康宁想要的光纤预制设备，不是生产光纤而是生产FAU的|光栅|基板|康宁|特种光纤|玻璃|耦合器|阵列|预制设备

本文主要分为六个部分

一、FAU（Fiber Array Unit 光纤阵列单元）到底是什么？

二、使用台积电COUPE封装的OE光引擎长什么样？

三、以Quantum-X CPO交换机为例以及QAs

四、手搓FAU的物理精度极限与良率和效率的雪崩

五、ficonTEC的全自动光纤预制设备解决了什么问题

六、康宁需求量以及潜在采购金额测算

最早在公司重组路演的时候说过这个设备

有好多人问过我：

“康宁想要的这个光纤预制设备是不是买来生产光纤的？ ”

当然不是！

这是当时路演的ppt

看文字很明显是fau的生产步骤：剥纤切割插纤 FAU耦合

感觉全称应该叫 FAU组装前的光纤处理与阵列制备设备？

这套是目前唯一能极大支持fau大规模制造的整线解决方案

主要是这个设备的名字也确实有点迷惑性

另外对于fau 好多人其实也不太知道这个是干嘛的

上次我随便写了一下可能大家没什么感觉

FAU全称Fiber Array Unit 光纤阵列单元一般是需要在高纯度的玻璃或硅基板上刻蚀出高精度的V槽然后把去除了保护层的脆弱裸光纤精密排列在V型槽中最后盖板并使用固化胶进行永久性固定我不是黄仁勋，公众号：我不是JensenHuang Where the Roses Bloom——年初说的千亿起步的罗博特科今天也是到了

这次我举些例子来详细说一下可能理解会更深刻

一、FAU（Fiber Array Unit 光纤阵列单元）到底是什么？

顾名思义就是把多根裸光纤（剥去外皮只剩纤芯）

按照极高的精度排列在一起并固定在一个基板上形成的一个“阵列”

它的核心使命只有一个：解决 fiber to chip 也就是光纤到芯片的

高密度、高精度耦合问题

为了让你直观理解它的精密程度可以把它拆解成三个关键部分：

1️⃣V 槽基板 V-Groove Substrate：

这是FAU的灵魂通常用硅或者特种玻璃（比如康宁的超低膨胀系数玻璃）制成

上面刻有几十条平行的V形槽

这些沟槽之间的距离通常是100+微米

误差必须控制在 亚微米级（不到一根头发丝直径的百分之一）

2️⃣裸光纤阵列 Fiber Array： 把单模光纤或保偏光纤卡进这些V槽里

3️⃣盖板与固定： 盖上盖板用特种胶水将光纤固定V槽里使其无法移动

如上所述 FAU最主要的功能是

高密度高精度完成光from Fiber to Chip 从光纤到芯片的传输

这里所说的Chip 其实就是台积电封装好的光引擎OE

二、使用台积电COUPE封装的OE光引擎长什么样？

下面看下 FAU到底贴在OE的哪个位置？

红色框的位置就是贴fau的地方

上图就是台积电COUPE做出的 OE 光引擎的样子

最下面灰色的部分是封装基板

上面蓝色的部分是PIC也就是光芯片主要集成硅波导光电探测光栅耦合光调制等等功能

再往上绿色的部分是EIC也就是电芯片主要集成驱动器放大器驱动电路等等功能

台积电的核心工艺就是把EIC和PIC用3D晶圆级键合技术SoIC进行堆叠

这种垂直堆叠方式让电信号能以极短的路径极低的损耗转化为光信号

但是有个问题硅本身不发光而且对温度极其敏感

所以负责发光的激光器（CW光源）需要外置也就是ELS外置激光器

然后通过光纤的方式把纯净的光导入PIC

可以发现从FAU进来的光是平行与OE的

但是经过一个45°硅透镜Si lens 的折射就变成了垂直的了

然后光垂直进入GC 也就是光栅耦合器Grating Coupler

通过光栅耦合器GC的再次折射光重新以平行的方式进入 PIC 内部的波导

这里如果你的空间想象能力够好你就可以看出一些端倪：

FAU的光纤位置即使只有一丁点偏差经过两次折射偏差会被成倍放大

导致最后进入波导的光的强度严重衰减

这就注定了FAU必须拥有极其精密的组装和对准耦合工艺

好的现在我们从头梳理一下

光从激光器发射到芯片一共分为五个核心阶段：

1） ELS外置光源产生高功率无调制的CW激光

2 ） CW 激光通过保偏光纤连接到交换机前面板的盲插接口

3 ）通过交换机内部光纤传输至光引擎OE边缘的FAU

4 ）通过 输入侧的FAU （需要亚微米级对准）

5 ）经由光栅耦合器GC 进入硅光芯片PIC内部

三、以Quantum-X CPO交换机为例以及QAs

中间的是ASIC芯片一个ASIC芯片旁边封装了6个光模组

每个光模组有3个OE光引擎连接光纤和光引擎的就是FAU

然后FAU扣到OE上面光从下面垂直打下来大概就是这个流程

这个Quantum-X的由于把光引擎设计成了可拆卸的 fau被挡住了

所以看的不是那么的清楚

下面这个 Spectrum-X CPO就看得更清楚了

这个小插口就是给FAU留的

这里存在两个问题：

1️⃣为什么cw光源的传输要用保偏光纤？

这是硅光的物理特性决定的也是CPO的FAU组装面临的最大工艺壁垒之一

硅光芯片上的光栅耦合器GC 和调制器的 微观物理结构决定他们只能接受特定方向振动的光

如果光的振动方向刚好和PIC的波导对齐光就完美进去了
如果光在普通光纤里传着传着振动方向被“拧麻花” 拧偏了x度那光打在芯片入口处就等于撞在了墙上产生巨大的损耗（通信中断）

看这个示意图可能比较直观：

这个是光垂直方向的震动可以正好通过光栅（这里的光栅是垂直的）

但如果是光水平的震动由于光栅是垂直方向的

就会导致只有特定角度的光会通过其他会被拦截

一个最直观的例子就是：你在自动贩卖机投硬币

虽然硬币很小但投币口是一个特定角度的窄缝

你不仅要对准位置还要把硬币旋转到特定的角度才能顺利投进去

保偏光纤就像是给硬币提前加了一个刚性的导轨

让他在投之前的角度就已经完美对准了投币口

2️⃣ 输入侧的FAU 难道还有输出侧？

有的兄弟有的

因为CW光源里面是纯净的光源并不携带数据

只有光进入PIC 通过MRM微环调制器调制之后

才会把电信号转换有数据的光信号接收同理

所以如图举例的这个36光纤通道的FAU

有4根保偏光纤用来传输纯净的光只用来提供光源

然后16收Tx 16发Rx 一共36根光纤集成在一个FAU里面

随着CPO的渗透以及光传输要求的提升

以后36通道甚至72通道以及2D FAU（光纤叠罗汉不是一整排）

制作2D FAU 需要在V型槽额外做光纤堆叠难度呈指数级增加

这种密度更大制造难度更高的FAU就是家常便饭了

四、手搓FAU的物理精度极限与良率和效率的雪崩

目前国内甚至全球（只不过国内的人力成本低天然的有利于手搓）

制造 FAU 的流程基本靠手工或半自动设备：

剥除光纤➡️切割 ➡️ 放入V槽 ➡️ 滴胶水 ➡️ 盖盖板 ➡️ 固化 ➡️ 研磨抛光

目前光模块用的FAU一般只是4-16通道

而且大多都是边缘耦合EC 不需要进行45°折射容错率较高

但应用场景从光模块到CPO的FAU时

通道数已经到了36甚至72通道戴总说最多的客户有160+通道

你这还怎么手搓？

v槽间距从200-300微米剧烈缩减至100+微米

甚至有些RCBI的特种光纤间距被极限压缩至84微米

在这样的尺度下人类手搓的物理极限被彻底击穿

面临的是非线性的良率雪崩以及极其低效的扩产：

1）非线性累积误差

在微观的材料加工中没有任何结构的尺寸是绝对完美的

V槽通常采用晶圆的湿法刻蚀虽然可以保证一定精确性

但依然会存在纳米级的偏差

同时光纤的外径也存在约0.5微米的制造公差

在4-16通道的光模块时代这些误差的累积尚在容忍范围内

当CPO时代排布到第36根 or 72根光纤时甚至160+根光纤时

会产生可怕的非线性累积。。。

导致后面靠边缘的光纤会完全偏离准心

人工放置光纤工人手部的不均匀会进一步放大这种偏离

根据康宁的技术规范：

对于不超过16通道的FAU 纤芯间距的公差必须控制在0.7um

72通道FAU 其公差被卡1.5um以内

而人类的肌肉控制和视觉疲劳极限

根本无法在几毫米的宽度内同时把控几十根光纤的亚微米级精度

2 ） 胶水固化造成的偏移

手工点胶的胶量无法做到精确控制全靠工人手感

胶水在UV光照或热固化过程中必然会产生体积收缩

如果各通道间的胶水分布不均固化收缩产生的拉力会把原本完美放置在V槽底部的光纤拉偏

即便在固化前对准了光路固化后的光路漂移也会让整个耦合过程前功尽弃

（这个是不是很熟悉这不就是ficonTEC的顶级护城河吗）

【根据这个型号的胶水、今天的温度、光纤的材质，根据以往经验和数据，算法预测胶水固化时它会向左偏2um。所以我在固化前，先向右偏2um】等胶水固化收缩完，光纤刚好被拉到了正中心（摊手‍♂️）那经验、数据哪里来？这二十多年的ficonTEC慢慢积累的，这是硬的护城河。我不是黄仁勋，公众号：我不是JensenHuang 聊一下ficonTEC软和硬的两条护城河

3 ） 保偏光纤的投币难题

前面说了由于保偏光纤的存在

导致你不仅需要对准光纤还需要旋转光纤的角度

使其达到特定的偏振角度。。。手工真的很难实现

是个极其噩梦的手工作业

4 ） 扩产速度

目前行业内 fau制造基本都是靠熟练工人手动/半自动去完成

如果培养熟练工人的话至少需要将近半年的时间

面对未来 CPO 海量的 FAU 需求靠堆人力根本无法实现大规模扩产

五、ficonTEC的全自动光纤预制设备解决了什么问题？