ECTC 2026 Intel重磅：玻璃耦合器+扩束连接器detachable端面耦合CPO架构

要实现上述CPO架构的规模化部署，可分离的光耦合技术不可或缺，它直接决定了CPO模块的良率、测试便利性、现场可维护性与量产成本。目前行业内主流的光耦合方案各有优劣：直接V型槽光纤附着方案的PIC绝对岸线带宽密度为4-8Tb/s/mm，统计PIC-光纤耦合损耗小于2dB；带玻璃耦合器的光纤边缘耦合方案带宽密度可达20Tb/s/mm，统计耦合损耗同样小于2dB；带玻璃耦合器的光纤垂直耦合方案带宽密度进一步提升至50Tb/s/mm，统计耦合损耗小于1.5dB；而光波导耦合方案的带宽密度可超过100Tb/s/mm，统计耦合损耗小于1dB。

其中，采用一维或二维扇出玻璃耦合器结合扩束连接器的边缘耦合与垂直耦合方案，同时兼顾了PIC岸线密度的可扩展性、高效的光学性能与光纤阵列的可分离性，成为当前最具量产潜力的技术路线。本次研究便以玻璃耦合器+扩束连接器的边缘耦合架构为核心，深入剖析其技术构成、分析方法与实测性能。 二、端面耦合CPO架构核心组件技术细节 本次提出的端面耦合解决方案由玻璃扇出耦合器与可分离扩束连接器两部分组成，实现了从PIC端面到光纤端面的密度映射、端口映射与模式转换。玻璃耦合器内置光波导，一侧与PIC上的模斑转换器（SSC）匹配，另一侧与连接器的透镜阵列匹配；扩束连接器则作为可分离接口，通过光束扩束技术放宽对准精度要求，同时保证插拔的可靠性与重复性。 （一）玻璃耦合器的设计与实现 研究中采用的玻璃耦合器集成了通过直接激光写入技术形成的三维光波导，同时带有机械对准特征，可实现与PIC的被动对准。这种结构不仅支持高密度的三维光路布线与扇入扇出功能，还能兼容包含二维光纤或透镜阵列的连接器，为进一步提升通道密度预留了空间。

为匹配硅PIC的接口设计，玻璃耦合器上加工了微米级的圆柱凸起，其作用模拟光纤纤芯，激光写入的光波导精确位于圆柱凸起的中心位置。值得注意的是，在24个信号通道中，仅让少数几个圆柱凸起与PIC的V型槽接触，其余凸起均做尺寸缩小处理以避免接触，这种设计有效减少了过约束问题，降低了整体对准偏差。此外，玻璃耦合器的波导内部集成了模斑转换器，可在光纤侧与PIC侧分别实现精准的模场控制与匹配，进一步降低耦合损耗。

（二）扩束连接器的设计优势 传统“尾纤式”光纤阵列单元（FAU）需永久附着在PIC的V型槽上，存在现场可维护性差、封装良率低的致命缺陷。为解决这一问题，研究团队将已验证的可分离扩束连接器与上述玻璃耦合器集成，构建了模块化的光子封装架构。

该扩束连接器采用金属对准销实现连接器两侧透镜阵列的精密对准，同时通过两侧的磁铁提供保持力，支持操作人员手动完成插拔操作。在装配过程中，连接器的透镜阵列与玻璃耦合器、光纤阵列分别进行有源对准，以最小化可分离界面的损耗与失准敏感度；完成装配的玻璃耦合器-连接器单元，再通过热压键合（TCB）这一高精度工艺与PIC连接，进一步降低非可分离界面的对准误差。整个设计的核心目标是实现从PIC到光纤的低插入损耗，以及在多次插拔循环下通道间的低损耗波动与高重复性。 三、多尺度多通道光学分析方法论 对耦合架构进行精准的光学建模分析，是确定量产级损耗指标与设计规则的前提。由于该架构的光路径跨越了多个数量级的物理尺度，单一的数值模拟工具无法兼顾精度与效率，因此研究团队提出了多尺度光学分析方法，并结合多通道蒙特卡洛分析实现了对量产性能的真实表征。 （一）多尺度光学分析流程 完整的光路径从标准单模光纤出射开始，经光纤端面的微透镜扩束并准直为自由空间光束，再由玻璃耦合器侧的微透镜重新聚焦进入玻璃波导，最终通过边缘对接耦合进入PIC的模斑转换器。这一路径涵盖了纳米级的PIC导波结构、微米级的玻璃波导与微透镜，以及毫米级的连接器自由空间传播区域，不同区域的几何尺度与光学行为差异显著。

针对这一特点，研究团队采用了分区域的数值模拟策略：对于光纤与玻璃波导这类横截面均匀的导波结构，使用本征模分析快速准确地获取模场分布、传播损耗与弯曲损耗；对于片上端面耦合倒锥形模斑转换器，采用本征模传播法高效模拟模式转换过程；对于所有自由空间区域，包括光纤到微透镜、连接器扩束界面、微透镜到玻璃波导以及到SSC耦合界面的传播，使用物理光学传播（POP）方法，在不过度增加计算量的前提下精准捕捉衍射与光束整形效应。 为解决多工具间数据交换复杂、手动执行效率低下的问题，整个多尺度模拟流程被集成在基于Python的自动化API框架中，支持高效的参数扫描与统计采样，为后续的多通道蒙特卡洛分析奠定了基础。 （二）插入损耗的定义与分解 研究中明确了两个核心的插入损耗（IL）指标，用于全面表征CPO互联的性能。第一个指标是单程插入损耗（P2-P1），指从外部光纤到PIC模斑转换器的完整光路径损耗，包含连接器界面损耗、玻璃波导传播损耗以及玻璃波导与PIC SSC的界面损耗，是衡量耦合接口本身性能的通用指标，其大小受光纤与透镜、透镜与透镜、透镜与玻璃波导、玻璃波导与PIC SSC的横向与角度对准公差，以及波导传播损耗、界面反射等因素共同影响。

第二个指标是全环回插入损耗（P2-Q2），包含两次单程插入损耗、PIC环回波导的衰减以及PIC有源器件的损耗，主要用于表征采用外置激光器的CPO方案中，激光器与PIC发射端口之间的链路损耗。两个指标的参考点均统一设置在外部光纤的P2位置，确保了测试与仿真结果的可比性。 （三）多通道蒙特卡洛分析的关键要点 与电互联不同，光耦合接口的损耗对微米级的对准偏差极为敏感，在设计合理的系统中，量产性能主要由制造与对准偏差而非标称设计决定，因此只有通过完整的蒙特卡洛分析得到的统计损耗分布，才能真实反映高量产场景下的性能，用于损耗合规性检查与不同方案的性能对比。

进行蒙特卡洛分析的前提是通过全面的机械分析，识别所有影响损耗的偏差因素及其作用机制。以PIC-玻璃耦合器界面为例，该界面采用V型槽被动对准，偏差因素可分为两类：一类是仅影响单个通道的自身偏差，包括PIC SSC在yz平面的位置、耦合器波导在yz平面的位置；另一类是影响所有通道的阵列级偏差，包括PIC与耦合器在x轴的间距、耦合器圆柱凸起半径、V型槽顶部开口宽度。其中，垂直高度方向的偏差控制难度远高于横向，因为对称的V型槽结构对横向失准具有更好的抑制作用。 特别需要注意的是，由于耦合器的整体位置仅由少数接触通道决定，圆柱凸起半径与V型槽开口宽度的偏差会导致耦合器产生倾斜，进而使不同通道的高度偏差呈现出通道依赖性，边缘通道的高度偏差通常最大。每个通道的总失准是阵列级偏差与该通道自身偏差的叠加，这一特性必须在多通道蒙特卡洛分析中完整体现。

在计算单元良率与损耗的对应关系时，研究团队对比了三种方法：仅使用接触通道的损耗、使用边缘通道的损耗、动态选取每个蒙特卡洛样本中损耗最大的通道作为单元性能代表。结果表明，前两种方法分别会得到过于乐观和偏保守的结果，而第三种动态最差通道法能够同时捕捉阵列倾斜与单通道偏差的影响，是最符合高量产场景的严格方法，能够在性能与设计规则要求之间实现最优平衡。

四、测试结果与模型相关性验证 研究团队制备并封装了完整的可分离端面耦合CPO样品进行插入损耗测试。装配流程为：首先将连接器与玻璃耦合器进行主动对准，再将该单元整体通过热压键合与PIC连接，最后安装热盖完成封装，可分离连接器能够紧凑地布置在散热片下方，不影响封装的整体散热设计。

测试采用1310nm激光源作为输入，通过偏振控制器将光调整至最优偏振状态，利用光开关选择不同的环回通道，光信号经PIC环回后通过同一连接器返回，由功率计测量接收光功率，并根据定义的参考点换算为插入损耗。

测试结果显示，两个代表性封装样品的4个通道，单程插入损耗平均值约为-1.55dB，完全落在模型预测的(-2.06, -1.2)dB范围内；包含PIC波导的全环回插入损耗平均值约为-3.3dB，同样处于模型预测的(-4.4, -2.6)dB区间内，所有实测值均处于行业领先的低损耗水平。

在可靠性与重复性方面，样品在5次插拔循环中的插入损耗变化远小于0.01dB；在2025年国际超算大会的现场演示中，该架构经历了超过100次插拔操作，未出现任何部件失效，性能变化仍保持在远小于0.01dB的水平，充分证明了其优异的机械稳定性与光学重复性。 五、结论与未来工作 本次研究成功验证了基于玻璃扇出耦合器与可分离扩束连接器的边缘耦合CPO架构的低损耗与高可靠性，光纤到PIC的单程耦合损耗约为-1.55dB，插拔损耗波动远小于0.01dB，性能指标在行业已报道的可分离CPO方案中极具竞争力。 该架构的可分离特性带来了显著的工程化优势：无需永久光纤尾纤即可简单、重复地建立光链路，大幅简化了系统集成与搬运流程；降低了装配复杂度，同时支持在最终装配前完成电与光的独立验证，有效提升了良率并降低了成本；兼容晶圆级与封装级的装配测试流程，且玻璃耦合器支持从一维到二维阵列的扩展，能够满足未来更高带宽密度的光互联需求。 未来，研究团队将在以下方向持续推进：开展新型耦合架构的光学建模与测试验证；完成有源链路的演示与误码率测试；引入机器学习技术优化设计规则，加速封装设计套件（PDK）的开发流程；构建电光系统端到端联合仿真流程，量化先进封装带来的功耗收益；最终实现基于硅工艺与先进封装技术的完整端到端CPO工艺解决方案。