近日，工研拓芯（苏州）集成电路有限公司在高速光通信及共封装光学（CPO）领域取得新的技术进展。公司自主研发的发明专利《激光器封装结构及其制备方法》正式获得国家知识产权局授权，授权公告号为CN 121055141 B。
该专利由杜亚飞、卢嘉平、杨文伟共同发明，围绕CPO及高速光模块所需的外置激光器（ELS）高密度封装、光电协同集成、光耦合与热管理等关键技术进行了系统布局。
随着AI算力集群持续向800G、1.6T乃至更高速率演进，传统可插拔光模块面临功耗、面板密度和高速电互连距离等多重挑战。CPO通过将光引擎进一步靠近交换芯片，被视为下一代数据中心高速互连的重要技术方向，而稳定、高功率、高可靠性的外置激光源（ELS），则是CPO架构中的关键基础模块之一。
此次获授权的专利，正是工研拓芯围绕CPO外置光源与光电共封装开展的重要底层技术布局。专利提出了一种将激光器芯片、光子耦合模块以及电子驱动模块进行高密度集成的封装架构。与传统依赖金属打线、透镜及主动对准平台的分立式激光器封装不同，该方案将激光器芯片和光耦合结构共同安装于高导热基板上，并通过焊球、重新分配层（RDL）以及电子集成芯片（EIC）实现紧凑的电互连，从而减少传统打线带来的寄生效应和热机械可靠性问题。
从技术架构上看，这已经不仅是一项单独的“激光器封装技术”，而是一个面向CPO的光、电、热一体化封装平台。
从“电芯片”走向“光电协同”
工研拓芯长期深耕高速光通信模拟及混合信号芯片，围绕激光驱动器、TIA等高速光电接口芯片持续进行产品布局。而进入CPO时代之后，单纯提升Driver或TIA芯片性能已经不足以解决系统级功耗和带宽密度问题。
芯片之间如何连接、激光器如何供光、光如何进入PIC、热量如何快速导出，以及不同材料之间如何控制热应力，正在逐渐成为决定CPO系统性能和可靠性的关键因素。
此次专利中，工研拓芯将EIC、激光器与光子耦合结构放到同一封装体系中进行设计。其中，EIC通过焊球与基板金属走线连接，替代传统的长距离打线结构；激光器采用倒装方式贴装，以缩短与驱动电路之间的电连接距离。专利还进一步提出利用RDL、UBM以及模封结构形成类似先进封装的垂直集成体系。
专利明确指出，该架构可以基于2.5D或3D封装技术进一步实现激光器、温控器件及电子芯片的紧凑集成。这意味着，工研拓芯正在把过去在高速光通信电芯片上的能力，向光芯片、电芯片和先进封装三个维度延伸。
同时布局垂直耦合与水平耦合
光耦合是CPO规模化制造中最困难的环节之一。传统边缘耦合往往对波导端面、装配精度和主动对准设备具有较高要求，而垂直耦合虽然在阵列化和空间布局方面具有优势，又需要解决封装材料遮挡、光损耗以及可靠性等问题。
针对这一问题，工研拓芯此次授权专利没有限定单一路线，而是同时给出了垂直光耦合和水平光耦合两种技术路径。
在垂直耦合方案中，封装体内部设置贯穿驱动模块及封装层的耦合窗口，并结合光栅耦合器、透镜和棱镜，为光信号建立垂直传输通道。专利指出，相比边缘耦合，垂直耦合有利于实现I/O位置灵活布局、阵列化封装以及多通道集成。
另一方面，专利还提出通过玻璃波导与模斑转换器之间的倏逝波耦合实现水平光互连。在这一结构中，光无需经过传统微透镜或微准直器，可以减少光学贴装、填胶以及复杂微对准工艺，同时降低系统对于波导端面加工精度的敏感性。
两种结构并行布局，使该专利不仅可以面向传统外置激光器模块，也为未来CPO内部玻璃光波导、PIC以及光纤阵列之间的高密度连接预留了技术空间。
热管理成为CPO核心竞争力之一
随着单颗激光器功率以及通道数量不断增加，热串扰已经成为多通道ELS及CPO系统需要解决的重要问题。工研拓芯在该专利中将热设计直接纳入封装架构。
专利采用热导率超过170 W/m·K的氮化铝陶瓷基板作为激光器承载及散热平台，同时通过与InP等半导体材料更接近的热膨胀系数降低界面热应力。针对多激光器阵列，专利进一步在相邻激光器之间设计隔热沟槽，减少基板横向热传导所造成的通道间热串扰，以降低激光波长漂移及输出功率不一致的问题。
与此同时，方案还可在激光器芯片上集成TEC热电制冷片，并与外部热沉形成主动散热路径，通过局部温控进一步稳定激光器波长及输出功率。这套思路形成了“高导热基板 + 通道隔热 + TEC主动温控 + 外部热沉”的多层次热管理架构。
对于未来多波长、高功率ELS以及CPO光源而言，热设计将直接影响波长稳定性、寿命以及整个光系统的功耗效率，这也将成为工研拓芯CPO技术布局的重要组成部分。
面向规模制造，而不仅仅是实验室Demo
CPO真正实现产业化，核心问题之一是如何从实验室精密装调转向半导体式规模制造。此次专利在设计之初便考虑了这一问题。
传统激光器封装往往依赖人工或设备主动光学对准，而该方案通过将激光器芯片和耦合转换模块共同贴装在高精度基板上，以基板平面作为统一的高度基准，从结构上降低光学元件之间的垂直偏差，提高装配工艺窗口。
封装材料方面，专利采用吸湿率低于0.2%的低吸湿材料，并将固化温度控制在160℃以内，以减少高温封装工艺对InP激光器的热应力和性能影响。
专利实施例给出的仿真和实验结果显示，相较传统方案，该结构的垂直耦合匹配度提升超过20%，激光器温升降低约4℃至10℃；经过1000小时湿热老化后，激光器输出功率保持率仍超过95%。
这些设计说明，工研拓芯的目标并不仅仅是实现一个CPO概念性样机，而是在从一开始就考虑工艺窗口、封装可靠性、热管理以及批量制造能力。
构建从LPO到CPO的下一代光互连技术平台
从行业发展趋势来看，LPO、NPO以及CPO并非彼此割裂的技术路线，其背后的核心都是不断缩短高速电信号传输距离，并将越来越多的光电功能靠近交换及计算芯片。工研拓芯正在围绕这一趋势逐步扩大技术边界。
如果说高速Driver和TIA解决的是高速光模块内部的“电”问题，那么此次外置激光器封装专利进一步解决的是CPO系统中的“光、电、热、封装”协同问题。
从专利展示的技术架构可以看到，工研拓芯正在逐步形成以下CPO关键技术链条：
- 高速光通信EIC
- 激光器驱动与控制
- 外置激光源ELS
- PIC光耦合
- 2.5D/3D光电共封装
- 多层次热管理
对于下一代AI数据中心而言，光互连正在由一个独立的“光模块”逐步演变为整个交换和计算系统的一部分。未来，真正决定CPO竞争力的，很可能不再是某一颗单独芯片，而是能否同时掌握高速电芯片、光子芯片接口、激光器、先进封装和热管理等多项核心能力，并最终形成可以规模制造的完整光电平台。
此次《激光器封装结构及其制备方法》发明专利获得授权，也意味着工研拓芯在从高速光通信芯片公司向光电融合芯片及先进封装平台型企业演进的过程中，再向前迈出了一步。