OFC 2025：玻璃波导互连助力光纤管理 (Corning/Modular Photonics)

今天看两篇关于无源玻璃波导互连简化光纤管理的工作，第一篇是Corning与爱立信合作的阶段成果展示，目标是将玻璃波导应用在6G的大规模MIMO场景中，实现CPO的封装形态；而第二篇则是澳大利亚的Modular Photonics公司展示的应用于数据中心Spine &Leaf架构下的光互连管理。

一、Corning：6G网络中采用玻璃波导实现CPO

◆ 研究背景

随着4G和5G网络移动数据流量的增长，预计2023年将有95亿移动用户，每月人均消耗约50GB数据。在6G时代，无线接入网络需要更高的带宽和更低的能耗，特别是在大规模MIMO天线系统的芯片间互连方面。以爱立信的配置为例，大量ASIC间的通信需要大量的光纤互连，20个数字前端ASIC，每个ASIC需要128个光IO口的情况下，需要多达2560个互连。

◆ 玻璃波导互连方案

可采用共封装光学将ASIC与光收发器共封装在多芯片模块上，通过光纤链路连接，但需要高密度光纤shuffle。比如本工作采用的高度集成的玻璃波导互连替代光纤互连，目前在玻璃光学基板和光学引擎之间仍使用短光纤跳线，但长期目标是用全玻璃基板完全替代光纤。

◆ 测试板设计

展示了一个波导测试板设计，一侧有2个Trx连接到端口1和端口2，另一侧有4个Trx从端口4连接到端口7。还使用了外部激光源，通过端口3引入激光，端口3连接到4个光学引擎以输入在收发器中调制的连续波激光。

设计要求包括波导弯曲大于30mm，波导交叉角度大于50°，在150mm晶圆上进行加工，单块波导板的尺寸为100mm×50mm，每个晶圆上产出2个这样的模块。

◆ 制造工艺

采用离子交换工艺制造波导，包括表面沉积掩模、离子扩散改变玻璃局部折射率、去除掩模、通过激光划片进行玻璃切割（部分穿孔玻璃，在光学和相位区域下方穿孔，留下有波导的光学窗口，然后分离玻璃得到光学端面，无需抛光）、激光刻槽制作精确沟槽用于MT适配器的无源对准，最后使用安装在玻璃边缘的MT适配器插入标准MPO连接器（使用2排MPO侧连接器，因为引脚略高于波导平面，可将下排引脚与波导阵列平行连接）。

◆ 玻璃与PCB集成

探索了将100mm×100mm的玻璃与16层 M7 PCB粘合。测试了不同的粘合策略，如使用何种粘合剂以及如何分配粘合剂以避免可能导致可靠性问题的空隙，尝试了星形图案分配和全均匀粘合剂层。最终测试表明所有玻璃片层压良好，在初始实验中在PCB上制作切口并将虚拟波导板粘合到玻璃上仍存在一些空隙，但可以解决。

◆ 测试结果

波导传播损耗为0.08dB/cm，光纤与光纤模式的失配损耗为0.3dB，直波导样品从一端面到另一端面的插入损耗约为1dB。

测量不同端口，从端口1、端口2或端口3发射时，损耗在1.3到3dB之间，端口3由于弯曲大且波导长度长，损耗最高。连接器损耗通常约为0.8dB（包括0.3dB损耗），整体设备的插入损耗可小于3dB。

◆ 结论

展示了即将到来的6G MIMO天线系统中用于芯片间互连的集成玻璃波导的概念，包括与外部激光源的连接。在首次实验中测试了波导并将波导集成到玻璃上，所选示例中有48个波导，采用不同的掩模布局可显著增加波导数量和密度，并且玻璃和工艺本身与PCB集成兼容。

二、Modular Photonics：应用于数据中心光路管理的3D玻璃波导互连

◆ 背景

1. 数据中心网络架构演进

传统三层交换机架构（核心-汇聚-接入）逐渐被Spine-Leaf（S&L，折叠Clos）架构取代，后者通过两层结构实现高带宽、低延迟（仅两跳可达目的地），满足AI计算和云数据中心对机器间通信的需求。

部署大规模S&L网络需复杂基础设施（如大量互连组件），导致成本高、安装错误风险大。 2. 技术挑战 传统光子集成电路（PIC）基于二维平面光波电路（PLC），波导交叉会导致过高的损耗和串扰，无法支持S&L架构的高密度连接。 本工作则是利用3D直写波导技术（DLWW）制备光子芯片，简化S&L网络部署，降低损耗和串扰。 ◆ 核心技术：直写波导技术（DLWW） 1. 技术原理 利用飞秒激光在玻璃中聚焦，通过电离效应局部改变折射率，直接写入3D波导。 2. 优势 ①3D路由：波导在不同深度层间路由，避免平面交叉，消除串扰。 ②无掩模工艺：无需光刻、刻蚀等复杂步骤，简化制造流程，降低成本。 3. 材料与工艺 采用硼铝硅酸盐玻璃，800nm飞秒激光（100飞秒脉冲，数百nJ能量），精确控制波导几何形状和折射率变化。 ◆ S&L网络设计与模块架构

1. 光子芯片（PIC）设计 单芯片集成32个3D波导，分为4组（每组8波导），可连接8个400G/800GBASE-DR4收发器。波导在三维空间中分层路由，最小化弯曲半径和长度以降低损耗，避免交叉。 2. 模块部署 ①单个模块（M1）集成4片PIC，通过MPO端口连接32根光纤（前16后16），形成128光纤的基础单元。 ②模块堆叠扩展：8个模块堆叠可实现图1(a)所示的512双工连接，支持数千台服务器的S&L网络。 ③连接方式：Leaf交换机通过水平排列端口接入模块前端，Spine交换机通过垂直排列端口接入模块后端，简化布线和扩展。

◆ 实验结果与性能验证

1. 光学特性 ①插损（IL）：1310nm时平均0.294dB，1550nm时0.2875dB，全器件（含光纤阵列和MPO连接器）损耗<1.5dB（O、C、L波段）。 ②串扰：所有端口组合串扰优于55dB，平均超过64dB，接近无串扰水平。 ③光谱响应：1400nm附近因玻璃水吸收导致损耗略有增加，其余波段性能稳定。 2. 高速信号传输 利用400GBASE-DR4收发器测试2km传输，误码率与衰减测量表明无额外串扰或反射 penalty，信号完整性良好。 ◆ 讨论与结论 1. 技术优势 ①3D集成：DLWW技术首次实现S&L架构的3D光子芯片原型，解决传统PLC的交叉损耗问题。 ②模块化扩展：通过模块堆叠灵活构建不同规模网络，降低部署复杂度和成本。 ③高性能：低损耗（IL<1.5dB）、高串扰抑制（>55dB）支持400G及未来800G速率，为AI和大规模数据中心提供高效互连方案。 2. 未来方向 ①进一步优化波导设计，提升集成密度和波长复用能力（如DWDM）。 ②探索与硅光技术的混合集成，拓展多功能光子芯片应用。