ECTC 2026 三菱：玻璃中介层+RDL的垂直耦合光子封装实现高速EML与EIC高密集成

基于III-V族化合物半导体的电吸收调制激光器（EML）已实现100Gbaud以上的高速传输能力，倒装键合方案更可消除引线键合的寄生效应，实现110GHz的小信号响应，具备单通道400Gbps的演进潜力。然而III-V器件与驱动、跨阻放大器等电子集成电路（EIC）的高密度集成始终存在工程挑战，且传统III-V器件的光学接口多依赖透镜与单模光纤直接耦合，适配高密度、易维护光纤阵列的实用化垂直耦合方案尚未完全成熟。

针对上述问题，三菱研究团队提出一种集成再布线层（RDL）的玻璃中介层（Glass-IP）垂直耦合光子封装架构，在缩短电气互连路径的同时，实现可插拔、高密度的垂直光学耦合，为OOI/NPO场景下的III-V器件高密度集成提供了可行路径。受研究阶段限制，目前接收端集成与完整可插拔光I/O封装通过概念设计与仿真评估，实验验证集中于单通道倒装键合EML原型。

一、垂直耦合光子封装整体架构

该方案以玻璃中介层为核心集成载体，选择玻璃作为中介层材料，源于其高机械刚度、低热膨胀系数与低介电常数的特性，可同时满足高密度布线的机械稳定性、高速信号传输性能与封装热匹配性。架构正面倒装键合发射端EML与接收端面入射光电探测器（PD），背面集成驱动芯片与跨阻放大器（TIA）等EIC，通过玻璃通孔（TGV）实现正反面的电气互连，最大化缩短光电器件间的电气路径，实现低功耗、超高速运行。

外部光互连通过带光纤阵列单元（FAU）的光纤实现，光电器件与EIC产生的热量均通过向上的热传导块（HTB）与散热片导出，在同一封装内同时实现光信号、电信号的高效路由与热量的有效耗散。

1. 可插拔垂直光互连方案

发射端光学接口通过45°微棱镜反射镜将光路上折，再经微透镜阵列转换为准直光束输出；接收端入射光经微透镜阵列聚焦至目标光斑尺寸，由面入射PD接收。微棱镜与EML阵列之间、PD与微透镜阵列之间的光路由透明树脂填充封装，光路以外区域通过塑封结构进行屏蔽。

该光学接口支持可插拔光纤连接器，且仅需单次主动对准工艺即可完成装配：微棱镜反射镜通过图像识别进行被动贴装，被动装配引入的光轴偏差可通过微透镜阵列的主动对准进行补偿；光纤连接器的插座板与微透镜阵列保持固定相对位置，二者通过一体化塑封成型，插座板设计凹槽结构，与光纤连接器的凸起沟槽配合，实现可插拔连接。连接器内部入射的准直光束经反射镜与聚焦透镜耦合进单模光纤，反射镜与聚焦透镜的组合也可替换为抛物面镜，最终在系统级实现仅单次主动对准的可插拔光学系统。

2. 高速电互联设计

面向单通道400Gbps的目标，系统需要支持100GHz以上的超宽带电信号传输。该架构通过三项核心设计实现低损耗、高带宽的电互连：

其一，EIC背面集成于同一玻璃中介层，最大化缩短光电器件与EIC之间的互连线长，降低传输损耗与寄生参数，支撑低功耗、高带宽的信号传输；

其二，光电器件采用倒装键合工艺，完全消除引线键合带来的寄生电感，进一步提升高频性能；

其三，信号路由通过玻璃中介层背面的RDL实现：来自ASIC的信号从高密度封装基板传输至玻璃中介层背面的RDL，经驱动芯片放大后通过玻璃通孔传输至正面的光调制器，形成极短的电气路径；接收端PD接收的光信号转换为电信号后，同样通过TGV传输至背面的TIA等EIC，放大后经RDL路由至封装基板，最终传输至ASIC。

3. 热管理机制

封装内的主要热源为光电器件与EIC，考虑到基板侧材料导热系数相对较低，方案将主散热路径设计为向上传导：光电器件产生的热量通过玻璃中介层正面的金属互连层传导，经热传导块与散热片向外耗散；EIC产生的热量通过玻璃中介层内嵌入的热通孔导出，同样经热传导块与散热片释放。

同时，玻璃材料本身导热系数较低，可有效抑制封装基板上ASIC产生的热量向中介层传导，实现光电器件、EIC与ASIC之间的热隔离，避免ASIC温升影响光电器件的性能稳定性。

二、光学耦合特性理论分析与仿真验证

为实现高效垂直光耦合，需严格控制光束削波损耗，同时保证对准容差满足量产工艺要求。研究团队分别通过高斯光束理论分析与光学仿真对耦合特性进行了系统验证。

1. 高斯光束削波损耗分析

在倒装键合结构中，EML出光点贴近玻璃中介层表面，棱镜反射镜的反射光束可能在玻璃中介层表面或芯片边缘产生削波，引入额外损耗。研究团队定义EML芯片边缘到棱镜尖端的水平距离为d，反射镜底部到EML出光点的垂直距离为h，基于高斯光束分布计算了不同参数下的削波损耗。

结果显示，当EML光斑半径为0.7μm时，d值过小会加剧芯片边缘的光束削波，d值过大则会增加玻璃中介层表面的削波损耗，增大h值可有效降低损耗；在h=20μm（对应凸点高度）、d=46μm的参数下，削波损耗约为0.1dB。当光斑半径提升至1.5μm时，光束发散角更小，削波效应显著降低，在h=20μm条件下损耗几乎为零，且对d值的波动具备极高的容差。该结果表明，提升出光点垂直高度h并选取合理的水平距离d是降低削波损耗的核心手段，更大的光斑半径可提供更宽的对准容差窗口。

2. 光纤耦合效率与对准容差仿真

研究团队采用Ansys Zemax对垂直折转的准直光束经聚焦透镜耦合进单模光纤的效率进行了仿真。基于削波损耗分析结果，仿真设定EML光斑半径为1.5μm，d与h分别固定为40μm与20μm，透明树脂层上方依次放置准直透镜、聚焦透镜与单模光纤，所有元件均调整至耦合效率最优位置。

仿真结果显示，以插入损耗≤1dB为阈值，准直透镜的横向对准容差可达±0.77μm，该容差处于标准有源耦合工艺的可控范围内。综合两项光学分析结果，该垂直耦合方案可实现插入损耗低于1dB的可插拔光I/O接口，同时具备满足高密度EML集成量产需求的机械对准容差。

三、EML原型制备与高速性能实验验证

为验证架构的高频性能，研究团队制备了单通道倒装键合EML原型模块并完成系统测试。

1. 原型结构设计

实验采用的EML芯片集成了分布反馈激光器（DFB-LD）、电吸收调制器（EAM）与模斑转换器，DFB-LD与EAM的电极均制备于芯片表面，分为阳极与阴极以适配倒装键合工艺。玻璃中介层贴装于封装基板之上，EML芯片倒装键合于玻璃中介层表面，DFB-LD的驱动布线布设于玻璃中介层表面，避免与高频信号线产生干扰。

高频传输线布设于封装基板上，采用直线型结构设计，通过玻璃通孔与EAM连接，形成短距离电气路径。由于EAM为容性器件，高频传输线末端需配置终端电阻，芯片电阻采用金锡焊料贴装于封装基板背面。尽管本次原型仅采用单通道EML，但封装基板上无弯折的直线高频布线方案支持窄间距EML阵列集成，可通过阵列扩展在保持高边缘密度的同时提升总传输容量。

2. 小信号带宽测试

测试采用射频探针直接向封装基板加载射频信号，在EML温度20℃、DFB-LD偏置电流60mA的工作条件下，EAM的3dB电带宽达到89GHz。测试曲线在60GHz附近出现一处凹陷，经与版图设计及前期阻抗分析对比，该现象由封装基板上焊盘尺寸大于设计值导致的阻抗失配引起，通过版图优化可有效抑制该谐振效应，进一步提升带宽性能。

3. 高速PAM4传输性能

研究团队进一步开展了106.25Gbaud PAM4信号的背靠背传输测试。测试系统采用256GSa/s任意波形发生器生成106.25Gbaud的SSPRQ序列，输出电信号峰峰值约为1.0V；接收端信号经56.72GHz四阶贝塞尔-汤姆逊滤波器滤波后，通过15抽头前馈均衡器（FFE）进行信号处理，以符号错误率9.6×10⁻³为基准计算发射机色散眼图闭合四进制（TDECQ）。

测试结果显示，背靠背传输条件下，系统TDECQ为2.37dB，消光比（ER）为4.30dB，验证了该封装架构下EML器件的高速传输能力。

四、总结与展望

针对OOI/NPO场景对Tbps/mm级边缘密度与低功耗的核心需求，本次提出的基于带RDL玻璃中介层的III-V器件垂直耦合光子封装方案，通过正面倒装键合EML/PD、背面集成驱动/TIA芯片、玻璃通孔垂直互连的架构，最大化缩短电气路径长度、降低寄生参数，为未来单通道400Gbps的光子封装提供了可行集成平台；光学侧采用微棱镜与微透镜阵列的组合，实现了仅需单次主动对准的可插拔光纤阵列连接器。

理论分析与仿真结果表明，1.5μm光斑半径下光束削波效应可忽略，1dB插入损耗对应的透镜横向对准容差为±0.77μm，满足量产工艺要求；热设计采用向上散热路径，同时利用玻璃材料实现光电器件与ASIC的热隔离。单通道原型实验验证了89GHz的3dB电带宽，以及106.25Gbaud PAM4背靠背传输能力，TDECQ与消光比分别达到2.37dB与4.30dB，充分证明了该玻璃中介层封装概念的技术可行性。

后续通过阻抗与版图优化、阵列化扩展，该架构有望实现100GHz以上的带宽响应与更高的单通道数据速率，支撑下一代高密度OOI/NPO应用的落地。