ECTC 2026 | KYOCERA | Development of a High-Efficiency, Wide-Temperature-Range Optical Coupling Structure for CPO Modules

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KYOCERA 在 ECTC 2026 解的是 CPO 模組一個很實際的問題：怎麼讓矽光子與聚合物波導之間的光耦合，又低損耗、又能在寬溫度範圍穩定、還順便把熱散掉。兩個關鍵決定：第一，把矽光子晶片「面朝下（face-down）」放，讓雷射的熱直接往下散——EIC 降 5.5°C、雷射降 15.3°C，SNR 改善 90%、jitter 降 20%。第二，把耦合鏡做成曲面（曲率半徑 0.8 mm、41° 角），耦合損耗從平面鏡的 2.80 dB 降到 1.22 dB，配合 wrap-around 核心結構把對位容差撐到 ±5 µm（<1 dB）。成品在 0–70°C 全溫域 32 Gb/s/lane 無錯誤運作。一句話：低損耗不是靠一個參數，是靠「面朝下散熱 + 曲面鏡 + 寬容差核心」三件事一起。

1. 論文背景：CPO 模組的耦合，不只要低損耗，還要耐溫

這篇來自 KYOCERA（日本京都）的論文，發表於 2026 IEEE 第 76 屆 ECTC。CPO 的封裝級進展，關鍵之一是矽光子（SiPh）裝置與聚合物波導之間的光耦合介面。KYOCERA 用一顆整合雷射、driver、TIA 的 all-in-one SiPh 裝置（5×5×0.8 mm、Tx/Rx 各 4 lane、1310 nm、內建 Fabry-Perot LD、多模光纖 I/O），目標是把這個耦合做到高效率、寬溫度、可量產。

聚合物波導當光重佈線這條路線的脈絡，可參考技術文章分析｜聚合物波導扛住 +20 dBm 六小時；而把光纖連接器做成可拆、留在模組邊緣，是 CPO 量產的隱形 gating，見可拆卸光纖之爭。

SiPh 裝置與聚合物波導之間的光耦合結構示意（含路徑轉折鏡）。圖片來源：KYOCERA, ECTC 2026 - Fig. 5

2. 核心問題：把整篇論文濃縮成一句話

這篇論文要解決的問題是：怎麼設計矽光子與聚合物波導之間的光耦合，讓它同時做到低損耗、寬溫度穩定、寬對位容差，並把雷射的熱散掉。

答案是三件事疊在一起：面朝下散熱、曲面鏡、wrap-around 寬容差核心。

3. 關鍵圖表逐一解析

3.1 這張圖展示了「面朝下散熱的威力」

這張圖（Fig. 2、Fig. 3）比較面朝上與面朝下兩種組態。面朝上時，光纖陣列（FA）壓在雷射上方擋住散熱；面朝下讓熱直接從晶片往下走。結果：EIC 降 5.5°C、雷射（LD）降 15.3°C；高頻上，面朝下 SNR 改善 90%、timing jitter 降 20%。雷射溫度降低同時降低閾值電流、提升斜率效率——等於可靠度、功耗、link margin 一起改善。

3.2 這張圖展示了「曲面鏡把耦合損耗砍掉一半」

這組圖（Fig. 6、Table II）講鏡幾何。雷射出光有發散角，要高效耦進聚合物波導核心，鏡得帶曲率。用 ray-tracing 最佳化，曲率半徑 0.8 mm、鏡角 41° 時耦合損耗最低。實測對照：平面鏡（41°、曲率 0）耦合損耗 2.80 dB，曲面鏡（最佳化）只有 1.22 dB，與模擬（1.23 dB）幾乎一致。把耦合損耗砍掉一半以上，對 link budget 是實打實的改善。

Table II：平面鏡 vs 曲面鏡耦合損耗——曲面鏡 1.22 dB（實測），優於平面鏡 2.80 dB。KYOCERA, ECTC 2026 - Table II

3.3 這張圖展示了「寬溫度下對位容差還是夠寬」

這組圖（Fig. 7、Fig. 9）講容差。grating coupler 的出光角會隨溫度變，導致容差圖中心往 +Y 飄；但 KYOCERA 用 wrap-around 核心結構（更大的有效入光孔徑）撐住。實測在 −40/25/70/105°C 各溫度下，excess loss <1 dB 的容差都是 ±5 µm（X、Y 雙向）。FDTD 也顯示即使出光角隨溫變，0°C 最差情況插入損耗也只到 2.04 dB。

4. 技術亮點

第一個亮點是面朝下組態把「散熱」變成耦合設計的一環。傳統把光纖壓在雷射上方，等於犧牲散熱；KYOCERA 反過來，靠面朝下同時拿到更低的雷射溫度、更好的高頻訊號、更大的 link margin——一個組態決定多個指標。

第二個亮點是曲面鏡 + wrap-around 核心的耦合設計：曲面鏡補償發散角把損耗砍半，wrap-around 核心放大入光孔徑把對位容差撐到 ±5 µm 並抗溫度漂移。成品在 0–70°C 全溫域 32 Gb/s/lane 無錯誤、眼圖全溫張開。

5. 產業連結：離量產有多遠？誰受益？

距離：這篇成熟度偏「模組級驗證」——有最佳化設計、實測耦合損耗、寬溫容差、全溫域無錯誤傳輸（含 loopback）。是衝著資料中心與 HPC 量產去的工程，KYOCERA 本身就是封裝模組供應商。

受益者：最直接是 CPO 模組與封裝供應商（KYOCERA 自己），把矽光子—聚合物波導耦合做成可量產、耐溫的模組；其次是 all-in-one SiPh 裝置與多模光纖生態系。要冷靜的是：32 Gb/s/lane 相對前沿（100+ Gbaud）偏保守，且多模 1310 nm 路線與單模高速路線是不同市場區隔——這套方案的甜蜜點在中速、寬溫、可量產的應用，不是衝最高速率。

6. 總結

這篇論文該被記住的一句話是：CPO 模組的低損耗耦合不是靠單一參數，是靠「面朝下散熱 + 曲面鏡 + 寬容差核心」三件事一起做。 KYOCERA 把耦合損耗砍到 1.22 dB、容差撐到 ±5 µm、0–70°C 全溫域 32 Gb/s/lane 無錯誤。對追蹤 CPO 封裝的人，觀察點是：評估一個耦合模組，要把散熱組態、鏡幾何、核心容差、溫度穩定度一起看，而不是只看一個耦合損耗數字。

參考資料

Shuhei Sudo, Megumi Oishi, Misa Takahashi, Shogo Enomoto, Kono Sasaki, Tomoyuki Akahoshi, "Development of a High-Efficiency, Wide-Temperature-Range Optical Coupling Structure for CPO Modules," 2026 IEEE 76th ECTC. KYOCERA Corporation, Kyoto, Japan.