【光电共封CPO】超透镜（Metalens）或许藏着光芯片的未来

Metalens各种应用(图源： 光学学报论文《超构表面赋能先进多光谱成像与图像特征检测》）

电+光+热多模融合测试

2025年SWTest半导体测试大会在日本横滨县落下帷幕，业界重点关心的硅光子学产业议题更是火热，硅光晶圆级测试在整个硅光芯片产业举足轻重，而且也透露出一个明确的信号：测试，不再是封装的下游环节，而是先进封装和硅光芯片产业的核心枢纽。

2025SWTest Asia大会硅光测试议程（图源：SWTest）

随着AI算力产业尤其是GPU的功耗飙升，铜缆互联逐渐退出舞台，可拔插光模块和光电共封CPO开始崭露头角，3D封装将电气芯片、硅光芯片、多层HBM、玻璃基板等先进技术共同封装在一起，若无可靠且准确的测试来验证的话，量产落地则只是纸上谈兵罢了。所以此次议题有关于硅光子学、光电共封CPO、光电OIO等议题尤为火热，从晶圆级光子测试、2D/3D光纤阵列（FAU）对准，到800G/1.6T光引擎的BER与眼图评估，硅光子测试生态正在逐渐走向成熟量产环节。

同时测试厂商也展示了自家最新的多模态测试探针卡，探针卡不再只是电气接口，正在演变为“电+光+热 三场融合的多模态测试平台。也就是说，测试行业的下一个风口，就是光电异构集成的芯片测试了。

COUPE的Metalens方案

不光是测试大会，此前的TSMC 2025大会、Nvidia的GTC盛会都将硅光子学作为核心，TSMC和Nvidia联合打造的COUPE平台更是整个AI产品的一次重构。COUPE不单单是把光互联的光模块缩小并集成到封装内部，更是将光学耦合工艺、光电异构集成、芯片热管理和封装工程等学科交织融合在一起。TSMC更是在公开场合多次提及一项技术：Metalens（超透镜），这项被巨头押注为光学耦合核心技术究竟有何魔力，让我们来详细梳理下。

Metalens技术可以说是光学、材料学和纳米制造技术共同进步的产物，早在2000年左右，业界就有研究三维结构可以实现负折射率、衍射成像等超越传统光学的技术，经过十年的发展，哈佛大学 Federico Capasso 教授团队在《Science》发表里程碑论文。他们提出利用界面上的相位突变来控制光路，推导出了“广义斯涅尔定律”。这标志着从 3D 超材料向 2D 超表面（Metasurface） 的转型，奠定了 Metalens 的理论基础。传统镜头需要精密加工出特定曲率的曲面，然后确定每片透镜之间气隙，最终集成；而超透镜则是基于超构表面（Metasurface） 的平面光学器件，其厚度可做到几百纳米厚，通过仿真模拟计算出亚波长结构的排布方式，然后在纳米尺度上精确控制表面成型，精确调控入射光的相位、偏振和振幅，实现波前任意整形。

TSMC的COUPE结构图（图源：TSMC）

TSMC的COUPE平台在光电共封封装体需要用到2D光纤阵列（FAU），尤其是在下一代800G/1.6T上，但光纤与光芯片的垂直对准误差容忍度＜1μm，透镜方案良率直线下降。所以COUPE开发了Metalens用于波前整形，将发散的激光束“拉直”并精准聚焦至光栅耦合器，大幅提升垂直耦合效率，目前TSMC COUPE平台上，晶圆级Metalens耦合方案已实装，产业来到了量产爆发前夕。

随着TFLN、BTO（钛酸钡）、光敏聚合物等新材料开发，Metalens不再简单的作为被动聚焦的静态透镜，可成为波长可调滤波器、偏振/相位调制器和Meta-PCSEL（超构表面+光子晶体激光器）等全新角色。

产业格局，巨头押注

不仅是TSMC在开发Metalens，台湾交大与鸿海研究院（HHRI）也合作开发出一款Meta-PCSEL芯片，可将结构光投影模组体积压缩至0.025 mm³，功耗降低30%。Celestial AI在自研Photonic Fabric平台中也着重强调了光学解耦的重要性，下一代在光学解耦和波前整形上和可能会用到Metalens；Lightmatter：Passage光互连、Ranovus：超低延迟链路和Ayar Labs：专注芯片内嵌式光I/O（取代SerDes）都是从技术底层重构互联的产业格局。

HHRI的Meta-PCSELs（图源：Nano Letters）

哈佛 Capasso 教授创立的独角兽公司Metalenz，已经与意法半导体 (STMicro) 合作实现了量产出货，并且业界更传出UMC将联合Metalenz共同打造40nm CMOS超构表面产线；丹麦Nil Technology公司则押注与纳米压印技术制造高精密Metalens。国内的纳德光学、迈塔兰斯、光子算数等初创公司也在跟进研究。

当然Metalens不光是光互联芯片中的一环，其战场远不止数据中心，AR/VR设备上Pancake 光学，Metalens 可大幅减重，并且可以作为眼球追踪用的红外摄像头模组，并且在更广域的光纤互联中光波导耦合的波束控制器。

结语

光电异构集成是一次产业革命，Metalens是从实验室走向产业量产的最好范例，COUPE中有Metalens意味着，光学不再是异构集成中的外挂，而是光电芯片的核心。这个不足头发丝百分之一的超透镜，或许真的藏着光芯片的未来。

*参考资料

1.《TSMC COUPE技术白皮书》

2.《Ayar Labs × GUC 2.5D集成方案》

3.《TSMC COUPE × Metalens: Building the Key Optical Architecture for NVIDIA’s Next-Generation AI Interconnect》