SENKO共封装光学（CPO）技术：基于扩展光束的可拆卸连接器方案与产业化探索

本文基于Yang Chen于2025年9月8日在台湾台北“SEMICON Taiwan 2025硅光子全球峰会”的演讲内容整理，聚焦SENKO Advanced Components推出的扩展光束可拆卸连接器技术，系统解析其在共封装光学（CPO）领域的需求背景、技术架构、核心挑战及产业化路径。

一、市场驱动背景：CPO技术的需求源起

当前，AI、高性能计算（HPC）、机器学习（ML）及超大规模数据中心的算力与带宽需求呈指数级增长，成为推动光学互联技术向共封装光学（CPO）演进的核心驱动力：

- AI领域：Gemini、Llama3、OpenAI等大语言模型（LLM）的训练与推理过程，对数据传输的速率、时延及能效提出严苛要求；

- HPC领域：Microsoft Azure等高性能计算平台需低损耗、高带宽的光学链路支撑大规模并行计算；

- ML领域：DataRobot、Google DeepMind等平台的模型迭代依赖稳定且高效的数据流交互；

- 超大规模数据中心：AWS等数据中心的集群规模持续扩张，对光学模块的密度、功耗及全生命周期成本控制提出更高标准。

二、技术演进路径：从可插拔到CPO的必然过渡

随着数据传输速率从100G向400G、800G、1.6T、3.2T乃至12.8T及以上升级，传统光学互联方案逐渐暴露瓶颈，共封装光学（CPO）成为突破性能与能效限制的关键方向：

- 演进脉络：光学互联技术依次经历“可插拔光模块（Pluggable Transceiver）—板载光学（On-board Optics, OBO）—共封装光学（CPO）”三个阶段。其中，传统可插拔光模块的功耗约为20 pJ/bit，而CPO技术可将功耗降至5 pJ/bit以下，能效提升显著；

- CPO核心优势：以51.2T CPO系统为例，相较于同速率的800G笼式可插拔模块，其系统功耗可降低25%-30%。通过采用1个3.2Tb硅芯粒替代4个800G可插拔模块，CPO可缩短ASIC与光学元件的互联距离，减少能耗损失，同时简化CPU、时序模块及辅助供电链路的设计复杂度。

三、CPO市场关键趋势

1. 多技术协同共存：短期内，可插拔光模块、OBO与CPO将在不同应用场景中协同存在，不存在单一技术完全替代的情况；

2. 硅光子（SiPh）驱动集成升级：硅光子技术为可插拔光模块提供集成化基础，而CPO将进一步依托SiPh技术提升光引擎的集成度，InP与SiPh两种技术平台将形成互补发展格局；

3. 产业化时间线清晰：CPO技术目前已进入样机验证阶段，行业普遍预计2028年实现规模化量产部署；

4. 速率演进与挑战：光模块速率从2014年的100G逐步升级，2023年达到1.6T，2025年将实现3.2T，2027年突破6.4T，2030年有望达到12.8T。但传统可插拔形态面临技术瓶颈，224G SerDes速率的持续迭代难度加大，3.2T光模块的可插拔部署已难以满足系统集成需求。

四、SENKO完整CPO技术方案

SENKO针对CPO系统的互联需求，构建了以“可拆卸光纤到芯片耦合器（D-FAU）”为核心的全链路解决方案，其核心架构与关键组件包括：

- 核心功能元件：可拆卸光纤到芯片耦合器（D-FAU），是实现CPO系统维护性与可靠性的核心，解决了传统固定连接方案的维修难题；

- 关键硬件组件：金属光学平台（MOB）、非球面镜、传输光纤、玻璃盖板、扩展板、光学I/O接口及硅光子芯片，各组件协同实现高效光信号传输；

- 连接器产品矩阵：涵盖主机连接器、MPC36连接器、SN-MT背板连接器、模块连接器、光学背板连接器、SN'-MT连接器、迷你MBMC连接器等，覆盖CPO系统从芯片到背板、从模块到主机的全节点互联需求。

五、可拆卸性：CPO系统的核心设计诉求

1. 可拆卸性的必要性

在CPO系统中，封装处的可拆卸性是保障系统经济性与可靠性的关键：一方面，多芯片模块（MCM）成本高昂，无人愿意因单根光纤故障导致整个MCM报废；另一方面，MCM周边若悬挂千余根固定光纤，将显著增加系统组装复杂度与维护成本，因此可拆卸设计成为必然选择。

2. 可拆卸方案分类（按互联节点）

- 光学可拆卸vs电学可拆卸：光学可拆卸指光纤与光电器件（OE）采用永久连接；电学可拆卸指光电器件通过电插座与基板实现可拆卸连接；

- 板中可拆卸：光纤通过短跳线与光电器件永久连接，再通过板中连接器与外部电缆对接，实现板级互联的可拆卸；

- 封装边缘可拆卸：插座与光电器件永久连接并密封于封装内部，FAU电缆通过封装边缘的插座实现可拆卸连接；

- 芯片边缘可拆卸：FAU电缆直接与光电器件实现可拆卸连接，无需依赖芯片上的额外插座结构（或可选配插座）。

六、可拆卸光子集成电路（PIC）的当前发展现状

目前，可拆卸PIC领域仍处于标准化与技术验证阶段，核心行业现状包括：

- 标准缺失：行业尚未形成统一的D-FAU技术标准，各厂商技术路线存在差异；

- 数据碎片化：不同D-FAU供应商的技术参数与性能数据缺乏统一收集与对比体系，且各厂商的技术成熟度参差不齐；

- 核心评估维度：高产量制造（HVM）的技术准备与产能规划、功耗成本平衡、系统扩展性、无需代工厂工艺设计套件（PDK）修改、企业财务稳定性、连接器高度适配性、长期可靠性、边缘/表面耦合兼容性、晶圆级测试能力、单模/保偏光纤（SMF/PMF）适配性等。

七、CPO可拆卸连接器的核心技术挑战与解决方案

CPO系统中，可拆卸连接器需突破四大核心技术挑战：光子集成电路（PIC）光学I/O与光纤的高效光路设计、精密对准机制、与晶圆级封装（WLP）及测试流程的兼容性、机械锁定与定制化连接器设计。

1. 挑战一：高效光路设计（光学布局）

光学布局需满足四大核心要求：适配边缘或垂直耦合拓扑、匹配模场分布条件、放宽对准公差、兼容可拆卸应用场景。

- 边缘耦合：优势为带宽性能优异、组件高度低；劣势为对准公差严苛、宽度方向耦合密度受限；

- 表面/垂直耦合：优势为支持晶圆级检测、宽度方向耦合密度高；劣势为带宽潜力受限、需预留一定安装高度、易受晶圆翘曲影响。

◆ 扩展光束耦合器的技术突破

扩展光束技术是解决光路效率与对准公差矛盾的关键，其核心特性包括：

- 公差权衡：对于模场直径（MFD）为40-5 μm的扩展光束，可显著放宽线性偏移公差，但会收紧角度偏移公差，该权衡被行业视为“可接受的性能代价”；

- 最优MFD选择：在127μm间距的高密度场景中，MFD处于40-50μm区间的扩展光束可实现最佳性能，有效抑制邻道串扰；

- 高密度连接器设计：SENKO基于扩展光束技术，开发出127μm间距的16通道高密连接器，及MPC系列（8通道、16通道、20通道、6通道）连接器，尺寸分别为3.2mm、4.4mm、5.0mm、6.8mm，搭配自由曲面微镜阵列与玻璃盖板，满足CPO系统的高密度集成需求；

- 冲压镜光学质量控制：通过精密冲压工艺制造的微非球面镜，其表面粗糙度参数（面算术平均粗糙度Sa、面均方根粗糙度Sq）与形状误差控制精度优异。对690个样品的统计显示，形状误差可控制在100nm以内，满足光信号低损耗传输要求。

2. 挑战二：精密对准机制

精密对准需满足四大技术指标：基于光学性能需求提供精准对准、支持多次插拔的可重复性、不同连接器与PIC的互换性、适配大规模量产HVM流程。目前主流对准技术的特性对比及SENKO的创新方案如下：

- 共形贴合（多接触点）：优势为对准精度最高、负载承载能力强、结构动力学稳定性好；劣势为可拆卸性差、高精度制造难度大、需依赖分布弹性变形与较大预紧力；

- 过约束（多接触点）：优势为对准精度优于精确约束、结构刚度更高、负载能力强、可重复性接近精确约束、支持多次可拆卸操作；劣势为需施加一定预紧力；

- 精确约束（运动学耦合，少接触点）：优势为具有唯一静止位置、热稳定性优异（热中心特性）、可重复性最高、支持多次可拆卸；劣势为结构刚度最低、负载承载能力弱、预紧力需求小、结构动力学性能差。

◆SENKO弹性平均技术（SEAT™）

针对运动学耦合“可重复性优但对准精度低”的痛点，SENKO推出专利技术SEAT™（专利号：US 11,808,999 B2），其核心优势包括：

- 同步实现高可重复性与高对准精度；

- 提升连接器结构刚度，优化力学稳定性；

- 制造成本可控，适配HVM量产流程。

◆ SEAT™技术的性能验证

- 可重复性测试：将SEAT™ D-FAU与插座集成于PIC（每个PIC含N个环回通道），每个D-FAU与PIC组合进行20次插拔操作，累计获取1800组环回插入损耗（IL）数据。测试结果显示，光纤到芯片接口的可重复性标准偏差σ=0.057dB（±3σ）；

- 互换性测试：每个带插座的PIC与14个不同D-FAU连接器进行匹配测试（每个D-FAU重复3次），结果显示“光纤到芯片+MPO到MPO”复合接口的互换性标准偏差σ=0.19dB，同一PIC与不同D-FAU的混配误差可控制在±0.57dB（±3σ）以内。

3. 挑战三：机械锁定与定制化连接器设计

- 机械锁定技术要求：需根据对准机制的特性提供匹配的夹紧力、满足客户系统的空间布局限制、保障连接器的机械稳定性与应变消除能力；

- 多芯片模块（MCM）专用连接器：SENKO开发了用于MCM的成组可拆卸连接器（专利申请中），单个连接器可支持约300根光纤的并行互联，满足CPO系统的高密度互联需求。

4. 挑战四：与晶圆级封装（WLP）及测试流程的兼容性

晶圆级封装与测试需满足三大核心要求：支持早期阶段测试、采用无源测试流程（降低成本）、插座兼容回流焊等封装工艺。

◆ SENKO晶圆级工艺解决方案

1. 制备硅光子晶圆；

2. 可选工艺：安装微光学元件（采用无源或有源工艺），用于光信号的重定向；

3. 晶圆级安装SEAT™插座（采用无源或有源工艺）；

4. 基于已安装的插座开展光学测试或光/电联合测试（全程采用被动工艺）；

5. 晶圆切割，筛选出已知合格裸片（KGD）；

6. 最终测试及可拆卸连接器电缆安装（被动工艺）；

7. 后续集成流程：封装体到交换机盒（需多次回流焊与柔性基板清洁）、MCM级测试（被动工艺）、封装体到MCM（需多次回流焊与柔性基板清洁），可选流程为封装体到光引擎封装（需多次回流焊与柔性基板清洁）。

八、行业认可与生态合作

SENKO的CPO可拆卸连接器技术已获得行业头部企业的认可，核心合作与展示包括：

- 在2025年OFC会议上展示可拆卸金属PIC耦合器（MPC）及板中连接器；

- 正式加入NVIDIA光子生态系统，相关合作在2025年GPU技术大会（GTC）上宣布。

九、技术总结

1. 光纤到PIC可拆卸连接器的核心技术突破点在于精密对准机制的创新，需在可重复性、精度与成本间实现平衡；

2. 扩展光束技术是适配光纤到PIC可拆卸场景的关键方案，可有效放宽对准公差，保障光信号低损耗传输；

3. SENKO基于扩展光束与SEAT™技术，成功开发多通道可拆卸光纤到PIC连接器，其D-FAU的光纤到芯片接口可重复性达0.057dB，“光纤到芯片+MPO到MPO”接口互换性达0.19dB；

4. SEAT™技术的设计特性使其可完美适配晶圆级封装与测试流程，为CPO技术的高产量制造奠定基础。