京瓷：CPO模块的无源对准电光同步安装(SIEOM)技术

https://ieeexplore.ieee.org/document/11302735 在生成式AI、机器学习与云计算的驱动下，数据中心的流量与功耗持续攀升，对低功耗、低延迟数据传输的需求日益迫切。传统电互连与板级光模块已难以满足这一诉求，而共封装光学（CPO）技术通过将光电转换器与CPU、GPU等处理单元（xPUs）近距离集成，缩短电互连路径，实现了功耗降低与带宽密度提升，成为行业关注的焦点。

2023年，光互联论坛（OIF）发布实施协议（IA），明确了CPO模块的结构与传输条件，为技术标准化与产业化奠定基础。然而，CPO模块的实现面临高精度光电耦合对准的核心挑战——传统有源对准需专用设备且需器件通电，生产效率受限；无源对准虽可采用通用倒装芯片键合机，但有机基板的尺寸偏差、反射镜安装精度不足等问题导致难以达到足够的耦合精度。为此，京瓷公司研发了同步电光安装（SIEOM）技术，通过基于CNC的补偿式无源对准，实现了光电转换器与聚合物波导的高精度集成，满足32 Gbps NRZ传输的耦合效率要求。 一、CPO模块核心结构设计 CPO模块的结构设计严格遵循OIF IA文档标准，核心由光电转换单元与集成波导的基板构成。模块采用两颗尺寸为5×5 mm²的四通道硅光子（SiPh）器件，作为核心光电转换器，集成了集成电路（IC）、激光二极管（LD）、光电二极管（PD）及马赫-曾德尔调制器等关键组件。这些SiPh器件倒装芯片安装于33.6×21.0 mm²的有机基板上，相较于引线键合方式，大幅减小了模块占位面积、降低了剖面高度，并优化了散热性能。

基板上集成了聚合物波导与反射镜，波导终端通过多模光纤连接外部系统，实现光信号的高效收发。SiPh器件的光信号传输依赖于垂直聚合物波导（光学引脚）——LD发射的光经MZM调制后，通过光学引脚垂直于SiPh器件平面射出，再经反射镜反射后改变传播路径，耦合至基板平面内的波导中。为确定光学引脚到镜体的最优入射位置，研发团队通过光线追踪仿真完成了光路设计优化，确保光信号耦合效率最大化。 二、安装对准容差的关键约束与优化 CPO模块的传输性能高度依赖于光学损耗的控制，其中光电耦合界面的对准偏差是主要损耗来源之一。经链路预算计算，光学引脚与波导之间的位置偏差导致的光损耗需控制在0.6 dB以内，这对安装对准精度提出了严苛要求。

为明确所需的安装精度，研发团队搭建了对准容差测试平台：通过引线键合激活SiPh器件的LD，利用微操纵器沿x、y、z三轴施加可控位移（x轴为光学引脚阵列方向，y轴垂直于x轴，z轴为高度方向），测量不同相对位置下的发射端（Tx）光损耗。测试结果显示，光学引脚沿x轴的排列间距为250 μm，信号反射位置的波动会直接影响波导耦合光量。为缓解反射位置变化导致的焦点突变，模块采用了曲面镜设计，使反射位置随反射镜坡度方向平缓变化，最终实现x轴与y轴方向的对准容差趋于一致。根据测试曲线，要将光路转换段的对准损耗控制在0.6 dB以内，光学引脚与波导的面内对准精度必须达到±5 μm。

三、SIEOM同步电光安装流程解析 针对有机基板尺寸偏差、反射镜安装精度有限、SiPh器件光学引脚个体差异等技术难点，SIEOM技术构建了一套高精度无源安装流程，核心通过“测量-仿真-对准-封装”的闭环实现同步电光互连：

1. 基板制备阶段：在波导核心层形成过程中，采用光刻工艺同步制造与核心层材料相同的对准标记（核心标记），确保对准基准与波导核心层的位置一致性；随后完成反射镜加工与上包层成型。 2. 基板坐标测量：利用计算机数控（CNC）视觉测量系统对整个基板进行扫描，获取核心标记与镜体的精确坐标数据，为后续对准提供基础依据。 3. 最优位置计算：基于CNC测量的坐标数据，通过光线追踪仿真确定SiPh器件的最优安装位置，确保光学引脚与波导的耦合效率最高。 4. 倒装芯片键合：采用通用倒装芯片键合机，以基板上的核心标记与SiPh器件的光学引脚为对准基准，完成器件的高精度安装；同时通过键合机的控制调节z轴位置，保障垂直方向的耦合精度。 5. 界面封装：在光电耦合界面涂抹折射率匹配树脂，既抑制反射损耗，又作为球栅阵列（BGA）焊点的底部填充材料，最终实现每个发射/接收（Tx/Rx）通道4个光学引脚与100个BGA电信号焊点的同步连接。 四、实验结果与性能验证 为验证SIEOM技术的有效性，研发团队制备了包含理想安装位置模块与刻意设置y轴偏移的模块，通过红外显微镜无损检测法观察SiPh器件与基板的内部对准标记，结合预先测量的光学引脚坐标数据，精确估算实际安装位置。横截面观测结果证实，无损检测法的估算精度可靠，且最优安装位置模块的光学引脚完全处于设计目标位置。

性能测试显示，最优安装位置的CPO模块，其光电耦合段的光损耗仅为0.3 dB，满足设计要求；y轴方向存在位置偏移的模块，光损耗随偏移量增大呈规律性上升，与容差测试曲线趋势一致。所有实验模块的光学引脚与波导对准偏差均控制在±5 μm以内，即便采用无源对准方式，仍实现了光路转换段光损耗的有效控制。此外，模块的传输性能已通过单独验证，成功实现32 Gbps NRZ制式的数据传输，比特误码率（BER）低于10⁻¹²。

五、SIEOM技术的核心优势验证 为量化SIEOM技术的优越性，研发团队对比了两种对准方式在±10 μm可接受安装精度范围内的性能：传统方法以器件对准标记为基准，SIEOM方法以光学引脚为对准基准。测试结果显示，传统方法的光学引脚位置偏差波动更大，这主要受有机基板的制造公差影响；而SIEOM方法通过直接以光学引脚为对准核心，结合CNC测量与光线追踪仿真的补偿机制，显著减小了位置偏差波动，确保安装精度满足CPO模块的耦合效率需求。

六、结论 SIEOM技术的研发成功，突破了传统倒装芯片键合仅适用于电连接的局限，实现了CPO模块中光电转换器与聚合物波导的同步电光互连。该技术通过光刻制备的对准标记、CNC精准测量的基板坐标数据，结合光线追踪仿真，在通用倒装芯片键合机上实现了适配波导、反射镜与光电转换器个体差异的高精度无源对准。实验证实，SIEOM技术可将面内对准精度控制在±5 μm以内，光电耦合损耗低至0.3 dB，满足32 Gbps NRZ传输的性能要求，为CPO模块的标准化量产提供了高效、可靠的技术方案。后续将进一步完善传输性能的详细评估与产业化应用验证。