FAU 為什麼是 CPO 封裝的重要關卡？

SBG 2026-10-13 6.0 KB 14.7K 146 𝕏 文章列表

文章解析 AI 資料中心高速化背景下，光互連中 FAU（光纖陣列單元）在 CPO 封裝中的關鍵角色。內容涵蓋光耦合原理、光纖進入 PIC 的兩種方式（Edge Coupling 與 Grating Coupling）、對準誤差對耦合效率的影響，以及擴束技術（如合聖 Metalens/FAU）如何提高幾何容差。指出擴束的真正產業價值在於讓多通道 FAU 在共用對準機構下維持光學效率與一致性，從而提升製造窗口、封裝良率與規模化量產可行性。

CPO FAU 光互連矽光子光耦合 PIC 擴束封裝 800G 1.6T

# FAU 為什麼是 CPO 封裝的重要關卡？ **作者**: SBG **日期**: 2026-10-12T14:14:48.000Z **来源**: [https://x.com/SBG_jerry_1006/status/2109648985850097953](https://x.com/SBG_jerry_1006/status/2109648985850097953) --- ![Image](/doc/8173/image/img_377de4891dc5.jpg) AI 資料中心走向 800G、1.6T 與更高頻寬，光互連不只要把訊號送得更快，光纖裡的光，怎麼穩定、低損耗地進入矽光子晶片（PIC）？ 1｜一束光怎麼接進另一個元件？光耦合（Optical Coupling）: 是指前一個元件輸出的電磁場，盡可能匹配下一個元件能接收的光學模態，比如free space laser到光纖、光纖到grating coupler、光纖對光纖。耦合效率: 以高斯光為例，直覺上可以想像兩個高斯光：重合、大小相近、波前與偏振相容，代表耦合效率越高；一旦偏移、尺寸不同或相位不匹配，部分光就無法進入目標模態。容易混淆光纖的「大小」。以 Corning SMF-28 Ultra 為例，單模光纖的玻璃包層外徑約 125 µm，指的是整體尺寸，但一般描述光纖會使用模場直徑（MFD）在 1550 nm 約 10.4 µm用於描述光功率分布的尺度，大概會等於高斯光的光腰（beam waist）的 2 倍。 2｜光纖的光如何進入 PIC？ PIC 裡的波導模態(500 nm)通常比一般通訊光纖(10 µm)更小，場型、偏振與傳播方向也可能不同。直接對接，即使幾何中心對齊，也不代表模式匹配。於是需要耦合器，把光纖模式轉換成晶片能接收的模式。常見方式有兩條。第一條是 Edge Coupling（EC）：光纖／FAU → 晶片邊緣 → Spot-Size Converter（SSC）或 taper → PIC 波導。SSC 逐步調整模式尺度，降低光纖與高侷限波導之間的失配。第二條是 Grating Coupling（GC）：光纖／FAU → 晶片表面光柵 → 片上波導；光柵把晶片上方入射的光轉向平面內。GC 可能設計為特定名義入射角，並非一律垂直入射。若是 2D GC，還可能利用雙向光柵與偏振相關設計處理不同模式。之後，光才經由 taper波導進入分波器（Demux）、調變器或光偵測器等 PIC 功能區。 3｜對準差一點，效率差多少？ Alignment 最先控制的是橫向偏移：兩個光場中心沿著接合面的 x、y 方向錯開多少。以兩束相同大小、理想同相的高斯光場為例，若 MFD 為 10 µm，光腰 w 約為 5 µm；橫向偏移 2 µm 時，相對最佳對準的功率耦合效率約為 85%，偏移 5 µm 則約 37%。另一個參數是相對光束傾角：兩束光的傳播方向差了多少。即使光斑中心重合，傾角也會造成橫跨光斑的相位失配，降低模式重疊。詳細可以參考[https://ieeexplore.ieee.org/document/545794](https://ieeexplore.ieee.org/document/545794) 4｜如何提高幾何容差光斑小，稍微平移就容易錯開。那能不能把光束放大，讓耦合不那麼敏感？合聖（AuthenX）於 OFC 2026 發表的相關 Metalens／FAU 耦合研究（Th2A.8，DOI：10.1364/OFC.2026.Th2A.8），正是值得關注的架構案例。光纖端的小模場先經透鏡 L1 ，形成較大的近似平行光束，跨過元件之間的接合區；另一側再由 L2 聚焦，讓光重新匹配 GC 或其他接收結構。光纖 → L1 擴束 → 大光束接合區 → L2 再聚焦 → GC／PIC。假設把接合區兩側的高斯光 MFD為 70 µm，與前面的 10 µm MFD 比較；相同的 5 µm 橫向偏移，70 µm 模型的相對耦合效率約 99%，遠高於 MFD=10 µm 的約 50%。 5｜一根能對準，一整排怎麼辦？單根光纖可以調整 x、y、z 及角度，找出最佳光功率；但高密度光引擎與 CPO 往往需要 8、16、32 根甚至更多光纖，共用同一個固定機構。FAU 的作用，就是把纖芯固定在精密 V-groove 或其他定位結構中，將相鄰間距（pitch）、相對位置及端面幾何控制成可製造、可檢驗的規格。困難在於：共用一組剛體對準姿態，不代表每一根纖芯都能各自達到最佳位置。如果沿用小模場耦合，這些幾微米誤差可能讓邊緣通道先出現較大損耗；擴束則能在特定外部接合界面放寬橫向位移預算，讓更多通道有機會在同一組對準姿態下維持可接受的效率。這才是技術的產業價值：不是只讓單一通道的曲線好看，而是提高多通道 FAU 的製造窗口、封裝良率與重複性。組裝時仍須使用合適的 Active Alignment 策略、量測代表通道與最差通道，並驗證固定後的漂移。損耗也會轉換成系統代價：額外增加 1 dB 光損，若要維持相同接收光功率，理想上需提高約 26% 的入射光功率。通道數愈多，耦合一致性就愈直接影響功耗、散熱、測試時間與成本。 6｜結語擴束技術真正的產業價值，不只是提高單一通道的耦合容忍度，而是讓多通道 FAU 在共用一組對準機構的情況下，仍能維持足夠的光學效率與通道一致性。這意味著更寬裕的製造公差、更高的封裝良率，以及更具可行性的規模化量產。對 CPO 而言，關鍵不只是能否成功耦合一束光，而是能否讓數十個光通道在實際製程與長期運作中，持續維持低損耗且一致的表現。 ![Image](/doc/8173/image/img_d2e2cb3a8c2a.jpg) Tolerance analysis of aligning an astigmatic laser diode with a single-mode optical fiber ![Image](/doc/8173/image/img_a7171bb0c09b.jpg) Coupling Efficiency vs. Lateral Misalignmen ## 相关链接 - [SBG](https://x.com/SBG_jerry_1006) - [@SBG_jerry_1006](https://x.com/SBG_jerry_1006) - [https://ieeexplore.ieee.org/document/545794](https://ieeexplore.ieee.org/document/545794) - [Upgrade to Premium](https://x.com/i/premium_sign_up) - [10:14 PM · Oct 12, 2026](https://x.com/SBG_jerry_1006/status/2109648985850097953) - [5,061 Views](https://x.com/SBG_jerry_1006/status/2109648985850097953/analytics) --- *导出时间: 2026/10/13 09:20:21*

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