引言

数据中心和高性能计算的快速发展对光通信技术提出了更高的要求。光电共封装（CPO）技术将硅基光电子芯片与CPU和GPU等电子芯片集成在同一平台上，实现高容量数据传输。市场预测显示，该技术的市场规模将在2030年超过23亿美元。在这一技术体系的核心位置，单模聚合物光波导为处理高功率外部激光源提供了有效的解决方案[1]。

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有源光学封装基板架构解析

现代CPO系统的基础建立在精密的基板设计上，这种设计能够无缝集成光学和电子元件。有源光学封装（AOP）基板采用了新颖的设计方法，将硅基光电子芯片嵌入传统的玻璃环氧基板中，同时整合了3D光学重分布技术。

图1：有源光学封装基板的概念设计，包括顶视图和截面图，演示了单模聚合物光波导如何与外部激光源集成用于下一代CPO应用。

AOP架构采用聚合物微镜、聚合物光波导和光纤连接器协同工作，实现精确的光束直径控制和高效的节距转换。这种设计在硅基光电子芯片和光纤之间建立了低损耗连接，解决了CPO实施中最重要的挑战之一。相比集成激光器方案，外部激光源方法在可靠性和维护便利性方面具有明显优势。

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制造工艺的精度控制

制造一致性是聚合物光波导成功应用于高功率场景的决定性因素。研究人员开发了精密的制造技术，在玻璃环氧基板上使用直接激光写入光刻技术，采用日产化学公司提供的SUNCONNECT材料。制造工艺在多个样品中实现了出色的尺寸均匀性。

图2：制造的聚合物光波导的优异尺寸一致性，展示了八个11毫米长样品的芯高度和宽度变化，以及一个代表性光波导的详细截面图。

制造的光波导芯尺寸为宽度8.7 µm ± 0.2 µm（标准偏差：0.14 µm），高度6.9 µm ± 0.2 µm（标准偏差：0.12 µm）。这种精度水平确保了所有制造组件的一致光学性能，这是实际CPO实施中不可妥协的可靠性要求。

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基础光学特性表征方法

理解聚合物光波导的光学行为需要对其基本性质进行全面表征。近场模式分析为模场直径特性和偏振行为提供了重要洞察。实验方法涉及复杂的测量设置，能够捕获横向电场和横向磁场模式。

图3：测量聚合物光波导近场模式的实验配置，包括可调谐激光源、偏振控制组件和用于TE和TM模式的检测系统。

表征过程采用偏振保持球形透镜光纤，其模场直径精确匹配符合ITU-T G.652.D规范的标准单模光纤。这种匹配确保了真实部署条件的准确表示，同时保持测量精度。

图4：近场模式，比较了透镜光纤参考模式和实际聚合物光波导模式，说明了输入光纤和光波导芯特性之间的密切尺寸对应关系。

测量的模式轮廓显示理论预测和实际实施之间的优秀对应关系，TE模式尺寸为宽度9.0 µm、高度7.4 µm，而TM模式测量为宽度9.0 µm、高度7.0 µm。

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CPO应用的性能指标评估

插入损耗特性是CPO系统中聚合物光波导的基本性能指标。测量方法在O波段光谱范围内采用超发光二极管源，能够对TE和TM偏振模式进行全面的波长依赖性分析。

图5：插入损耗测量的实验设置，显示了从超发光二极管源通过偏振控制组件到光谱分析仪的完整光路。

图6：八个聚合物光波导的TE和TM模式插入损耗测量，显示了一致的性能，在1310 nm波长处TE模式损耗约为-1.31 ± 0.16 dB，TM模式损耗约为-1.24 ± 0.15 dB。

偏振相关损耗分析显示了对维持CPO应用中信号完整性极其重要的优异性能特性。测量的PDL值在整个O波段保持在0.50 dB以下，在关键的1310 nm波长处表现尤其出色，低于0.25 dB。

图7：八个聚合物光波导的偏振相关损耗变化，确认了在CPO应用所需的0.5 dB阈值以下的一致性能。

差分群延迟测量为光波导适用于高速光传输应用提供了额外确认。测量的DGD值在O波段保持在0.2 ps以下，对应于小于18 ps/m。这种优异性能确保即使在超过100 Gbaud的下一代传输速率下也对信号完整性产生可忽略的影响。

图8：所有八个聚合物光波导的差分群延迟测量，显示了一致的低值，远低于会影响高速光传输的阈值。

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偏振消光比性能验证

偏振消光比是基于外部激光源的CPO系统的重要参数，需要超过10 dB的值来确保系统正常运行。测量方法采用具有线性偏振旋转机制的精密聚焦模块，能够精确控制输入偏振状态。

图9：偏振消光比测量的实验配置，包括具有偏振控制器和四分之一波片的聚焦模块，用于精确的偏振状态操控。

测量结果显示在所有CWDM4波长上的优异PER性能，值一致超过20 dB。这种性能大大超过了基于ELS的CPO应用的最低要求，为系统可靠性和信号质量维护提供了充足的余量。

图10：八个光波导在所有CWDM4波长（1271、1291、1311和1331 nm）上的偏振消光比测量，显示了远超20 dB阈值的一致性能。

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高功率稳定性和可靠性验证

聚合物光波导用于CPO应用的最终测试涉及在实际高功率工作条件下的验证。实验方法采用符合CWDM4规范的外部激光源，每通道提供超过 20 dBm的光纤耦合光功率。

图11：高功率稳定性测试的全面实验设置，显示了外部激光源配置和通过CWDM4滤波器到聚合物光波导的完整光路。

稳定性和可靠性测试在苛刻条件下显示了优异性能。聚合物光波导在 20 dBm输入功率条件下连续六小时工作期间保持了优秀的输入输出线性度，没有可测量的功率衰减。

图12：六小时连续工作的稳定性和可靠性测量，在所有CWDM4波长上显示了一致的输出功率水平，变化在±0.3 dB内，归因于偏振相关损耗和对准因素。

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热管理和安全考量

热分析为高功率条件下聚合物光波导的运行安全性和可靠性提供了重要洞察。使用先进热分析软件的仿真研究预测了各种输入功率条件下的温升，使热管理策略的优化成为可能。

图13：热分析仿真结果，说明了光波导设计参数以及输入光功率与聚合物材料中产生的温升之间的关系。

使用精密红外相机的实验热测量确认了仿真预测的准确性。在 20 dBm输入条件下，测量的温升约4.4°C与理论计算密切匹配，显示了优秀的热管理特性。

图14：热相机图像，显示了ELS输入前后的温度分布，确认了在 20 dBm工作条件下最小的4.4°C温升，验证了热仿真预测。

低温升和优秀光学性能的结合确认了聚合物光波导为下一代CPO系统提供了可行和可靠的解决方案，为未来数据中心和高性能计算应用所需的高密度、高容量光通信技术奠定了基础。实验数据表明，在180 kW/cm²的功率密度下，光波导仍能保持稳定工作，这一数值虽然低于光纤的最大安全功率密度阈值250 kW/cm²，但已达到光通信系统中的高功率密度水平。

通过对单模聚合物光波导的深入研究，本文展示了这一技术在处理高功率外部激光源方面的卓越能力。从制造精度到光学性能，从热管理到长期稳定性，各项指标都满足了CPO应用的严格要求，为光电共封装技术的工程化应用提供了坚实的技术基础。