【光电共封CPO】光电共封不只是CPO，新的引爆点或在量子计算

【本文涉及的相关企业】：Resolute、Xanadu、NTT、Senko、QuantumCTek

光电共封新的引爆点-量子计算(图源：深芯盟）

量子计算的进展

在半导体行业，封装一直都是“扫地僧”的待遇，人们总是对晶圆和设计谈论颇多，而真正懂行的其实明白，对于工艺节点发展到现在，封装不再是末端的打线与塑封，而是决定产品最终成败的核心工程问题。就在2025年第75届 IEEE的ECTC大会，量子计算领军企业Xanadu和Senko等企业带来一份特别的议题--量子封装，并且详细介绍了量子光子系统在物理层链接和先进封装上的最新进展，也抛出了一个观点：量子计算不是纸上谈兵，芯片在量产前光子封装将是其最大瓶颈。

在近三年时间内，量子光子芯片(Quantum Photonic Integrated Circuits, QPICs)在超低损耗耦合、光电异质集成以及工业化量产三个方面取得不错的进展。为了解决量子比特操控中电信号与光信号的超快同步，封装技术正从“分离组装”转向“集成共封装”，尤其是量子光子系统对量子层面的精度和控制要求极高，封装方案必须要解决量子密钥分发 (QKD) 和量子光子计算这两大难题，最终的封装体是建立一个复杂且高度精密的量子系统，将高保真量子光子系统集成到量子物理层中，以处理单光子或纠缠光子量子比特。

Xanadu的方案则是优化底层核心来提升GKP量子比特性能：

采用高斯玻色采样 (GBS) 单元生成qubits

通过小型（2-4 模式）光子电路纠缠压缩态（Squeezed states）

使用光子数分辨 (PNR) 探测技术作为 GKP 量子比特创建成功的信号

从 2018 年的单元演示，到 2019、2020 年的芯片级演示Xanadu的Aurora获得飞跃式提升，封装集成了包含 24 个基于氮化硅 (SiN) 波导的源芯片，84 个压缩器 (Squeezers) 和 36 个 PNR 探测器，并且首次实现了全封装、模块化和机架集成 (Rack-integrated)。

Aurora 系统集成了 6 个基于薄膜铌酸锂 (TFLN) 的多路复用 PIC,因为铌酸锂具有极强的电光效应，允许系统以极高的速度从电子路径切换到光子路径，对于需要处理高速信号至关重要。并且其每个 PIC 包含一对 4:1 二进制树状结构，能够将 8 个输入端的高速信号切换到 2 个输出端，这样一来，整个“探测-处理-反馈控制”的动作可以在约 1240 纳秒 (ns) 内完成。

量子光子封装的难点和突破

Xanadu整个报告也在揭示一个观点，异质集成 (Heterogeneous Integration)将成为必然，随着量子技术的发展，需要将不同材料和技术集成到一个无缝运行的内聚单元中，而这种工程化的技术本身就是一大跨越式的创新。同时联合封装开发的厂商Senko和NTT共同总结了量子光子封装的亟待解决的独特挑战：

异质集成 (Heterogeneous Integration)：将磷化铟、硅基光子学、以及薄膜铌酸锂 (TFLN) 等多种材料集成到单一封装单元中，以实现高性能量子比特操控。

最小化光子损耗 (Minimizing Photon Loss)：量子信号极其脆弱，减少传输过程中的损耗是封装的首要任务。

热稳定性 (Thermal Stability)：确保系统在特定工作温度下的稳定性，以维持量子态的相干性。

维持相干性 (Maintaining Coherence)：封装技术必须能够保护量子态不被环境噪声干扰。

转导方案 (Transduction Schemes)：涉及不同物理媒介间信号转换的封装处理。

Senko的量子光子集成电路封装（Quantum Photonic Integrated Circuit PACKaging）专门为量子光子集成电路（QPICs）开发高性能的封装解决方案采用 CudoForm MPC 作为核心连接器实现高密度的光纤耦合。并且着重强调了最小化耦合光损耗的重要性，相比于光栅耦合（垂直耦合），边缘耦合通常能提供更宽的带宽和更低的插入损耗，还能更好地实现光纤与芯片波导之间的模场匹配，从而提高量子保真度。

对于其自家的光纤连接方案Senko也展示了在CPO上的大规模应用，边缘耦合相比于光栅耦合具有更高的耦合效率和更宽的带宽。Senko作为全球光纤连接器专家也指出未来量子计算技术十分依赖于大规模的光学连接器互联传输，从异质集成到插入损耗再到封装热管理，量子芯片封装和光电共封如出一辙，封装工程学的核心始终没有改变。