OFC2025 | 光电共封装(CPO)无线接入网中的集成玻璃波导线路

逍遥设计自动化

引言
在无线接入网(RANs)领域，对高容量数据传输和可持续能源效率的需求日益增长。本文探讨了一种创新解决方案：用于光电共封装(CPO)的集成玻璃波导线路，该方案相比传统可插拔光收发器具有显著优势[1]。
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4 A( m$ [! S% i4 K9 x3 _1 L' ?5 E无线接入网中的功率密度挑战
7 F% o* m) a4 V) k; g: z" u当前的无线接入网主要使用可插拔光收发器，这得益于其灵活性和行业标准化。然而，随着数据传输速率提高，这些收发器面临严重的限制。随着比特率增加，这些组件中的功率密度急剧上升 - 达到约1 W/cm2的水平，这使得被动散热系统接近极限。预计下一代200 Gbit/s可插拔收发器将超过1.25 W/cm2，这种热挑战将限制其在许多场景中的应用。

% C& s% }1 l3 b: v" P光电共封装技术通过将光收发器(TRX)和专用集成电路(ASICs)整合到单一封装中，提供了一种有效的替代方案。这种集成显著降低了功耗，从可插拔模块的约25 pJ/bit降至低至5 pJ/bit，同时提供更紧凑的解决方案，带宽密度也有显著提高。

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图1：(a)光电共封装的MIMO(多输入多输出)互连场景示意图，展示了高速光线路如何连接到CPO模块的光端口；(b)3D模型展示了从传统光纤交叉连接到集成玻璃波导线路的演变，该线路配有用于连接收发器和外部激光源的MPO连接器。
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集成玻璃波导技术
- h. m# P3 e! b. U0 m  F# Y$ N本文描述的创新技术是开发了一种集成玻璃波导线路，作为连接多个光收发器和共享外部激光源的紧凑型光学交叉连接。这种方法消除了传统光纤交叉连接的复杂性，特别是在可能需要多达2560个互连的高密度环境中。

研究人员开发了一个2×4 MIMO波导线路，具有七个光端口，每个端口连接到一个多光纤推入式(MPO)连接器，光纤间距为250μm。该线路处理48个光互连，设计在尺寸为50 mm × 100 mm × 0.7 mm的玻璃基板上。该布局专门设计用于评估不同收发器之间的光学交叉连接以进行数据传输，并在多个收发器之间共享分离的激光源。
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5 ~" Y2 x/ k$ z图2：(a)光学交叉连接布局，显示48个波导连接到七个不同的光纤接口；(b)带有七对附加MT导针的玻璃波导(100 mm × 50 mm × 0.7 mm)；(c)附着在玻璃边缘的MPO适配器与匹配的MPO光纤跳线。
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制造工艺
; K4 c6 A6 r# B  n这种单模2D波导线路是通过热离子交换工艺在150 mm含碱玻璃晶圆上制造的。这个多步骤工艺首先创建一个薄膜光刻掩模来定义波导布局，随后进行热离子交换，其中银离子扩散到玻璃中以创建具有较高折射率的区域，形成光波导核心。

去除扩散掩模后，第二次热离子交换工艺将波导核心埋在表面下方，形成对称核心以便与单模光纤更好地匹配模式。然后，晶圆经激光切割获得精确的光学端面质量，并通过皮秒激光烧蚀精确形成MPO连接器接口的U形被动对准槽。最后，直径为550μm的机械传输(MT)导针被动组装到这些槽中，并用盖玻璃盖粘合，然后再连接MPO塑料适配器。

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PCB集成和测试
( Y" R% D. T$ A3 x$ }该技术的一个关键方面是与印刷电路板(PCB)的集成。研究团队进行了广泛的测试，以确保该集成在各种操作条件下的稳定性。
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图3：(a)玻璃与PCB的部分粘合；(b)部分粘合玻璃的完全粘合；(c)带有七个MPO适配器的集成玻璃波导线路测试器件；(d)带有连接器切口和组装玻璃基板的PCB；(e)不同波导配置的插入损耗结果图表。
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在粘合实验中，不同尺寸的玻璃样品使用双组分和单组分粘合剂粘合到多层PCB上。所有样品都经过了严格的热应力测试，从-40°C到125°C进行1000次循环，模拟先进天线系统中无源冷却无线电板的预期操作环境。值得注意的是，测试过程中没有玻璃样品破裂，粘合剂始终保持牢固附着。
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' B# c! x7 t. ~+ Q( _% B( G为了进行粘合实验，研究人员使用了两组不同面积的玻璃样品(5 mm × 5 mm和10 mm × 10 mm)，厚度均为0.7 mm，将其粘合到一块16层Panasonic Megtron 7 PCB上，该PCB尺寸为220 mm × 238 mm × 1.75 mm。测试了两种粘合剂：双组分的Loctite Ablestik 45W1/CAT15和单组分的Loctite Ablestik 2332HF。双组分粘合剂在105°C下固化15分钟，而单组分粘合剂在150°C下固化20分钟。

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% @, D% }; ~* C9 D$ L2 a* L- a, \光学性能
制造的玻璃波导线路的光学性能在1310 nm波长下进行了测量。对于直波导，平均插入损耗测量为1.0±0.1 dB。注入端口1、端口2和端口3的损耗分别为1.3±0.1 dB、1.6±0.6 dB和2.0±0.4 dB。

分析表明，由模式不匹配引起的光纤耦合损耗约为每个接口0.3 dB，50 mm波导的计算最小波导损耗约为0.4 dB。这对应于约0.08 dB/cm的传播损耗，通过优化玻璃成分，有可能降低至
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使用匹配的MT铁芯连接器评估了连接器损耗，显示在两个连接器接口上使用折射率匹配液时，平均波导损耗为2.0±0.4 dB。每个接口的平均连接器损耗测量为0.8 dB，包括0.3 dB的模式不匹配损耗。
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0 ~' }$ l7 b7 d" V/ _; [" ?1 P9 n结论
该研究成功展示了一种集成玻璃波导交叉连接，用于通过光纤阵列连接器连接光收发器模块和分离的外部激光源模块。该系统实现了≤3 dB的数据传输链路预算，对于高密度板级互连是一种可行的解决方案，无需复杂的光纤布线。
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由于采用了MPO连接器接口，该技术与标准PCB制造技术和现代光模块完全兼容。这代表了首次在玻璃中展示单模集成交叉连接用于高密度板级互连，为需要高性能和能源效率的下一代无线接入网提供了有效的解决方案。
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参考文献
' j  |* M  [& i' U/ s; f6 g4 {* L[1] L. Brusberg et al., "Integrated Glass Waveguide Circuit for Co-packaged Optics in Radio-Access Networks," in OFC 2025, 2025, p. Th1G.1.
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