2. 光互连物理基础
板级光互连的本质，是把电信号在 PCB 上“跑铜线”的传输问题，转化为光信号在聚合物或玻璃波导中“跑光”的传输问题。理解这条链路能否成立，必须回到四个物理量：光被约束在波导中的方式（模式）、能量随距离衰减的速度（损耗）、不同频率成分到达时间的差异（色散），以及功率升高后介质折射率被自身光场改变的程度（非线性）。本节围绕这四个量，说明它们如何共同决定板级链路的插入损耗预算、眼图张开度与可用光功率上限。
一、全反射与波导约束：光为什么能“拐弯”走
板级波导通常采用三层结构：下包层、芯层、上包层，芯层折射率 n₁ 略高于包层 n₂。光从芯层射向界面时，若入射角大于临界角 θc = arcsin(n₂/n₁)，界面发生全反射，光被“锁”在芯层内向前传播。以聚合物波导为例，芯层 n₁ = 1.56、包层 n₂ = 1.51，则 θc ≈ 75.5°。这意味着只有传播方向与波导轴夹角小于约 14.5° 的光线才能被稳定导引，其余光线会折射出芯层形成辐射损耗。
实际波导并非只有一条光线，而是支持一组离散的传播模式。用归一化频率 V = (2πa/λ)·√(n₁²−n₂²) 判断模式数量，其中 a 为芯层半宽、λ 为真空波长。当 V < π/2 时波导仅支持基模，称为单模条件。对 λ = 850 nm、n₁ = 1.56、n₂ = 1.51 的矩形波导，√(n₁²−n₂²) ≈ 0.393，单模要求 a < λ/(4×0.393) ≈ 0.54 μm。板级多模波导芯层常做到 20～50 μm，V 值远大于 π/2，会激励出数十甚至上百个模式。
二、损耗机制：从 dB/cm 到链路预算
板级波导损耗由四部分构成：材料吸收损耗、瑞利散射损耗、侧壁粗糙度散射损耗和弯曲辐射损耗。前两者由材料本身决定，后两者由工艺决定。聚合物波导在 850 nm 窗口的典型损耗为 0.05～0.3 dB/cm，在 1310/1550 nm 窗口因 C–H 键吸收而升高到 0.3～1.0 dB/cm。弯曲损耗与弯曲半径 R 强相关，当 R 小于临界半径时损耗急剧上升，典型聚合物波导的临界半径在 2～10 mm 之间。
链路预算按“发射功率 − 各段损耗 ≥ 接收灵敏度 + 裕量”计算。以一个 30 cm 板级链路为例：VCSEL 出纤功率 0 dBm，波导损耗 0.2 dB/cm × 30 cm = 6 dB，两个 45° 反射镜耦合各 1.5 dB，连接器 0.5 dB，总损耗约 9.5 dB，接收端到达 −9.5 dBm。若探测器灵敏度为 −12 dBm，则裕量仅 2.5 dB，对温度漂移和老化非常敏感。降低损耗的关键在于：缩短波导长度、增大弯曲半径、降低侧壁粗糙度（目标 RMS < 20 nm）。
三、色散：不同模式与不同波长“跑得快慢不一”
色散分为模式色散、材料色散和波导色散。板级多模波导中，模式色散占主导：不同模式沿轴向的群速度不同，基模最快、高阶模最慢，到达时间差 Δτ = (L/c)·(n₁ − n₂)/n₁ 量级。对 L = 30 cm、n₁ = 1.56、n₂ = 1.51，最大模式时延差约 30/3×10⁸ × 0.05/1.56 ≈ 32 ps。若数据率为 25 Gbps（UI = 40 ps），32 ps 的时延差已接近一个 UI，会造成严重的码间干扰。
材料色散由折射率随波长变化引起，在 850 nm 处聚合物 dn/dλ 较大，谱宽 1 nm 的 VCSEL 可产生约 0.1 ps/nm·km 的脉冲展宽。波导色散则与模式分布随波长的变化有关，单模波导中它与材料色散可部分抵消。板级链路若采用多模波导，抑制色散的主要手段是：使用单模或准单模波导、限制模式数量、采用窄谱宽光源。
四、非线性效应：功率升高后的“自扰动”
当波导中光功率密度足够高时，折射率变为 n = n₀ + n₂·I，其中 I 为光强、n₂ 为非线性折射率。聚合物 n₂ 约 10⁻¹⁴～10⁻¹³ cm²/W，虽比硅低，但在小芯层、高功率下仍可观测到自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）。SPM 使脉冲频谱展宽，与色散共同作用导致脉冲波形畸变。对板级链路，VCSEL 输出功率通常为 1～10 mW，芯层 20 μm × 20 μm 时功率密度约 2.5～25 kW/cm²，远低于非线性显著阈值（通常 > 1 MW/cm²），因此非线性在常规板级链路中不是主要限制。但在高功率、小芯层或长距离级联场景下，需将非线性纳入预算。
五、四类效应如何共同决定链路可用性
把上述四类效应放在一条链路上看：模式决定有多少条“路径”同时传输，损耗决定到达接收端还剩多少功率，色散决定这些路径到达时间是否对齐，非线性决定功率能否继续提高。四者相互制约——增大芯层可降低耦合难度但增加模式色散；提高功率可改善信噪比但可能触发非线性；缩短波长可降低材料吸收但增加散射损耗。板级光互连设计的核心，就是在给定数据率、距离和工艺条件下，找到这四者的平衡点。