文章来源：鲜枣课堂
硅光，是光通信领域的一个热门概念。包括英伟达、英特尔、思科等在内的很多科技巨头，都在力推硅光。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？为什么要发展硅光？硅光又是如何工作的？ 今天这篇文章，我们来一探究竟。 什么是硅光 在介绍硅光之前，我们先来看一个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，都有各自的光模块。光模块是一个“光电转换器”，可以实现电信号和光信号之间的转换。光模块和光模块之间是光纤，传输光信号。 光信号到达设备后，通过光模块转换成电信号，再通过设备内部的电通道，送到交换芯片，进行数据处理。 SerDes，是这个电通道的关键部分。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： 大家同样应该知道，光通信的速率高、能耗低、成本低、更抗干扰，能力远远强于采用铜介质的电通信。 如果想要实现整个通信系统的能力提升，我们就应该：把所有的数据传输通道，都改成光通道。 这就有两个执行思路： 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技术的背后，这种“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，也叫——“硅光（silicon photonics）”。 更简单来说： 计算机里的CPU、GPU，还有手机里的SoC，基本上都是基于硅材料打造的半导体芯片，是集成电路。 而硅光，是将硅半导体工艺与光通信技术进行结合，在硅片上制造、集成光器件，实现光信号的传输和处理，变成了“集成光路”。 硅光光模块的架构和原理 接下来，我们不妨通过硅光光模块和传统光模块的对比，来看看硅光的技术细节。 光模块的主要作用是发光和收光。传统光模块包含了多个组件，其中，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。 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。 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。 硅光光模块的内部构造（来源：Intel） 放大来看： 硅光光模块和传统光模块在功能上，其实是差不多的。都是下面这样的架构： 来源：《400G FR4硅光收发模块的研究》（宋泽国等） 无非是硅光光模块，把所有的器件都进行了集成，变得更加紧凑： 400G硅光光模块架构（来源：Intel） 来源：imec 下面这个，就是一个硅光光模块的封装构造示意图： 接下来，我们逐一来看各个部分的具体实现。 激光器 光模块，发光是第一步。而发光，主要靠激光器。 有意思的是，硅光别的器件都好说，偏偏激光器这块，是最大的短板。 硅是间接带隙半导体，本身特性就是不适合发光（电子和空穴复合时释放光子的效率较低）。所以，在制作硅光光模块的时候，通常不会直接在硅芯片上制造激光器，而是将传统光器件里InP、GaAs等III-V族半导体材料做成激光器，然后“外挂”到硅基芯片上。外挂的方法，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。这种激光器拥有稳定的工作状态，可发出连续激光，具有相干性好、可靠性高、波长可调谐、使用寿命长等优势。 调制器 有了光，还需要进行调制，让它可以表达更多的“0和1”。调制之后，光信号带宽得以提升，才能够支持更高的速率。 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：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。 硅光器件的示意图 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）。 马赫-曾德尔调制器和微环调制器 马赫-曾德尔调制器和微环调制器 微环谐振器是一个由波导曲项制成的闭环光波导结构，其谐振波长与制作材料、结构特性、是否注入电荷或改变温度有关。目前，微环谐振器凭借尺寸紧凑（仅几十微米）的优势成为高速调制的优选。 值得一提的是，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，硅基调制器的信号稳定性需进一步提升。 波导 波导（waveguide），是引导光波在其中传播的介质装置，可以理解为光传输的“高速公路”。光纤，就是一种波导。 在硅光光模块的芯片上，需要在器件之间实现光信号的传递。这个肯定不能用光纤飞线。所以，会在硅材料上，“挖”出一些通道。 具体来说，就是基于刻蚀等工艺，利用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。 硅波导结构 硅光光模块里的波导，传输损耗极低（小于0.1dB/cm），而且占用体积非常小。硅基材料具有高折射率、高光学限制能力的天然优势，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。 不同材料的波导弯曲半径对比 探测器 光探测器就是接收光信号，将光信号转换为电信号。 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，需要将多个波合成一个波，然后送出去。解复用，就是反过来。 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）复用器的类型有：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 将内部波导与光纤接起来，就是耦合。 耦合会引入插损（插入损耗，Insertion Loss），需要将插损控制在1dB以下。 传统的光模块采用自由空间的设计方式，对于封装耦合的精度要求较低，通常采用人工或半自动耦合的方式。 硅光光模块的集成度高，耦合对准的难度很大，微小偏差就会导致较大的插损。因此，必须采用高精度的自动耦合封装设备，确保封装精度、良率和效率。 这块也算是硅光的一个痛点，当前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 相比传统光模块，硅光光模块的核心优势在于其高集成度、低成本潜力、更低的功耗，以及可以复用的产业链。 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%。这可以提高设备的端口密度，有利于更加密集、规模更庞大的组网。 说白了，就是有利于AI算力集群这样的高密度部署场景。 成本方面： 传统光模块依赖昂贵的III-V族材料（InP、GaAs）衬底。硅光主要采用成本较低的硅基材料（硅衬底的价格大约是InP衬底的二十分之一）。成本差距就出来了。 功耗方面： 传统光模块采用分立器件，器件之间的连接损耗较大，通常需要TEC（半导体制冷器）进行温度控制，功耗较高（例如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，且对温度敏感性较低，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）。 对于现在数量规模庞大的智算中心来说，低功耗这个优点非常重要，可以省电、省钱，也有利于双碳战略。 需要注意的是，硅光也不是完全没有热管理的问题。因为集成度太高，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的要求。 产业链方面： 硅光模块可使用目前较为成熟的CMOS集成电路产业。硅光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也没有那么依赖。电芯片现在都在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，可以大幅降低成本。而且，搞硅光产业，人才培养的难度也小了很多。 有数据显示，硅光的封装成本占自身总成本的90%。这里面还有很大的下降空间。 带有倒装InP激光二极管的硅光子晶圆。来源：imec 需要注意，虽然硅光产业链可以复用，但目前也存在产业标准化不足的问题。各厂商的封装接口与驱动协议尚未统一，对成本有一定的影响，也阻碍了规模量产。 硅光的应用场景 硅光目前有四个比较主流的应用方向，分别是光通信、激光雷达、光计算和生物传感。 光通信 我们前面讨论的，基本上都是光通信。这是硅光最主要、落地最快的应用领域。背后的原因，还是因为AI的爆发。 在AI算力集群的带动下，光模块已经进入800G放量时代，并逐渐向1.6T发展。 面对这个级别的连接速率，传统可插拔光模块方案在性能和功耗方面都无法很好地满足需求。硅光以及LPO、CPO等技术方案，呼声极高。 CPO交换机（锐捷） 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，硅光将是主流方案。 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 硅光技术非常适合制造低成本、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。 现在很多车企都在推自动驾驶、辅助驾驶，车上会用到很多激光雷达，这带动了对硅光的需求。 业界采用基于硅光的二维光学相控阵（OPA）技术，可以使固态LiDAR体积缩小至硬币大小，成本降至百美元级。 用于固态激光雷达的硅光子测试芯片。来源：imec 光计算 计算和通信有紧密的联系。我们前面一直在说要把端到端的通信链路都全光化。但实际上，“端（终端、云端、算力端）”本身，也应该“由电转光”。 在光计算方面，硅光技术已经展现出独特优势。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。 最近这几年，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。但可以预见，光电混合计算架构将有广阔的发展前景。 生物传感 生物传感是硅光技术的一个新兴应用方向。 硅光芯片可以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来实现分子识别。这种传感器具有体积小、成本低、可批量生产的优势，有望推动便携式医疗诊断设备的发展。 例如芯片级光谱仪、快速血液检测系统等，都可以借助硅光来研发，可以实现高灵敏度、便携式、低成本检测。 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 好啦，以上就是关于硅光的详细介绍。 目前，硅光产业正处于高速发展的阶段。一方面，科技巨头（英特尔、英伟达、思科、IBM等）在积极进行布局，投入大量资源进行技术研发和产线建设。另一方面，相关的企业并购与产业链整合也在加速，竞争日趋激烈。 国内在硅光这块起步比较晚，但追赶速度很快。比较有代表性的企业包括：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。凡是行业核心企业，基本上都在硅光上有所布局。 总而言之，光电融合是大势所趋。随着时间的推移，硅光目前所面临的挑战，终将被解决。在通信、计算和传感领域，硅光具有非常广阔的应用前景，也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！ 参考文献： 1、《AI算力之硅光芯片行业专题报告：未来之光，趋势已现》，天风证券； 2、《一文了解硅光芯片原理及器件技术》，圆圆de圆，半导体全解； 3、《通信行业深度报告：AI高速率时代，硅光子迎成长机遇》，开元证券； 4、《硅光&LPO_光摩尔定律的延续》，长江证券； 5、《激光芯片与硅光芯片：光电子革命中的“光源”与“光路”》，柠檬光子； 6、《什么是硅光技术？什么是硅光光模块？》，Focus光通信； 7、《硅光，行业颠覆者or推动者？》，是德科技； 8、《硅光子学：搭载数十年的芯片制造经验》，半导体产业纵横； 9、百度百科、维基百科、各厂商官网。
2025-12-012025-12-01
