CPO設計仍有多重的挑戰待克服，包括光/電訊號整合、光耦合訊號損失、熱能管理及封裝結構穩定性等。這些挑戰依賴模擬工具，以進行精準分析與優化。
電訊號分析優化CPO布局
(承前文)Ansys Principal Application Engineer Jerry Lai(圖4)指出，CPO封裝需要考慮電訊號傳輸與光耦合的挑戰，需要分析並整合CPO內部的電訊號，以確保電訊號通道的完整性。例如電訊號通道設計的主要考量，在於Tx跟Rx訊號經過基板的時候，可以保證訊號能完整地在Tx與Rx之間傳輸。分析時，需要使用Ansys的HFSS工具提取通道的模型。
此案例中，電晶片(EIC)放在矽光子中介層上，EIC與中介層中間的凸塊(Bump)並不多。矽光子中介層則透過TSV，連接封裝基板。針對上述案例的布局，由於元件的物理限制，ASIC無法放在EIC旁邊。通常ASIC與EIC之間的距離越短，訊號損失越小。但是將電訊號通道上的阻抗或是諧振等問題，則可能讓ASIC與EIC之間的接線越長，訊號完整度越高，因此需要透過全面的訊號分析，來改善布局，確保訊號完整性。
散熱模擬不可或缺
CPO封裝的另一項挑戰，在於晶片整體的散熱設計。Ansys Lead Application Engineer Steven Ting(圖5)指出，熱的移動來自傳導、輻射、對流，每一個元件都會影響散熱設計，晶片設計初期需要事先模擬，考量綜合因素後，執行合理的散熱設計。若是CPO晶片的散熱設計不良，後期可能來不及補救。分析晶片中熱能分布的第一步，是需要使用良好的熱能監控系統，以得知裝置內所有元件的狀況，以及熱能如何移動。
CPO的設計挑戰在於晶片使用更多的雷射，而且雷射會裝在光晶片(PIC)上面，導致各種訊號完整性(SI)與電源完整性(PI)的問題，因此需要事先模擬相關的參數。CPO的散熱設計透過模擬工具的輔助，例如分析晶片在系統端的溫度場數據，進行光源模擬的運算。
封裝結構影響穩定性
CPO應用除了要確認元件的訊號完整性與散熱設計，製程的可靠度也至關重要。Ansys Senior Application Engineer Chucky Chang(圖6)解釋，隨著封裝技術進入2.5D/3D封裝，元件之間越來越靠近，元件更容易互相影響。例如晶片結構設計完成後，經過溫度等測試，可能沒發現部分的結構缺陷，就進入量產。實際量產完成後，放到系統上電的熱效應可能與預期不同，最終影響晶片的結構問題。
CPO的結構複雜，加上CoWoS製程需要花費的時間很長，應用CPO技術的晶片在設計階段，就要先行確認封裝的可靠度。包含在基板與PCB對接時，是否出現翹曲的問題，導致連接失敗，造成系統故障。或者熱能在封裝內部，以及將晶片放到客戶的系統上，結構的穩定性是否因為溫度變化而受到影響，透過結構設計模擬，從根本確保封裝的可靠度。
光耦合設計挑戰重重
CPO技術的另一個大重點，是Chip-to-fiber的光耦合設計。Ansys Senior Application Engineer Sean Lin(圖7)說明，光耦合進光纖有兩種主流方式，包含邊緣耦合器(Edge Coupler)與光柵耦合器(Grating Coupler)。邊緣耦合器的波導跟光纖的端口是平行的，過程中需要微透鏡(Microlens)或者一些轉換器來轉換模式。而光柵耦合器則將光束從平行，透過繞射轉換成垂直，進而與光纖對位。在此方法中光晶片的光經過波導(Waveguide)，會在矽上面形成週期性的光柵結構。完成週期性的光柵結構後，光束就會被此結構繞射，離開波導，經由矽的傳遞形成微透鏡，最後與光纖耦合。對於CPO的設計而言，光柵耦合器具有優勢，因為光柵與微透鏡可以直接在矽上面形成結構。但是光柵耦合器的光束由水平變為垂直，相較邊緣耦合器較容易耗損訊號，兩種技術都各有優缺點。
在光晶片的設計過程，光柵或是波導的尺度都是奈米(nm)級，或者接近波長等級的範圍，電場效應會非常明顯，需要不同的模擬軟體輔助。光訊號離開波導進入光纖的情況下，光纖的尺寸大約是10mm左右。
針對nm及mm尺寸的元件，需要用不同的軟體工具測試。在CPO設計時，也會需要在光纖的接口增加微透鏡，增加對位與公差的容忍度，也要用相應的設計與模擬工具。
CPO技術與矽光子作為解決資料中心傳輸瓶頸的關鍵技術，亦面對多重挑戰。從光電訊號整合、光耦合設計，到散熱與封裝的穩定性，相關技術的進步為資料中心的高速傳輸及AI運算奠定穩的基礎。同時，矽光子應用不限於資料中心的高速傳輸，光電晶片也能用於高精度感測。隨著模擬與設計工具及生態系越來越完整，CPO支援生成式AI資料中心運算的時代已近在眼前。
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