°彎曲光纖陣列

  傳統(tǒng)光耦合方案通常采用45°反射鏡實(shí)現(xiàn)光束90°轉(zhuǎn)向，但這種方式需要引入額外的透鏡和反射鏡，不僅增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，還帶來了額外的耦合損耗。本研究設(shè)計(jì)的90°彎曲二維光纖陣列無需任何光學(xué)耦合元件(如透鏡或反射鏡)，直接通過光纖彎曲實(shí)現(xiàn)光束轉(zhuǎn)向，顯著提高了光耦合密度，并克服了空間堆疊的限制。

  圖1 本研究方案原理圖

  高精度對準(zhǔn)的重要性

  光耦合過程中的對準(zhǔn)誤差直接影響耦合效率。研究表明，100 Gbps VCSEL的光束發(fā)散角較大(30°)，因此對對準(zhǔn)精度的要求極為苛刻。仿真結(jié)果顯示，在-1 dB損耗條件下，100 Gbps VCSEL需要的對準(zhǔn)精度為：

  橫向誤差：±17 μm

  縱向誤差：52 μm

  角度誤差：±25°

圖2 仿真橫向、縱向和角度偏差對耦合精度的影響規(guī)律圖

3 實(shí)測裝置圖圖

4 實(shí)測與仿真對耦合效率對比

革命性組裝工藝

  圖5 基于臨時(shí)載體的高精度組裝工藝

  為了解決傳統(tǒng)組裝工藝中的精度不足問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于臨時(shí)載體的高精度組裝工藝。該工藝通過“臨時(shí)鍵合-轉(zhuǎn)移貼裝-可控拆卸-鍵合”三階段協(xié)同控制，使用與光學(xué)芯片熱膨脹系數(shù)匹配的硅片作為臨時(shí)載體，并采用低公差固態(tài)臨時(shí)鍵合膠和低模量流動(dòng)性貼裝膠。

  這一工藝的水平對準(zhǔn)誤差小于±4 μm，垂直對準(zhǔn)誤差小于20 μm，完全滿足100 Gbps VCSEL的高精度對準(zhǔn)需求。

  實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

  研究團(tuán)隊(duì)通過Zemax仿真和實(shí)際測試平臺(tái)對光耦合效率進(jìn)行了驗(yàn)證。測試結(jié)果與仿真趨勢基本一致，證明了90°彎曲光纖陣列在實(shí)際應(yīng)用中的高效性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以避免金線對耦合高度的影響，進(jìn)一步提升耦合效率。

  應(yīng)用前景

  這項(xiàng)技術(shù)不僅在理論上驗(yàn)證了高密度光耦合的可行性，還為實(shí)現(xiàn)3.2 Tbps光引擎提供了工藝基礎(chǔ)。未來，這種高精度光耦合封裝技術(shù)有望廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算和人工智能等領(lǐng)域，推動(dòng)光通信技術(shù)向更高帶寬、更低功耗的方向發(fā)展。

  結(jié)語

  隨著算力需求的不斷增長，光通信技術(shù)必須不斷突破瓶頸。這項(xiàng)研究通過創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和工藝，為高密度、高效率光耦合提供了新的解決方案，展示了CPO技術(shù)在未來數(shù)據(jù)通信中的巨大潛力。

  參考文獻(xiàn)： 本研究由北京市科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(編號(hào)：Z241100004224020)資助，相關(guān)成果已發(fā)表于2025年第26屆國際電子封裝技術(shù)會(huì)議(ICEPT)。

  Z. Sheng et al., "High-Density and high-efficiency optical coupling packaging for 100 Gbps vertical cavity laser emitter array in CPO applications," 2025 26th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT), Shanghai, China, 2025, pp. 1-4, doi: 10.1109/ICEPT67137.2025.11157586.