硅光：原理、优点与应用前景

在当今科技飞速发展的时代，硅光作为光通信领域的热门概念，正逐渐走进人们的视野。包括英伟达、英特尔、思科等在内的众多科技巨头，都在大力推动硅光技术的发展，行业也普遍认为硅光将是光通信的未来。那么，到底什么是硅光？它为何如此备受关注？又是如何工作的呢？今天，我们就来深入探究一番。

什么是硅光

在了解硅光之前，我们先来看一下传统的光通信基础架构模型。

这个模型应该比较容易看懂。两台网络设备各自配备光模块，光模块作为 “光电转换器”，能够实现电信号和光信号之间的转换。光模块之间通过光纤传输光信号，光信号到达设备后，经光模块转换为电信号，再通过设备内部的电通道送至交换芯片进行数据处理。其中，SerDes 作为电通道的关键部分，它是英文SERializer（串行器）/DESerializer（解串器）的简称。我们可以把它理解为一个“串行并行转换器+通道”，如下图所示：

我们知道，光通信具有速率高、能耗低、成本低、更抗干扰等优势，其能力远远强于采用铜介质的电通信。若要提升整个通信系统的能力，可将所有数据传输通道改为光通道，主要有两个执行思路。

1、光模块尽可能靠近交换芯片，缩短电通道的距离：事实上，SerDes确实一直都是通信瓶颈。以前通信设备的带宽不高，SerDes勉强够用。

现在，AI浪潮汹涌澎湃，算力集群网络接口动辄要求400G、800G甚至1.6T的带宽。这对电通道来说，是巨大的挑战。

事实上，电通道已经力不从心。电通信的损耗大，SerDes通道的距离稍微长一点，信号就大幅衰减了，速率骤降。

2、我们再多想一步。既然想让光模块尽可能靠近交换芯片，那么，是不是可以干脆把光模块和交换芯片做成“一个芯片”呢？

没错！这种将网络交换芯片和光引擎（光模块）进行“共同封装”的技术，就是现在光通信领域非常火的CPO（Co-packaged optics，共封装光学）技术。

CPO 技术背后的 “将多种光器件集成在一个硅基衬底上” 的技术思想，就是硅基光电子，也称为 “硅光（silicon photonics）”。简单来说，计算机里的 CPU、GPU，以及手机里的 SoC，大多是基于硅材料打造的半导体芯片，属于集成电路；而硅光则是将硅半导体工艺与光通信技术相结合，在硅片上制造、集成光器件，实现光信号的传输和处理，形成 “集成光路”。

硅光光模块的架构和原理

接下来，我们通过硅光光模块和传统光模块的对比，来详细了解硅光的技术细节。光模块的主要功能是发光和收光。传统光模块包含多个组件，既有激光器（光源）、调制器、探测器等有源器件，也有透镜、对准组件、光纤端面等无源器件。

在制造传统光模块时，需要先单独制造这些器件，然后组装起来，变成一个完整的光模块。这个过程，可以称之为“分立器件封装”。传统光模块里既有电芯片，也有光芯片。

有的电芯片负责对光芯片提供配套支撑，如LD（激光驱动器）、TIA（跨阻放大器）、CDR（时钟和数据恢复电路）。也有的负责电信号的功率调节，如MA（主放大器）。另外，还有复杂的数字信号处理（DSP）芯片。

而光芯片主要负责光电信号的转换，例如激光器芯片和探测器芯片。电芯片，主要是基于硅基材料。光芯片，主要是基于III-V族半导体材料，即InP（磷化铟）/GaAs（砷化镓）等。

这里解释一下。半导体材料主要有三类，包括：单元素半导体材料、III-V族化合物半导体材料、宽禁带半导体。

III-V族化合物InP（磷化铟）、GaAs（砷化镓）属于第二代半导体，具有高频、高低温性能好、抗辐射能力强、光电转换效率高等优点，所以很适合作为光芯片的衬底材料。

激光器有很多种类型。不同的类型，使用的半导体材料不一样。可以参考下面这个表：

再来看看硅光光模块。

硅光光模块，采用CMOS制造工艺（就是制造电芯片的那些工艺，例如光刻、刻蚀、沉积等），直接在硅基（Si）材料上制造调制器、探测器以及无源光学器件，集成度明显高于传统光模块。

下面我们逐一分析硅光光模块各部分的具体实现。

●激光器：光模块发光主要依靠激光器，但硅是间接带隙半导体，不适合发光，因此制作硅光光模块时，通常将传统光器件里 InP、GaAs 等 III - V 族半导体材料制成激光器，然后 “外挂” 到硅基芯片上，外挂方法包括异质集成和外延生长（单片集成）等。目前业界倾向于采用 CW（ContinuousWave，连续波）激光器芯片作为外置光源，这种激光器具有稳定的工作状态，可发出连续激光，具备相干性好、可靠性高、波长可调谐、使用寿命长等优势。

●调制器：有了光还需进行调制，以提升光信号带宽，支持更高速率。在硅基电光调制器中，应用最广的调制机制是等离子色散效应，即通过施加电压改变硅材料中的载流子浓度，从而改变折射率和吸收系数，进而控制光信号的强度或相位。常见的基于等离子色散效应的调制器方案包括马赫 - 曾德尔调制器（Mach - Zehnder Modulator，MZM）和微环谐●振腔调制器（Micro - ring Resonator，MRR）。不过，硅基调制器在带宽、驱动电压等关键性能指标上，仍不及传统调制器，在超高速率（如 1.6T 及以上）传输场景中，其信号稳定性需进一步提升。

●波导：波导是引导光波传播的介质装置，可理解为光传输的 “高速公路”。在硅光光模块的芯片上，利用刻蚀等工艺，基于硅与二氧化硅的折射率差异（硅 3.45 vs 二氧化硅 1.45），构建微米级的传输通道（光波导），让光信号以全内反射的方式在通道里传播。硅光光模块里的波导传输损耗极低（小于 0.1dB/cm），占用体积小，硅基材料的高折射率和高光学限制能力，可将光波导宽度和弯曲半径分别缩减至约 0.4 微米和 2 微米。

●探测器：光探测器用于接收光信号，并将其转换为电信号。硅光光模块通常采用锗（Ge）材料与硅波导集成，利用光电效应实现高效率探测，响应速度可达皮秒级。

●复用器与解复用器：WDM 波分复用需将多个波合成一个波送出，解复用则相反。有了复用和解复用，才能支持多波长并行传输，提升数十倍的通信带宽。在硅光光模块里，常见的（解）复用器类型有阵列波导光栅（AWG ）、级联马赫 - 曾德尔干涉仪（MZI ） 型滤波器、微环谐振腔 （MRR ）型滤波器、阶梯衍射光栅 （EDG） 和波导光栅等。

●光信号的耦合：将内部波导与光纤连接起来即为耦合，但耦合会引入插损，需将插损控制在 1dB 以下。传统光模块采用自由空间设计方式，对封装耦合精度要求较低，通常采用人工或半自动耦合方式。而硅光光模块集成度高，耦合对准难度大，微小偏差就会导致较大插损，因此必须采用高精度的自动耦合封装设备，以确保封装精度、良率和效率。目前，硅光的耦合方案在效率与成本方面仍需进一步优化。

硅光光模块的优点

与传统光模块相比，硅光光模块具有诸多核心优势。

1.集成度方面：硅光光模块将波导、调制器、探测器等器件单片集成在单一硅芯片上，组件数量和体积显著减少，体积缩小约 30%，这有助于提高设备的端口密度，适用于 AI 算力集群等高密度部署场景。

2.成本方面：传统光模块依赖昂贵的 III - V 族材料（InP、GaAs）衬底，而硅光主要采用成本较低的硅基材料，硅衬底价格大约是 InP 衬底的二十分之一，成本优势明显。

3.功耗方面：传统光模块采用分立器件，器件之间连接损耗大，通常需 TEC（半导体制冷器）进行温度控制，功耗较高（如 800G 模块功耗可能超过 18W）。硅光光模块实现了高密度集成，减少了连接损耗，对温度敏感性较低，通常无需 TEC，功耗显著降低（约降低 40%，800G 模块功耗可控制在 14W 左右）。这对于数量规模庞大的智算中心来说至关重要，既能省电省钱，又有利于双碳战略的实施。不过，由于集成度高，硅光光模块也容易产生热串扰，影响光信号，这对工艺和设计提出了更高要求。

4.产业链方面：硅光模块可复用目前较为成熟的 CMOS 集成电路产业，其工艺流程中的设计方法、工具、流程、工艺平台等方面，都参考和借鉴了已有的硅半导体相关技术。硅光技术对先进制程的依赖程度较低，电芯片追求个位数纳米制程，而硅光芯片通常使用百纳米级工艺就能满足需求。这使得硅光产业链能够迅速起步，有利于大规模、标准化生产，可大幅降低成本，同时人才培养的难度也相对较小。但目前硅光产业存在标准化不足的问题，各厂商的封装接口与驱动协议尚未统一，对成本有一定影响，也阻碍了规模量产。

硅光的应用场景

硅光目前主要有四个主流应用方向。

●光通信：这是硅光最主要、落地最快的应用领域。随着 AI 的爆发，算力集群网络接口对带宽的要求大幅提高，传统可插拔光模块方案在性能和功耗方面难以满足需求，硅光以及 LPO、CPO 等技术方案备受关注。业界估计，硅光在 800G 模块占比 35% - 40%，1.6T 模块中占比 80%，对于超高速场景，硅光将成为主流方案。根据 LightCounting 的预测，2025 年硅光模块市场规模将超 60 亿美元，年增长率超 40%。国际半导体产业协会（SEMI）预测，2030 年全球硅光市场规模预计将达到 78.6 亿美元，年复合增长率 25.7%。

●激光雷达：硅光技术适合制造低成本、小尺寸、高稳定性的芯片级固态激光雷达（LiDAR），用于自动驾驶、工业自动化等领域。随着车企对自动驾驶、辅助驾驶的推广，对激光雷达的需求增加，带动了硅光的发展。业界采用基于硅光的二维光学相控阵（OPA）技术，可使固态 LiDAR 体积缩小至硬币大小，成本降至百美元级。

●光计算：计算和通信紧密相连，光计算具有天然的并行处理能力和超低延迟特性，特别适合矩阵运算等 AI 核心算法。近年来，研究人员已成功演示了基于硅光芯片的神经网络加速器，其能效比传统电子芯片高出数个数量级。目前，全光计算仍处于研究阶段，但光电混合计算架构具有广阔的发展前景。

●生物传感：这是硅光技术的新兴应用方向。硅光芯片可制作高灵敏度的生物传感器，通过检测样品折射率的微小变化实现分子识别。这种传感器体积小、成本低、可批量生产，有望推动便携式医疗诊断设备的发展，如芯片级光谱仪、快速血液检测系统等。此外，硅光技术还可用于环境监测、食品安全等领域，实现多种化学物质的快速检测。

最后的话

目前，硅光产业正处于高速发展阶段。科技巨头如英特尔、英伟达、思科、IBM 等积极布局，投入大量资源进行技术研发和产线建设。同时，相关的企业并购与产业链整合也在加速，竞争日趋激烈。国内在硅光领域起步较晚，但追赶速度很快，中际旭创、熹联光芯、华工科技、新易盛、光迅科技、博创科技、华为、亨通光电等行业核心企业，基本上都在硅光上有所布局。

光电融合是大势所趋。随着时间的推移，硅光目前面临的挑战终将被解决。在通信、计算和传感领域，硅光具有广阔的应用前景，很可能会掀起新一轮的信息技术革命浪潮。硅光是否会引领我们走向真正的全光世界？让我们拭目以待！