一文了解玻璃基光电集成封装及CPO应用

0 引言

1 玻璃基光电集成封装发展现状

2 玻璃基TGV Interposer

2.1 TGV Interposer的加工工艺

玻璃基光电集成封装通过TGV Interposer上的TGV与RDL实现芯片间电互连。在玻璃中形成TGV的技术主要包括喷砂法、光敏玻璃法、玻璃回流工艺、激光烧蚀和激光诱导 湿 法 刻 蚀（Laser⁃Induced Deep Etching，LIDE）等。其中，喷砂法会带来过大的孔内壁粗糙度，影响TGV金属化；光敏玻璃法面临工艺和原材料成本高和工艺复杂的挑战；玻璃回流工艺中填充微结构难度大，工艺复杂；激光烧蚀存在热影响区、孔壁微裂纹和边缘凸起等缺陷，需要辅助工艺优化；LIDE技术由LPKF公司于2014年提出，将皮秒激光聚焦于玻璃基板，其曝光区域会形成诱导区。然后将玻璃基板放置于酸性或碱性溶液中，诱导区的刻蚀速率远高于未诱导区，最终在100μm厚的玻璃上形成了一端直径为20μm，另一端直径为15μm，间距为50μm的TGV，锥度小于5°。目前，TGV的深宽比通常可以达到10∶1，侧壁粗糙度Ra<0.8μm。通过调节激光脉冲、激光聚焦位置和酸碱溶液浓度等工艺参数，可以加工包括垂直、沙漏形和梯形等不同形状的TGV或盲孔。该方法在加工速度、质量和成本方面具有优势，且与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工艺兼容度高，具有在先进封装领域广泛应用的潜力。其工艺流程如图3所示。通过激光诱导和湿法刻蚀的方式制作玻璃盲孔，然后通过电镀在盲孔中填充铜，之后通过电镀、光刻和刻蚀等工艺步骤在玻璃正面制作一层或多层RDL，背面通过减薄使得盲孔底部露出铜形成通孔。然后再制作背面的RDL。最后在背面制造bump。若通过图3（a）和图3（b）步骤制造的是TGV，则可省略图3（f）步骤。

图3 利用LIDE技术加工TGV Interposer的工艺流程

2.2 TGV Interposer的表征和测试

研究采用上述工艺方法，成功完成了8英寸TGV Interposer的加工，如图4（a）所示。采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）对TGVInterposer中的一些结构进行了表征。图4（b）和图4（c）所示为TGV Interposer的主要结构，包括漏斗型TGV、两层正面RDL、一层背面RDL、焊球和bump。TGV内部电镀的铜无空洞，并与玻璃侧壁形成牢固的结合。如图4（d）所示的盲槽用于放置光纤。图4（e）和图4（f）分别为TGV Interposer正面和背面RDL的显微镜图像。

图4 8英寸TGV Interposer晶圆及其表征图像

研究在TGV Interposer上设计并加工了地-信号-地（Ground⁃Signal⁃Ground，GSG）共面波导（Coplanar Waveguide，CPW）传输线，传输线总长度为2mm。我们使用HFSS仿真软件模拟了TGV电互连通道的S21参数，如图5（a）所示，其3dB带宽为92GHz。同时，我们测试了TGV电互连通道的S21参数和眼图，结果如图5（a）和图5（b）所示。测得的3dB带宽可达110GHz，并且在100、112和128Gbit/s速率下都具有清晰的眼图，说明该TGV Interposer有支持128⁃Gbaud CPO应用的能力。

图5 TGV Interposer的GSG传输线电学性能

3 玻璃基光波导

3.1 飞秒激光直写玻璃波导

飞秒激光直写技术利用超短脉冲激光通过物镜聚焦于透明介质内部，引发非线性相互作用（如光致电离和自聚焦等），导致材料微观结构的折射率永久性改变。通过精密控制激光与材料的相对位置，可在3D空间内直接制备光波导等微结构。该技术能在多种透明材料中实现高精度3D微纳结构制造。目前，该技术已成功应用于光耦合器和分束器等集成光学器件的制备。

2022年，浙江大学邱建荣教授团队利用飞秒激光在石英玻璃中成功制备了低损耗波导，传输损耗达到0.07dB/cm、弯曲半径为30mm时其最低弯曲损耗达到0.001dB/mm；2023年，该团队又研究了一种高透视光波导直写方法，有效抑制了波导散射中心的产生和控制了波导直径，实现了波导模场直径从4.9到26.5μm的超宽范围调制，实现了在532nm波长处传输损耗小于0.3dB/cm的可见光波导，其波导截面如图6（a）所示；2025年，吉林大学陈岐岱教授团队利用飞秒激光的原位多次扫描技术优化玻璃波导中的折射率分布，实现了更高的波导核心折射率，增强了光的约束能力，提高了弯曲波导的集成密度，在康宁EagleXG玻璃中实现了弯曲半径为10mm时的最小弯曲损耗1.028dB/cm，其波导截面如图6（b）所示。

图6 玻璃波导的横截面图

通过在玻璃基板中制作光波导作为玻璃基CPO应用的光接口具有非常大的应用前景。2023年，Intel提出了玻璃光桥方案，以实现光芯片到光纤的耦合，如图7（a）所示，Intel利用激光直写技术在玻璃上加工3D光波导和用于位置对准的微机械结构，实现了硅光芯片到光纤的扇入扇出，其传输损耗为0.2dB/cm；2024年，Intel通过结合微透镜实现了如图7（b）的玻璃光桥，在耦合容差提高到±5μm的同时，只引入了1.32dB的额外损耗；2022年，浙江大学邱建荣教授团队成功制备了如图7（c）所示的可用于将一维光纤阵列转换为7芯光纤的3D集成扇出型器件，器件全长1.4cm，所有的7条波导都具有约1.07dB的低传输损耗。

2025年6月，深圳大学联合深光谷科技有限公司通过自研激光直写工艺和设备，开发出量产型玻璃基多芯光纤扇入扇出器件，如图7（d）所示，支持从250μm间距光纤阵列到4芯光纤的低损耗耦合。通过飞秒激光多维光场调控等技术，实现了波导与光纤的模场匹配，波导传输损耗小于0.1dB/cm，波导与光纤的端面耦合损耗为0.2dB，扇入扇出器件整体插入损耗小于0.5dB。波导器件的直写速度达到了1cm/s的量级，满足量产的加工速度需求，这也是全球首个玻璃基3D光波导的量产线，代表了玻璃基3D光波导从实验样品到量产产品的里程碑，必能进一步加速玻璃基光电集成封装的规模化落地应用。

图7 基于玻璃波导的扇入扇出器件

除了扇入扇出器件外，研究者们利用飞秒激光直写玻璃波导技术，成功加工了偏振分束器和模式复用器。如图8（a）所示的定向耦合器，多伦多大学利用飞秒激光在熔融石英中诱导纳米光栅，形成强双折射。基于此制作的偏振定向耦合器，通过对横电（Transverse Electric，TE）/横磁（TransverseMagnetic，TM）模的差异化耦合，在1550nm波段实现了-19dB/-24dB的高消光比，展现了精准的片上偏振操控能力；莫斯科国立大学通过将耦合波导间距缩小至5μm以内，引入强各向异性应力以增强双折射，从而将偏振分束器的相互作用长度显著缩短至3.7mm，同时保持了16dB/20dB的消光比，为发展紧凑型偏振器件提供了新方案；悉尼大学提出了如图8（b）所示的基于模式选择性耦合器的3D模分复用器，通过使单模与多模波导的传播常数分别与LP11a/LP11b模式匹配，该器件在1500~1580nm波段实现了25~37dB的高模式消光比和约1dB的低损耗；澳大利亚麦考瑞大学提出了如图8（c）所示的锥形模分复用器，其耦合仅发生在锥形区特定相位匹配点，对波长和尺寸波动极不敏感，从而在400nm超宽带宽内实现了<-20dB的串扰、>20dB的模式消光比及<2dB的插入损耗，为宽带模分复用提供了关键器件支撑。表１所示为对飞秒激光直写加工玻璃波导及无源器件的总结。

图8 基于玻璃波导的无源器件

表1 飞秒激光直写加工玻璃波导及无源器件总结

图9 两步热离子交换玻璃波导的加工工艺

图10 康宁的IOX波导

在集成光学中，IOX波导与光电芯片的距离可能仅几毫米。尽管单颗芯片散热温度低于IOX工艺温度，但多芯片计算时产生的热量可能使TGVInterposer整体升温，进而影响IOX波导性能。尽管如此，IOX玻璃波导仍具有重要潜力，其低损耗、小弯曲半径和小交叉角度的特性可显著提升光电封装的能效和集成度，为高能效、小型化的2.5D/3D光电集成提供了新的研究方向。

4 玻璃基光电芯粒封装及CPO应用

图11 基于CPO的集成光互连系统

光交换是光通信网络的核心技术，集成光开关和波长选择器等器件，负责光信号的动态路由与调度。OE是光通信系统的核心组件，集成激光器和调制器等器件，负责光电信号转换。光交换和OE的性能直接关系到整个光通信系统的传输质量和速率。CPO技术将光电芯片集成在同一基板上，可缩短传输距离、降低功耗、提升带宽和集成密度，是下一代高速光互连的关键方案。玻璃基板凭借优异的高频特性、机械稳定性和热稳定性，成为替代硅和有机Interposer的理想选择，推动了CPO发展。

2023年，康宁提出了面向102.4Tbit/s数据中心交换机的玻璃基CPO方案。如图12（a）所示，在玻璃基板上集成TGV、RDL和IOX玻璃波导，实现ASIC与PIC的高效互连，并利用IOX波导实现PIC与光纤约1.5dB的低损耗倏逝耦合。单个基板可封装16个6.4Tbit/s光模块，满足高速交换需求。2025年，康宁进一步推出板级扇出型光电路板，如图12（b）和图12（c）所示，集成了1024条低损耗IOX波导，传输损耗为0.1dB/cm，直接连接CPO光收发机与面板光连接器，大幅减少传统光纤布线需求，显著简化光交换机与服务器间的板级光互连架构。

图12 康宁的玻璃基CPO方案，以及基于IOX波导的波导线路

2013年，佐治亚理工大学提出了3D玻璃光子技术，如图13（a）所示，将光电芯片FC在玻璃基板上，利用玻璃基板上的TGV和RDL扇入扇出电信号，光信号通过玻璃基板上的透镜、波导和光学过孔结构，实现低损耗高对准容差的耦合；2023年，IBM提出将垂直腔面发射激光器（Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL）、EIC、光电探测器（Photodiode，PD）芯片采用FC封装到玻璃基板上，如图13（b）所示，旨在与CPU和GPU等芯片集成，提升互连性能，VCSEL凭借其低成本和低功耗的优势，是短距离光互连的关键技术，该方案带宽达到800Gbit/s；2023年，Samtec提出了基于TGVInterposer和VCSEL的OE，如图13（c）计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）图所示，VCSEL和Driver、跨阻放大器（Trans⁃ImpedanceAmplifier，TIA）、PD等光电芯片贴装于TGV In⁃terposer，使用反射镜将VCSEL垂直出光改为水平出光，并确保与光纤的耦合效率，该OE支持56Gbit/s信号传输；2025年，新加坡雨树光科提出了如图13（d）所示的基于TGV Interposer的6.4Tbit/s CPO OE，该方案省去了独立器件组装并保证了信号完整性，提高了传输速度和扩展性，非常适合HPC、AI集群和超大规模数据中心等应用场景。

图13 玻璃基CPO OE

2024年，上海交通大学与深光谷科技有限公司合作，提出了如图14（a）所示的基于TGV Interpos⁃er的2.5D CPO方案，基于8英寸TGV工艺实现了玻璃基TGV Interposer芯片的制造。在此基础上，设计并研制了面向CPO OE应用的玻璃基TGV Interposer芯片，支持商用电芯片的FC封装，支持电吸收调制激光器（Electro⁃Absorption Modu⁃lated Laser，EML）、硅光、VCSEL和铌酸锂等光芯片的FC封装，形成了高速高密度的2.5D封装CPO OE，如图14（b）~图14（d）所示，包括8通道EML方案光发射模块（Transmitter Optical Subas⁃sembly，TOSA）、8通道硅光方案800Gbit/s光收发引擎、4通道硅光方案800Gbit/s光收发引擎。

图14 基于TGV Interposer的2.5D CPO方案

2023年，爱尔兰Tyndall国家研究所的PeterO’Brien课题组采用玻璃Interposer实现了硅光微机 电 系 统（Micro ⁃ Electro ⁃ Mechanical System，MEMS）芯片的高密度封装，如图15所示。该集成方案支持千兆级电接口与上百个光接口的同步封装，为大规模硅光MEMS的实用化提供了关键的高密度互连基础，可以扩展到通信、神经网络、传感和光子计算等领域应用。

图15 硅光MEMS倒装键合到玻璃Interposer

随着玻璃基光电集成封装技术的不断成熟，其应用场景也越发多元化，特别是面向光电一体化集成封装、高密度扇出型封装、功率半导体、微显示、可穿戴光电子和MEMS光电传感等领域，通过TGVInterposer实现2.5D/3D的高密度光电集成封装，可以提供更加优秀的射频性能、提高封装密度、实现全固态、实现气密性封装等，更加契合激光雷达、生物传感和光子陀螺等场景的应用需求，展现出巨大的量产制造性、低成本和高可靠性等优势。为了充分发挥上述优势并推动技术走向大规模应用，TGV Interposer需要聚焦于更高密度与更大尺寸的TGV制造、低损耗光波导与电互连的异质集成，以及面向CPO的多芯片、多材料3D堆叠架构。其中还需要克服一些工程化难点，主要包括：高深宽比TGV的无缺陷金属填充、玻璃与光电芯片的热膨胀系数匹配、面板级工艺的良率品与成本控制，以及在高温、高频和高功率条件下长期可靠性的保障。此外，光-电-热-力多物理场协同设计与标准化封装接口也是实现规模化应用的关键挑战。

5 结束语

本文针对玻璃基光电集成封装技术，面向数据交换中高带宽、高速率和高能效等需求，对TGVInterposer的加工工艺、表征和性能进行了介绍和总结。玻璃基光电集成可以有效缩短芯片间互连长度，提高芯片集成密度、性能和能效，缩小芯片封装的尺寸。同时，对玻璃基光电集成在OE和光交换为主的CPO应用进行了分析和展望，TGV Inter⁃poser可以有效地提高这些领域的光电系统性能和集成封装密度。未来，随着玻璃基光电集成封装技术的进一步发展，必将推动这些应用向着高密度、高性能、高能效、小型化和低成本的方向进步，激发出更多的玻璃基光电集成封装应用需求，为先进光电封装技术的发展和下一代算力能力的提升注入新的动力。

来源：葛畅，杜江兵，沈嘉欣，等.玻璃基光电集成封装及CPO应用［J］.光通信研究，2025（6）：250319. 侵删

doi：10.13756/j.gtxyj.2025.250319.

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