CPO 封裝級光學元件拆解

在 CPO 與矽光子的架構中, 如何將光訊號從外部光纖高效地導入晶片內部, 是整個供應鏈最關鍵的物理挑戰. 這涉及到 FAU (光纖陣列單元), 微透鏡 (Microlens) 與稜鏡 (Prism) 等微光學部件 (以上為封裝級), 同時還需要 ELS (外部雷射源) 提供光源動力, Optical Shuffle Box (光纖分配盒) 進行內部大規模纖維路由管理 (系統級), MPO/MTP 高密度連接器進行外部對接, 以及 MT Ferrule (MT 揷芯).

稜鏡 (Prism) 主要扮演 "轉向" 的角色, 特別是處理垂直耦合 (Grating Coupler). 當光纖從上方進入, 但晶片波導在側面時, 需要稜鏡或反射鏡將光路旋轉 90 度, 並耦合進比頭髮還細的光纖中. 透過摺疊光路, 縮減模組的垂直高度. 技術挑戰: 1) 鍍膜技術, 稜鏡表面需塗佈高反射膜以降低回波損耗 (Return Loss). 2) 組裝精度: 稜鏡的角度偏差會直接導致嚴重的光損 (dB loss).

微透鏡 (Microlens / Microlens Array, MLA) 主要負責 "擴束" 或 "聚焦", 目的是解決光學元件之間模場直徑不匹配的問題. 功能: 1) 耦合效率: 將雷射或光纖射出的擴散光線聚焦進入極小的矽波導. 2) 容差提升: 透過擴束技術, 可以增加組裝時的對位容差, 這對大規模量產 (HVM) 至關重要. 類別: 1) 非球面透鏡, 減少球差, 提升耦合效率. 2) 晶圓級透鏡 (WLO): 利用半導體製程在晶圓上直接製作透鏡, 適合高產量.

FAU (Fiber Attach Unit, 光纖陣列單元). 為連接外部光纖與光學引擎 (OE) 的橋樑, 其主要作用是將多根光纖以極高精度的間距 (Pitch) 固定, 並對準晶片上的光波導. 核心構造: 由底座(Base), 蓋板 (Lid) 以及排列在 V 型槽 (V-Groove) 中的光纖組成. 技術關鍵: 精度要求為亞微米級的對準精度. 耐溫性: 必須承受回流焊 (Reflow soldering) 的高溫而不位移. 光纖封裝: 為了實現 CPO 的高密度, FAU 正朝向 127μm 甚至更小的間距發展.

Shuffle Box (光纖分配盒, 以上為封裝級此為系統級). 隨著交換機的頻寬越來越高, 內部的光纖數量會多達數百甚至上千根.功能: 負責複雜的光纖路由管理, 它將來自不同光學引擎 (OE) 的多芯光纖進行 "重新排列", 分發到前板特定的連接埠. 技術關鍵: 採用光纖柔性電路 (Fiber Flexible Circuitry)  技術, 將大量光纖像電路板佈線一樣整齊排列, 避免互相纏繞並減少空間佔用.

COUPE 平台中, 奇景的角色: 利用 NIL (Nanoimprint Lithography, 奈米壓印微影) 技術, 在大面積玻璃晶圓上同時製作透鏡, 稜鏡與 V-groove 基板. 奇景提供組件 → FOCI (上詮) 負責封裝 ( ReLFACon) → 交付台積電. 奇景的優勢在於累積多年的 WLO (晶圓級光學) 量產經驗. 傳 Gen 1 (2026 產, AMD 採用) 與 Gen 2 (2027/28 產, Rubin Ultra 可能採用) "奇上" 為主供, 但 Gen 3 之後會引入第二供應商.

大立光最近宣布進入 FAU 產業, 大立光的優勢在於: 1) 超精密加工與對準能力 (Ultra-precision alignment): FAU 的核心難點正是光纖與光波導之間的極精密對準, 大立光的精密工藝基礎極強. 2) 強大的模具開發能力: 雖然 FAU 基板傳統上使用玻璃或矽, 但大立光或許能利用其塑膠射出成型經驗, 開發新型的高精度塑膠基板, 降低成本並提高產能?