聚合物波导有望实现可靠的大容量光通信

共封装光学（Co-packaged optics, CPO）技术可以将光子集成电路（PICs）与电子集成电路（EICs）（如CPU和GPU）集成在同一个平台上。这项先进技术具有巨大潜力，可显著提高数据中心和高性能运算环境内的数据传输效率。CPO系统需要激光源才能工作，该激光源可以直接集成在硅光芯片中（集成激光源），也可以由外部提供。

虽然集成激光源可以实现高密度的CPO集成，但确保其一致可靠性可能具有挑战性，这可能会影响系统的整体稳健性。相比之下，在CPO中使用外部激光源（External Laser Sources, ELS）可提供更高的系统可靠性。

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单模聚合物波导是许多光子集成电路（PICs）的关键组件，它们帮助将光从外部激光器耦合到PIC中，或在系统内分配光信号。它们除了与电路高度兼容外，还具有成本效益高和机械灵活性的优点。因此，它们在利用ELS的CPO系统中显示出巨大的应用潜力。

如今，由日本产业技术综合研究所（AIST）的Satoshi Suda博士领导的研究团队测试了在玻璃环氧树脂基板上制造的单模聚合物波导的稳定性和可靠性。他们的研究成果发表在《光波技术杂志》（Journal of Lightwave Technology）上，表明这些聚合物波导具有一系列理想的特性，使其有望应用于未来的CPO系统。

Suda博士解释道：“聚合物波导在严苛要求的CPO系统中显示出强大的应用潜力。因此，我们评估了玻璃环氧树脂基板上单模聚合物波导的基本光学特性”。

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概念图：(a) 顶视图和 (b) 基于单模聚合物波导的“有源光学封装基板”的截面图，用于下一代采用ELS的CPO技术。

该团队使用激光直写技术在FR4玻璃环氧树脂基板上制造了11毫米长的聚合物波导。这些波导具有良好控制的纤芯尺寸（9.0 µm × 7.0 µm），适合匹配标准的单模光纤。在制造的八个样品中，它们表现出低的偏振相关损耗（PDL）和低的差分群时延（DGD），并具有优异的均匀性。具有低PDL和低DGD的波导可以通过最小化失真来促进CPO系统内的稳定信号传输。研究人员发现，所制造的波导具有一致的插入损耗和模场尺寸。波导间插入损耗和模场尺寸的微小变化表明它们可以作为高能效的光互连器件，使其适合应用于CPO系统。

此外，在玻璃环氧树脂基板上制造的波导表现出理想的偏振消光比（PER）（这是一个关键指标，反映了波导保持其传输信号特定偏振态的能力）。团队测量了粗波分复用4（CWDM4）标准内所有波长（具体为1271、1291、1311和1331 nm）的PER，并观察到在所有CWDM4波长下PER均超过20 dB，符合基于ELS的CPO系统的光互联论坛（OIF）规范。

此外，在高功率条件下对基于玻璃环氧树脂的波导进行的测试表明，即使连续使用六小时后，波导也能抵抗功率退化，同时表现出极小的发热问题。实验中使用的ELS由古河电气工业株式会社（Furukawa Electric Co., Ltd.）提供，确保了六小时的稳定运行。

Suda博士总结道：“这些发现证明了聚合物波导在严苛要求的CPO系统中实际部署的强大潜力，为下一代高密度、大容量光通信技术提供了可靠的基础”。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1109/JLT.2025.3543339