文章核心观点 - FAU（光纤阵列单元）是实现光纤与硅光PIC高效光耦合的关键无源器件，受益于CPO/NPO技术迭代，FAU正朝着高通道数、高密度、二维矩阵及可拆卸方向演进，量价齐升逻辑清晰，市场空间广阔 [5][20][33] - 标准单模光纤模场直径约9μm，呈近高斯圆形光斑，而硅光PIC波导导模为非对称扁椭圆模场，横向尺度通常为亚微米级（如0.3-0.5μm），二者天然存在显著模场失配，耦合需要连接桥梁完成模场变换与精准定位 [7][13] - 光学耦合的本质是两个模场的匹配（大小、形状、偏振等），微小的偏移都会导致严重的光损耗 [13] - 光从光纤到硅光PIC需要器件完成模场转换与精准定位，一方面需要耦合结构完成光路转换和模式匹配，另一方面需要依赖高精度物理接口实现位置对准与固定 [14] - FAU、棱镜、透镜等是实现耦合的关键无源器件，双透镜方案中光纤出射光先经透镜扩束与准直，光斑放大后再由另一面透镜聚焦收拢以适配PIC芯片尺寸，同时需搭配棱镜、FAU实现光路转向、光纤排布、端口位置对准，部分方案还需模斑转换器进行模场转换 [14] FAU是实现光耦合的关键无源器件 - 光纤与硅光波导在大小、形状、偏振三个维度均存在差异：大小方面标准单模光纤模场直径9μm、硅光波导尺寸0.5μm；形状方面光纤纤芯截面是对称圆、硅波导是扁椭圆；偏振方面硅光波导呈扁平型适配TE模而不匹配TM模，外置光源ELS供光必须保偏 [9] - 耦合所需关键无源器件包括：球透镜/非球面透镜/微透镜阵列（MLA）实现准直/聚焦/扩斑；反射镜/普通棱镜实现折转光路；棱镜透镜一体化阵列（PLA/MPLA）在同一基片集成微透镜面与45°全反射斜面实现准直+折转，省去独立棱镜与透镜之间的装配界面、降低封装复杂度；FAU实现多通道定位+端面接口；玻璃桥（GlassBridge）基于IOX离子交换玻璃波导实现定位+变斑+降低对准公差；模斑转换器（Spot Size Converter）通过倒锥结构将硅波导从常规宽度逐步收窄至100–150nm尖端实现片内模场转换 [11] - FAU是把多根光纤以微米级精度排列固定在一片基板上的组件，通过把多根光纤排成一个整体阵列，一次对准光芯片上的多个通道，实现光信号的批量耦合 [20] - FAU结构一般由V槽基板、光纤带、盖板三部分组成：V槽基板多采用玻璃基材，通过精密刻蚀在表面加工微米级V槽阵列为光纤提供定位基准；光纤带前端区域通常剥去光纤涂覆层露出裸纤用于对准耦合；盖板压合在光纤上方起压紧和固定光纤、防止光纤偏移的作用；最后依靠固化胶水将这几部分粘连成整体；CPO/NPO外置光源方案中的光路对偏振状态敏感，还需配套保偏FAU严格管控光纤偏振轴角度 [20] - FAU制造包括基底研磨、V槽加工、排纤对准、盖板组装、点胶固化、切割抛光、端面研磨等多道核心工序，对加工精度要求严格，各工序环环相扣，任一环节的精度偏差都将影响耦合损耗 [17] - 各工序加工难点包括：V槽加工需要在高精度下保持材料不开裂；排纤对准需要大量人工剥纤与交叉叠层；保偏场景还需同步管控偏振轴角度；点胶固化收缩容易导致光纤位置偏移；后续切割抛光及端面研磨需要控制端面角度、粗糙度，避免端面缺陷带来额外插损 [17] - 具体工艺挑战：硬脆基材加工易崩边、开裂，V槽节距加工精度要求高；光纤定位误差沿阵列累计，良率随通道数下降，通道间距不断压缩；胶固化收缩易导致光纤位置偏移，牵拉光纤引入应力，对PM-FAU影响显著；切割成所需尺寸对端面研磨，斜面整排研磨易凹陷不均 [19] CPO/NPO技术迭代驱动FAU量价齐升 - MT-FA是传统可插拔光模块里目前最常见的FAU形态，集成在光模块内部，主要由MT插芯、FAU和中间段的光纤带三部分组成：MT端通常为黑灰色方块，被固定在光模块前端光口内部，通过MT插芯、MPO连接器接到外部光纤；FA端通常由透明石英玻璃或硅片制成的扁平长块，裸纤被整齐排列在V槽中连接光模块内部；光纤带通常为一排扁平的光纤 [24] - MT-FA中常见的FA为4、8、12、16通道等，逐渐向更高通道演进，目前主流的800G、1.6T光模块多采用8通道方案（单通道速率分别为100Gb/s、200Gb/s），通常对应2个8通道FA，或1个8通道FA（发射端）+2个4通道FA（和接收端探测器PD阵列排布方式有关），另一端是1个16芯的MT或者2个8芯的MT（或12芯兼容） [24] - 随着AI算力持续扩张，集群对光互连带宽需求快速攀升，光引擎带宽持续升级，带宽越大单位bit传输的成本更低、功耗更低及尺寸更小；总带宽=通道数量×单通道波特率带宽×调制倍数，提升总带宽的方案主要包括三种 [32] - Ultra fast方案：单通道速率将向400G及以上演进，预计未来将在3.2T及6.4T光模块产品、Scale-up中的CPO光引擎等场景中应用 [32] - Fast and wide方案：200G单通道的速率，通过增加通道的数量提高带宽，在可插拔和CPO/NPO领域还有非常广泛的应用 [32] - Slow and wide方案：通过使用数百个低速并行通道来替代少量高速通道，比如英伟达发布的Slow and wide技术方案中，在光引擎与有机封装之间的中介层大幅提升凸点数量与引脚密度，支撑多通道并行传输 [32] - 当前800G、1.6T光模块的单通道速率通常为100G或200G，当NPO、CPO的光引擎速率提升到3.2T、6.4T及更高速率，而单通道速率400G技术尚未成熟的情况下，Fast and wide（快通道和多通道数）的200G单通道速率方案仍是现阶段的主流路线 [32] - CPO/NPO架构下光电器件距离更近，高速率倒逼高精度耦合：当光引擎位置从前面板挪到靠近芯片侧，电信号传输距离大幅缩短，光电器件距离拉近，空间更加紧凑，同时单个光引擎速率也从当前可插拔的800G、1.6T提升到3.2T、6.4T，对耦合提出了更高的精度要求 [33] - 向高通道数迭代：单通道速率100Gb/s和200Gb/s的情况下，目前3.2T/6.4T光引擎普遍为32通道，对应常用FAU就是32/36通道，因外置光源（ELS）方案需通过保偏光纤将光信号从前面板引入光引擎，所以会用到4根保偏光纤和32根单模光纤（16收+16发），对应36通道的FAU，随着未来速率提升FAU还有往更高通道数发展的趋势 [33] - 向高密度迭代：可插拔光模块MT-FA的纤芯间距一般为250μm，在FAU尺寸相当的情况下，CPO/NPO架构下的纤芯间距逐步向高密度演进，常见的比如127/80µm等 [33] - 传统可插拔光模块与CPO/NPO场景FAU对比：连接位置方面，传统场景靠光芯片端是FA、MT端外接MPO跳线（导针盲插）、中间段是光纤，CPO/NPO场景靠PIC端是FAU、从面板移入托盘内基板/PCB板、另一端还是MT/MPO连外部光纤；光引擎速率方面，传统为400G/800G/1.6T等，CPO/NPO为3.2T/6.4T等；单通道速率均为100Gb/s、200Gb/s；通道数方面传统为4/8/12/16/24，CPO/NPO更高如32/36/42；纤芯间距方面传统为250μm（MT标准），CPO/NPO为127/80μm；对准方式均为主动对准 [29] FAU方案演进 - 传统可插拔光模块的MT-FA普遍采用一维线性排列；为了应对51.2T/102.4T大带宽CPO交换机的引出线密度，FAU一方面将通道间距向127μm等更窄距离压缩，另一方面也演进出矩阵式的二维光纤阵列，在不增加芯片边缘长度的前提下使单位面积内的光互连密度实现成倍跃升 [38] - 一维FAU：单排V槽线性光纤排布，工艺成熟、成本低、对准简单，一般用于边缘耦合、低速/中密度光模块；但通道密度天花板低，只能沿芯片侧边出光，当CPO、NPO方案的光通道数量提升，芯片侧边空间不足 [38] - 二维FAU：矩阵式多行多列光纤，通常搭配微透镜阵列，适配垂直光栅耦合方案，不占用芯片侧边空间，同等空间下通道容量相比一维呈倍数提升，同时也支持晶圆级并行光学测试，提升检测效率；目前二维FAU的加工有多排V槽堆叠和基板微孔打孔等方案 [38] - CPO/NPO高密度光互连对封装良率、现场可维护性等方面提出了更高要求，FAU的连接形态也逐渐从固定式FAU往可拆卸的D-FAU转变，目前各家厂商的D-FAU都有自己的产品形态和方案 [39] - 固定式FAU：传统FAU大多通过胶水与PIC芯片或基板永久固化，贴装后就成为不可拆卸的状态，早期的CPO交换机方案就是固定式FAU，这种方案结构简单、成本不高，但核心问题是不可维护，若出现故障一般要和光引擎或ASIC基板整体更换 [39] - 可拆卸FAU（Detachable FAU）：核心是加了一套可分离的机械底座，通过采用分离式底座+定位插头+FAU的三段式结构，将光学对准与机械连接解耦，金属底座先SMT贴装到引擎基板，经历系列焊接等高温环节后，再将FAU与定位插头扣合，支持反复插拔对接、故障时单独更换FAU而保留光引擎或ASIC基板 [39] - 随着CPO/NPO方案的FAU走向高密度，光进出芯片的耦合方案也成为选择的关键变量，行业主流分为边缘耦合与光栅垂直耦合两个路线，当CPO/NPO方案的FAU向二维、可拆卸等方向演进，光栅垂直耦合将更适配CPO/NPO方案 [42] - 边缘耦合：光从芯片侧面水平射入/射出，对准端面锥形波导，具备低插损、多波长适配等优点，但对准要求严苛、受热漂移影响大，二维边缘耦合实现难度大；传统光引擎通常是边缘耦合方案，博通第一代、第二代CPO交换机也是边缘耦合 [42] - 垂直/光栅耦合：光垂直或斜向射入/射出，经光栅衍射再进入波导，主要优势是可兼容多排光纤、支持晶圆级测试、对准容差更大，但插损高、偏振敏感；英伟达基于台积电COUPE平台的CPO方案倾向于光栅垂直耦合，并通常会搭配微透镜阵列减少光的损耗 [42] FAU市场空间 - FAU作为高速光电互连的核心无源器件，未来将随CPO/NPO的发展快速起量；根据QYResearch调研数据，2025年全球光纤阵列单元市场规模大约为2.27亿美元 [43] - 全球AI基础设施建设正加速CPO等技术的规模商用，由于CPO架构对高密度、小型化以及接口可维护等设计，对无源内连器件提出了更高的要求，随着CPO技术的逐步成熟和规模应用，FAU等器件将迎来巨大发展潜力 [43] - 根据爱德泰科技的招股说明书预测，CPO光纤阵列单元的市场规模预计在2030年达到213亿元，2025至2030年的年均复合增长率为253.2% [43] - CPO光纤阵列单元（FAU）市场规模预测：2025年2亿元、2026E 10亿元、2027E 32亿元、2028E 77亿元、2029E 116亿元、2030E 213亿元，2025-2030年CAGR为253.2% [45] - CPO光纤柔性板（Shuffle box）市场规模预测：2025年1亿元、2026E 3亿元、2027E 12亿元、2028E 51亿元、2029E 160亿元、2030E 213亿元，2025-2030年CAGR为212.2% [45] FAU产业链 - 基材与结构件环节：玻璃原片与基材涉及康宁、AGC、旗滨集团、力诺药包等；V槽基板与盖板涉及蓝特光学等；MT插芯与结构件涉及天孚通信、太辰光、仕佳光子 [47] - 光学件与设备环节：微透镜等光学件涉及舜宇光学、大立光等；MLA微透镜阵列涉及舜宇光学、大立光等；硅透镜、微棱镜涉及宇瞳光学等；自动化设备（对准耦合、排纤、穿纤等）涉及罗博特科、瑞松科技、鸿日达、猎奇智能、锡神技术等；检测设备涉及Physik Instrumente、万润、高明铁、东佑达、大立光等 [47] - FAU成品（组装与耦合）环节：边缘耦合/光栅垂直耦合FAU、MT-FA、高通道FAU、可拆卸D-FAU、保偏FAU涉及天孚通信、太辰光、仕佳光子、光库科技、腾景科技、致尚科技、杰普特、长芯博创、亨通光电、爱德泰科技、光卓通信、福可喜玛、凯航科技、唯科科技等 [47] - 光模块与光引擎环节：传统可插拔光模块涉及中际旭创、新易盛、Coherent、索尔思光电、光迅科技、华工科技、上诠、波若威、大立光、玉晶光等；CPO/NPO/XPO等涉及中际旭创、新易盛、Coherent、索尔思光电、光迅科技、华工科技、上诠、波若威、大立光、玉晶光等 [47] - 终端客户环节：Hyperscaler/云厂商、电信运营商 [47] - 光纤环节涉及长飞光纤、特发信息、通鼎互联等；MT插芯与结构件涉及天孚通信、太辰光、仕佳光子、康宁、Senko、Coherent、Molex等 [47]