CPO 的光为什么从外面送进来：一根聚合物波导的六小时高功率测试

共封装光学把光子芯片搬到计算芯片旁边，激光器放哪里就成了必须先回答的问题。直接集成进硅光芯片，密度高但要面对较高的失效率；把光源挪到封装外面再用波导送进来，可靠性和可维护性都更好。日本产业技术综合研究所的一支团队把玻璃环氧基板上的单模聚合物波导做成了这条送光通道的候选，在每通道 20 dBm 的连续光输入下测了六小时，给出了插入损耗、偏振消光比和温升的具体数字。

编译自 Journal of Lightwave Technology 43(10), 4903-4912 (2025)　·　开放获取

共封装光学把光子芯片搬到计算芯片旁边，激光器放哪里就成了必须先回答的问题。

摆在面前的只有两条路。一条是把激光器直接集成进硅光芯片，好处是封装密度高，坏处是激光器一旦失效，整颗芯片可能一起报废，可靠性要另想办法去兜。另一条是把光源做到封装外面，用波导把光送进来，这就是所谓的外置光源，英文缩写 ELS。外置光源的好处是可靠、便于维护，行业还专门为它定了一份可插拔光模块的实现协议，叫 External Laser Small Form Factor Pluggable。

外置光源方案里，把光从封装外引到光子芯片上的那一段波导，成了关键零件。它要在封装基板上做，要能批量制造，还得扛得住高功率的连续光。日本产业技术综合研究所的 Satoshi Suda、Akihiro Noriki、Haruhiko Kuwatsuka、Fumi Nakamura、Yuki Atsumi、Takayuki Kurosu、Tadashi Murao 与 Takeru Amano 在 Journal of Lightwave Technology 上给出了这类波导的一份完整表征。

为什么是聚合物，为什么是玻璃环氧基板

波导材料的选择有几条硬约束。

它得能和单模光纤对上。光纤的模场直径是有标准的，波导的核心尺寸要接近这个值，耦合损耗才能压下来。团队用直接激光写入的方式在玻璃环氧基板上做出了长度 11 毫米的波导，核心尺寸做到 9.0 微米乘 7.0 微米，正好用来和标准单模光纤匹配。

玻璃环氧基板是常见印制板材料，用它而不是硅，看中的是成本和制造兼容性。团队用的是 FR4 玻璃环氧基板。论文的出发点也在这里：这类波导便宜，机械上柔韧，和电路的兼容性好，所以在使用外置光源的共封装光学系统里有应用前景。

聚合物有它天然的问题。长期高功率照射下，聚合物会有光化学降解的风险，温度也会升高，升高之后折射率又会变。这类材料能不能胜任送光通道，靠原理推是不够的，得把高功率测试跑出来。

图1　玻璃环氧基板上的单模聚合物波导截面与光纤耦合结构（依据原文第 2、3 节绘制）

偏振是外置光源方案里最要紧的一项

外置光源系统对波导有一项特别的要求，是偏振。

光在光纤和波导里传播时，两个偏振态会以略不同的速度前进，也会受到不同程度的损耗。速度差叫差分群时延，简称 DGD；损耗差叫偏振相关损耗，简称 PDL。这两项在长距离通信里是老问题，在外置光源方案里更要紧，因为从封装外送进来的光，偏振状态需要在进入光子芯片之前保持稳定可控。

衡量这项能力的指标叫偏振消光比，简称 PER。论文在 CWDM4 标准的四个波长上测了 PER，分别是 1271、1291、1311 和 1331 纳米。结果是所有波导、所有波长上的 PER 都超过 20 分贝，偏振控制是稳的。20 分贝这个门槛对应的是外置光源类共封装光学系统的行业要求。

PDL 方面，论文给出的数值小于 0.5 分贝。DGD 更小，在 O 波段小于 0.2 皮秒。这两个数字都落在很低的区间，意味着信号在波导里传输时引入的失真很有限。

一致性也是论文特别提的一项。团队做了八根波导，测下来插入损耗和模场尺寸的差异都很小，八根之间的均匀性良好。批量制造时，一致性往往比单件指标更难保证，论文把这一项列出来，说明制造工艺已经稳得住。

六小时连续照射下的温升

高功率可靠性测试是这篇论文的核心。

测试条件是用每通道 20 dBm 的连续光输入到波导里，持续六小时。20 dBm 换算过来是 100 毫瓦，对于一根送光波导来说，这个功率已经不低。测试过程中，论文观察到的输入输出线性度很好，六小时里没有测到可察觉的功率衰减。

温升方面，论文给出的数字是约 4.4 摄氏度。这个升温幅度与理论预测一致，说明波导的热行为可以被模型描述，设计时有据可循。对于嵌在封装里的光学零件，温升直接关系到周围器件的工作温度，4.4 摄氏度这个量级是可以接受的。

实验用的外置光源由古河电工提供，能够支撑六小时的稳定输出，这一点在论文里也做了说明。光源本身的稳定性是这类测试的前提，如果光源自身在漂移，波导的表征就无从谈起。

图2　CWDM4 四波长下的偏振消光比与 20 dBm 连续光六小时温升测试（依据原文第 4、5 节绘制）

把结论放进系统里看

这篇论文给出的是一个候选零件的表征，不是一整套共封装光学方案的验证。

要留意的是尺度和条件。测试的是 11 毫米长的单根波导，在 20 dBm 的连续光下六小时。实际系统里的送光通道可能不止一根，功率密度和热耦合会更复杂；封装里的机械应力、湿度、温度循环这些长期可靠性因素，论文没有覆盖。六小时是加速测试，推不到产品寿命，论文也没有给出外推的模型。

即便如此，这篇论文解决的是外置光源路线里一个具体的疑点：聚合物波导在高功率下撑不撑得住。答案是撑得住，前提是偏振控制达标、温升可控、批次一致。这几项都给出了数字。

共封装光学从集成功率源往外置光源走，逻辑上是在用系统的复杂度换可靠性。多一段波导、多一次耦合，就多一份损耗；但换来的是激光器可更换、可冗余。聚合物波导如果能把各项指标稳定在中高端水平上，这条路线就少了一个不确定项。

内容来源：Journal of Lightwave Technology, Vol. 43, Issue 10, pp. 4903-4912 (2025)

原文标题：High-Power Stability and Reliability of Polymer Optical Waveguide for Co-Packaged Optics

作者：Satoshi Suda, Akihiro Noriki, Haruhiko Kuwatsuka, Fumi Nakamura, Yuki Atsumi, Takayuki Kurosu, Tadashi Murao, Takeru Amano

原文链接：https://doi.org/10.1109/JLT.2025.3543339

许可协议：Open Access（依 Optica / IEEE 开放获取条款，https://opg.optica.org/abstract.cfm?uri=jlt-43-10-4903）

配图说明：图1、图2 为本文依据原文献数据自行绘制。

改动声明：本文在其基础上进行了中文编译与删节，未改变技术结论与原始数据。

来源：21ic电子网

作者：Ayase