玻璃基CPO光路板突破短距互连瓶颈

随着人工智能、云计算及高性能计算技术的快速发展，数据中心通信带宽呈指数级增长，对板级互连技术提出了更高要求。传统铜导线电互连在高频场景下受趋肤效应、介质损耗等影响，难以满足单通道100Gb/s及以上速率传输需求。光互连技术以光波作为信息载体，展现出高带宽、低能耗等优势，为高速通信系统的大规模扩容升级提供了全新路径。垂直腔面发射激光器（VCSEL）凭借其低成本和低功耗、支持多通道并行传输的优势，成为850nm波长短距光互连的理想选择。

传统板级光互连光路板（OCB）在有机基板上集成光波导，在翘曲控制与耐热性能上存在短板。相较于有机基板，玻璃基板射频带宽更高、热膨胀系数更低，兼具良好温度稳定性与低翘曲度，可制备高精度、高密度的光路板，能够作为高速光电共封装的基底。国内外研究已充分验证玻璃基光波导具备低传输损耗、支持高速信号传输的技术优势。针对传统玻璃基垂直出光方案的光纤耦合结构占用空间大、引线键合工艺带宽与集成密度受限等问题，上海交通大学光子传输与通信全国重点实验室的刘旭团队设计了基于玻璃波导与VCSEL阵列的高速光电共封装光路板，采用倒装焊工艺实现VCSEL阵列与高速驱动芯片在玻璃基板上的高密度、低损耗集成，并实现100Gb/s以上速率的传输验证。

1 结构设计与仿真分析

2 器件制备及表征分析

玻璃波导的制备采用两次离子交换工艺。首先在清洗后的玻璃基底上沉积氧化铝缓冲层和铝掩模层，经光刻、显影、湿法刻蚀形成波导图形，然后置于含Na⁺、Ca²⁺和Ag⁺的混合熔盐中进行热离子交换，使Ag⁺与玻璃内Na⁺双向扩散形成波导芯区；随后进行二次图形化，并在电场辅助下进行离子深度扩散，最终形成掩埋型光波导。制备的波导截面显微形貌及对应的折射率分布如图6所示，波导为类圆形，横向宽度约50μm，总深度约55μm，核心区折射率约1.52，基底约1.50，呈高斯型渐变，与VCSEL和OM3光纤可实现高效耦合，850nm波长下传输损耗约0.1dB/cm，与OM3光纤单端耦合损耗约0.1dB。

图6（a）玻璃波导截面图；（b）对应的折射率分布图

完成波导制备后，在玻璃晶圆上制作铜互连线路。通过旋涂光刻胶、紫外曝光、显影确定线路图形，沉积铜种子层后电镀增厚，并采用化学镀镍钯金形成保护层，最后划片分割为电路单元和波导单元。封装工艺的关键在于研磨反射面：电路单元需研磨出45°反射角，边缘距焊盘需控制在50μm以内，过则损伤焊盘，不足则无法对准波导；波导单元同样研磨反射角并抛光。为测量波导单元含反射面的插入损耗，采用850nm激光从端面耦合输入，经反射后垂直接收（见图7），测得损耗约0.4dB，表明反射设计满足低损耗要求。

图7 波导单元插入损耗测试系统装置

随后将电路单元与波导单元置于涂覆粘合剂的玻璃垫片上，在显微镜下对位贴合，固化后如图8所示。

图8 固化后电路与波导单元显微图

在焊盘上植金球后，通过倒装焊分别贴装Driver芯片和VCSEL芯片，芯片衬底朝上以便后续加装散热。最后，将光路板铜电路与PCB的QSFP接口进行引线键合（见图9），完成外部互连。

图9 引线键合后的光路板样品实物图

使用四芯FA跳线与波导端面耦合对准，在最大光功率位置固化，耦合FA后的样品如图10所示。从VCSEL至FA跳线的整体插入损耗为1.7dB，其中VCSEL到玻璃基板耦合损耗约0.9dB。

图10 耦合FA后样品实物图。（a）样品整体；（b）耦合区域放大图

3 高速性能测试

4 结论

综上，刘旭团队基于玻璃波导与倒装焊工艺成功制备了光电共封装光路板，实现了850nm波长下1.7dB的整体插入损耗，并完成了单通道112Gb/s PAM4高速信号传输，为板级高速光互连提供了可行的技术方案。后续研究将聚焦于优化结构设计以提高工艺容差和可扩展性，选用更高带宽光电器件并增设顶部散热以支持更高速率，同时增加波导通道数量，最终实现大尺寸、高密度的玻璃基集成光路板，为下一代数据中心和AI集群的短距互连瓶颈提供突破性支撑。

来源：刘旭, 禹益君, 马麟, 等. 基于玻璃波导基板的光电共封装高速互连技术研究[J]．红外与激光工程, 2026, 55(6):20260227. 侵删

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