ECTC 2026：康宁新型CPO兼容玻璃和低损耗高密度光纤连接波导技术

一、研究背景与技术挑战

人工智能算力的爆发式增长正在重塑数据中心互连架构，更高带宽、更低功耗与更大规模光I/O的需求持续攀升。共封装光学（CPO）通过将光器件集成至电子封装内部缩短电互连路径，依托硅光子学的CMOS兼容大规模制造能力，成为应对下一代互连压力的核心方案。

当前CPO落地的核心瓶颈之一，是单模光纤阵列与光子集成芯片（PIC）之间的高可靠、低损耗耦合。现有边缘耦合、光栅耦合、倏逝耦合等方案均在损耗、对准容差、占用面积、带宽与偏振特性上存在权衡。而规模化部署还要求封装工艺同时支持可插拔光纤连接与标准电子组装流程。

行业现有方案多采用扩展光束自由空间耦合，配合微光学元件实现PIC与光纤阵列的光束准直，支持倒装焊电子组装后再接入光纤阵列。但要实现电光端口共面的统一组装流程，需要基板同时承载细间距电布线与集成光波导。玻璃基板凭借面板级可制造性、超高表面平整度与优异的热机械稳定性，成为理想的集成载体——目前已实现空腔内5μm线宽电走线的工艺验证，可在玻璃基板上布置电学IC与周边多颗PIC，通过毫米级电走线互连，采用视觉对准的无源倒装焊工艺完成组装，最终在工艺末端接入机械隔离的光纤阵列连接器，实现PIC、基板边缘与互连光缆的光学对接。

在这一架构中，近表面离子交换（IOX）玻璃波导与空腔内薄膜电线路共制备，PIC通过倒装焊倏逝耦合至IOX波导，同时通过微凸块与电重分布层实现电学连接。IOX波导承担光纤连接器与高密度PIC接口的间距转换功能，最低可支持50μm的接口间距。为满足CPO场景的低损耗、近ASIC高温区热可靠性、高通量工艺兼容性三大核心约束，必须开发专门优化的玻璃组分与先进波导设计。

二、面向CPO工况的专用优化玻璃研发

CPO场景的芯片工作温度接近110℃，传统离子交换玻璃中的银离子会在高温下持续扩散，导致波导折射率降低、模场扩大，最终引发耦合失效与损耗飙升，器件寿命无法满足数据中心至少5年的使用要求。同时，面板级制造要求玻璃具备高液相线粘度以实现均匀的大尺寸晶圆与面板成型；光互连性能要求波导折射率对比度Δn>0.025，且传播损耗不超过0.05dB/cm，避免传播损耗成为多芯片互连的主导损耗项。

本次研发的新型CPO兼容玻璃可适配熔拉法玻璃面板成型工艺，已实现规模化制备，同时针对CPO的严苛工况完成了组分定向优化。康宁团队对超过200种适用于离子交换的碱性玻璃体系开展了系统性研究，所有玻璃样品均在325℃至425℃区间内完成不同温度下的离子交换处理。研究人员对测得的一维折射率剖面采用互补误差函数进行拟合，计算得到不同温度下的离子扩散率，并外推至110℃工作温度，最终建立了银离子扩散率的回归预测模型。

筛选结果显示，仅有少数玻璃组分可满足110℃下扩散率低于2×10⁻²¹ m²/s的寿命目标，本次研发的CPO优化玻璃即为其中之一。该玻璃的银离子扩散率约为5×10⁻²² m²/s，在110℃工作温度下运行5年后，波导芯层折射率对比度的变化小于1.5%，远优于商用玻璃——普通商用玻璃在相同工况下首月即出现性能失效。此外，该优化玻璃同时满足面板成型所需的高液相线粘度要求，以及Δn>0.025的波导性能指标，实现了低损耗光学性能、高热稳定性与大规模制造兼容性的独特结合。

三、先进波导设计与实验验证

3.1 制备工艺与直波导损耗表征

研究采用两步法热离子交换工艺制备波导：第一步在玻璃表面定义薄膜掩模，将基底置于硝酸银与硝酸钠的混合熔盐中完成第一次离子交换；去除掩模后，再置于纯硝酸钠熔盐中完成第二次离子交换。整套工艺在直径150mm、厚度0.7mm的玻璃晶圆上完成，晶圆上集成了扇出、截断测试等多种光学电路，最终通过激光切割获得光学端面。

直波导传播损耗采用截断法表征，测试样品长度分别为1.25mm、5mm、7.5mm、10mm与12.5mm，测试波长为1310nm，波导两端采用主动单模光纤探测，并施加折射率匹配油优化耦合。测试显示，每组长度下插入损耗的标准差不超过0.03dB；14根测试波导的平均传播损耗为0.041dB/cm，最优样品传播损耗低至0.0397dB/cm；单端光纤耦合损耗为0.28dB，与仿真得到的IOX波导和单模光纤间0.3dB的耦合损耗理论值高度吻合。

3.2 变折射率对比度弯曲波导创新

弯曲波导是构建复杂光路与高密度扇出结构的核心单元，传统均匀折射率对比度波导的弯曲损耗随弯曲半径减小快速上升，成为限制器件小型化的核心因素。

本次研究的核心创新在于提出分区折射率对比度设计：直波导区域保持低折射率对比度，保障与光纤的高效模式匹配与低耦合损耗；弯曲区域通过增大第一步离子交换的掩模开口宽度，提升局部银离子扩散浓度，获得更高的折射率对比度，增强模式限制能力，大幅降低弯曲损耗。同时依托离子的本征扩散特性，直段与弯曲段之间形成自然的渐变过渡，实现模式匹配，降低过渡损耗。

研究以90°圆弧弯曲作为测试结构，器件两端为直波导，中间为不同折射率对比度的圆弧波导，通过调整掩模开口宽度调控弯曲区的离子浓度与折射率对比度，并通过二维折射近场测量验证了折射率分布的变化。1310nm波长下的测试结果显示，通过局部提升折射率对比度，10mm弯曲半径下的弯曲损耗从4dB/cm降至0.01dB/cm；在弯曲半径小于10mm的区间内，4.5μm及以上的掩模开口可显著降低弯曲损耗。

3.3 高密度扇出器件性能验证

基于上述弯曲优化技术，研究团队设计了16通道光学扇出结构，用于实现标准250μm间距光纤连接器与高密度PIC接口的间距转换。器件采用两组16路S形弯曲波导，分别实现两种规格的间距转换：仅用6mm长度完成250μm到127μm的间距转换，用8mm长度完成250μm到50μm的间距转换。

设计中分别采用欧拉弯曲与圆弧弯曲两种方案，配合空间变化的掩模开口图案，实现弯曲区域的局部折射率对比度增强；直段与弯曲段的过渡依托离子本征扩散自然形成渐变结构，并通过调整横向偏移量进一步优化插入损耗。其中欧拉弯曲的最小物理弯曲半径为6mm，等效弯曲半径为11.5mm；圆弧弯曲的最小弯曲半径为9.9mm。

测试结果显示，总长度约12.5cm的扇出器件，包含两个光纤耦合端面的总插入损耗分别为：欧拉弯结构0.62±0.01dB，圆弧弯结构0.65±0.04dB。损耗构成包括单端面<0.3dB的耦合损耗、0.04dB/cm的传播损耗，以及约0.01dB/cm的弯曲损耗。与采用均匀折射率对比度的波导相比，优化后的扇出结构在最小弯曲半径下，最边缘的第1、16通道损耗最高降低了1.3dB，整体器件总损耗低于0.7dB。

四、结论

本工作成功研发出适配共封装光学场景的新型优化玻璃，并结合分区折射率对比度的先进离子交换波导设计，实现了低损耗、高热稳定、高密度的玻璃基光互连平台。

该平台的核心性能指标包括：1310nm下直波导传播损耗低至0.04dB/cm，单端面光纤耦合损耗<0.3dB；10mm弯曲半径下弯曲损耗仅0.01dB/cm；250μm至50μm的高密度间距转换总损耗<0.7dB。材料层面，优化玻璃的银离子扩散率低至约5×10⁻²² m²/s，在110℃工作温度下可保障5年以上的性能稳定性，远优于传统商用玻璃。

该方案同时兼容熔拉法玻璃面板成型工艺与面板级制造流程，兼具优异的热机械性能与光学性能，为下一代共封装光学与高速数据中心光互连提供了高可靠、可规模化的集成解决方案。

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自微信公众号。原始发表：2026-06-29，如有侵权请联系[email protected] 删除