硅光基礎(chǔ)知識(shí)2025年11月18日

R1.0版■

硅光的基本概念□

硅光的定義將多種光器件集成在一個(gè)硅基襯底上，就是硅基光電子，也叫硅光(slicon

photonics)

”。更簡單來說：計(jì)算機(jī)里的CPU、GPU

,

還有手機(jī)里的SoC

,

基本上都是基于硅材料打造的半導(dǎo)體芯片，是集成電路。而硅光，是將硅半導(dǎo)體工藝與光通信技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，在硅片上制造、集成光器件，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸和處理，變成了“集成光路(光子集成電路)

”。硅光=CMOS技術(shù)

(超大規(guī)模邏輯、超高精度制造)

+光子技術(shù)

(超高速率、超低功耗)。它把原本眾多的分離器件

(光、電元件)

集成到一個(gè)獨(dú)立微芯片中，實(shí)現(xiàn)高集成度、低勸耗、低成本'■

硅光的基本概念□

硅光產(chǎn)品的分級(jí)嚴(yán)格意義來看，硅光技術(shù)包含了三個(gè)層級(jí)：·

硅光器件：基礎(chǔ)硬件，包括激光器、調(diào)制器、探測器、平面波導(dǎo)、光柵耦合器等?！?/p>

硅光芯片：集成各類硅光器件?！す韫饽K：硅光技術(shù)的產(chǎn)品形式，

將光源、硅光芯片和模塊以及外部驅(qū)動(dòng)電路等進(jìn)行集成的一體化模塊。硅光器件

硅光芯片硅光模塊片外光源光調(diào)制器光發(fā)送模塊光偏振器光收發(fā)一體模塊光收發(fā)集成芯片光轉(zhuǎn)發(fā)模塊光探測器光接收集成芯片探測器陣列芯片光耦合器■

硅光的基本概念□

硅光產(chǎn)品的分級(jí)發(fā)射端接收端光發(fā)送集成芯片調(diào)制器陣列芯片波分復(fù)用器光接收模塊解復(fù)用器■

硅光的基本概念□硅光的形態(tài)類別單片集成：·指將光學(xué)組件

(包括光源、光調(diào)制器、波導(dǎo)、

耦合器等)

直接集成到同一塊硅芯片上，從而形成一個(gè)緊湊的光學(xué)電路。·優(yōu)勢：可以減小尺寸，提高集成度，降低制造成本?；旌霞桑骸?/p>

指將硅芯片與其它材料的光學(xué)組件結(jié)合在一起，即將電子器件

(硅鍺、CMOS、射頻等)

、光子器件

(激光探測器、光開關(guān)、調(diào)制解調(diào)器等)

、光波導(dǎo)回路集成在一個(gè)硅芯片上。其中，硅芯片主要負(fù)責(zé)電子部分的處理，而其它材料的光學(xué)元件則負(fù)責(zé)光的生成和調(diào)制?！?yōu)勢：可以利用硅芯片的電子器件和其它材料的優(yōu)異光學(xué)特性。■

硅光的基本概念□硅光的技術(shù)優(yōu)勢高集成度：硅基材料具有高折射率和高光學(xué)限制能力，可以顯著減少光波導(dǎo)寬度和彎曲半徑，提升集成密度。這有利于縮減芯片尺寸，便于小型化。高速率：硅的禁帶寬度為1

.

12eV,對(duì)應(yīng)的光波長為1

.1μm

,硅對(duì)于1

.1-1

.6μm的通信波段(典型波長

1

.31μm/1

.55μm)

是近乎無損透明，具有優(yōu)異的波導(dǎo)傳輸特性。低成本：硅是世界上儲(chǔ)量第二的材料，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，硅光芯片的生產(chǎn)制造也基于

CMOS等集成電路工藝線，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，在芯片成本有較大的下降潛力?？垢蓴_：光信號(hào)不受電磁噪聲影響，可靠性顯著增強(qiáng)。低功耗：光傳輸無電阻損耗，能效比電信號(hào)傳輸提升10倍。傳輸原理利用光子傳輸信息依賴電子流動(dòng)傳輸速率超高速

(可達(dá)Tb/s量級(jí)),帶寬潛力巨大受限于高頻信號(hào)衰減和電磁干擾功耗光傳輸自身能耗極低電阻發(fā)熱導(dǎo)致能耗很高延遲延遲極低延遲相對(duì)較高干擾對(duì)電磁干擾免疫易受電磁干擾影響集成密度高，可利用先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)高密度光電集成受限于二維平面布局和線寬微縮的物理極限特性維度硅光技術(shù)傳統(tǒng)電子互連■

硅光的基本概念□硅光vs傳統(tǒng)電子互連2010年-現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化階段2004-

2010年技術(shù)突破階段1990-

2004年產(chǎn)業(yè)起步階段■

硅光的基本概念□

硅光的發(fā)展歷程1969-

1990年原理探索階段■

硅光的基本概念□

硅光的發(fā)展歷程1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的S.E.Miller首次提出了集成光學(xué)的概念，受條件限制并未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。1985年，RichaΓd

SoΓef發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應(yīng)，為硅基電光調(diào)制提供了理論基礎(chǔ),1991年，美國成立“光電子產(chǎn)業(yè)振興會(huì)”,

引導(dǎo)資本和各方力量進(jìn)入光電子領(lǐng)域。>2004年，Intel研發(fā)出首個(gè)基于MOS電容的硅基調(diào)制器，帶寬突破1GHz。2005年，Intel利用喇曼效應(yīng)研制出了世界上第一臺(tái)連續(xù)光全硅激光器,2006年，加州大學(xué)與Intey聯(lián)合開發(fā)電驅(qū)動(dòng)I-V族混合集成激光器。2010年

，Intel開發(fā)出首個(gè)50Gb/s超短距硅基集戒光收發(fā)芯片。硅光開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。2010年，Luxtera推出首款商用硅光模塊，在數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)40Gbps速率傳輸，標(biāo)志著硅光技術(shù)進(jìn)入商用階段。

>2013年，LuxteΓa推出首款商用100G硅光模塊。>2016年，Cisco以6.8億美元收購硅光企業(yè)Acacja

,引發(fā)行業(yè)震動(dòng)。■

硅光光模塊□硅光光模塊的原理硅光光模塊，采用CMOS制造工藝

(就是制造電芯片的那些工藝，例如光刻、刻蝕、沉積等),直接在硅基(Si)

材料上制造調(diào)制器、探測器以及無源光學(xué)器件，集成度明顯高于傳統(tǒng)光模塊。硅光芯片

硅光器件光源調(diào)制器

光源

無源器件波導(dǎo)電路耦合探測器調(diào)制器

探測器硅光模塊光源調(diào)制器濾波器aMOS電路光發(fā)射耦合光接收採測器硅光光模塊的內(nèi)部構(gòu)造(圖片來源：Intel)濾

波器CMOS波導(dǎo)光

接口波分解復(fù)

用

器

波分復(fù)用

器探測器跨

阻

放

大器驅(qū)動(dòng)器數(shù)

字信

號(hào)

處理憚■

硅光光模塊□

硅光光模塊的構(gòu)造

圖片來源：《400GFR4硅光收發(fā)模塊的研究》

(宋澤國等)硅光光模塊的功能架構(gòu)，和傳統(tǒng)光模塊非常類似：接收單元控制單元發(fā)射單元電接硅光調(diào)制器光接收電信號(hào)電信號(hào)光發(fā)射激光器激光器芯片(LD

Chip)光發(fā)射組件(TOSA)

電接口金手指電路板(

PCBA)底座光纖接口光探測器芯片

(

PD

Chip)■

硅光光模塊□

硅光光模塊的器件硅光芯片中的光器件可分為有源和無源兩大類：·有源器件包括：激光器、調(diào)制器和光電探測器等。·

無源器件包括：波導(dǎo)、光柵及邊緣耦合器等。光接收組件

(

ROSA)■

硅光光模塊□

硅光光模塊的器件光模塊的TOSA和ROSA:·光發(fā)射組件(TOSA:TransmitterOpticalSub-Assembly):將金手指輸入的電信號(hào)，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器IC來驅(qū)動(dòng)二極管激光器

(LD)

轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，傳送到光纖輸出。·光接收組件(ROSA:Receiver

OpticalSub-Assembly):

將光纖輸入的光信號(hào)，經(jīng)由光探測器

(PD)與轉(zhuǎn)阻放大器

(TIA)

轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送到金手指輸出。功能產(chǎn)生光信號(hào)。接收光信號(hào)。提供光傳輸?shù)穆窂?。搭配激光光源輸入的情況下，將電信號(hào)再轉(zhuǎn)成光。將電流信號(hào)放大，同時(shí)把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓。提供光調(diào)制器所需的電訊號(hào)。支持多波長并行傳輸，提升帶寬。Wg,

Wave

guideOptical

modulatoΓTlA

,

transimpedanceamp)iieΓ

Driver

ICOplical

Multiple×eΓ

/

Demultiplexe?！?/p>

硅光光模塊□

硅光光模塊的器件光模塊內(nèi)部組件：元件名稱光發(fā)射器光接收器光波導(dǎo)光調(diào)制器轉(zhuǎn)阻放大器驅(qū)動(dòng)C英文名詞LD

LaserDiode

,PD

Photodetector(解)

復(fù)用器,CAUI

ROSAsl0

×

l0G光信號(hào)4×

25GλLAN-WDMOnSMFGearbox

4x25G

λ

OpticalICs激光器T℃S次S

Mux/Demux電芯片

光發(fā)射組件復(fù)用/解復(fù)用器■

硅光光模塊□

傳統(tǒng)光模塊與硅光光模塊的架構(gòu)對(duì)比傳統(tǒng)光模塊來源：imec電信號(hào)Host硅光光模塊光接收組件4×25G■

硅光光模塊□硅光光模塊的構(gòu)造——激光器基本原理：以半導(dǎo)體材料為增益介質(zhì)，將注入電流的電能激發(fā)，通過光學(xué)諧振放大選模，從而輸出激光，實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。>

激光器光芯片可分為：·邊發(fā)射激光器芯片(EEL):EEL在芯片兩側(cè)鍍光學(xué)膜形成諧振腔，光子經(jīng)諧振腔選模放大后，將沿平行于襯底表面的方向形成激光；·面發(fā)射激光器芯片(VCSEL):VCSEL在芯片上下兩面鍍光學(xué)膜形成諧振腔，由于諧振腔與襯底垂直，光子經(jīng)選模放大后

將垂直于芯片表面形成激光,■

硅光光模塊□硅光光模塊的構(gòu)造——激光器EEL又細(xì)分為FP、DFB和EML:·FP(法布里珀羅激光器):誕生較早，主要用于低速率短距離傳輸,·

DFB(分布式反饋激光器)

:在FP激光器的基礎(chǔ)上采用光柵濾光器件實(shí)現(xiàn)單縱模輸出，主要用于高速中長距離傳輸?！?/p>

FP、DFB為獨(dú)立器件，也被稱為DML(直接調(diào)制激光器芯片)。DML通過調(diào)制注入電流來實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制，注入電流的大小會(huì)改變激光器有源區(qū)的折射率，造成波長漂移從而產(chǎn)生色散，限制了傳輸距離。同時(shí)DM兒帶寬有限，調(diào)制電流大時(shí)激光器容易飽和，難以實(shí)現(xiàn)較高的消光比。·

EML

(電吸收調(diào)制激光器)

:緩解了色散問題

，由EAM電吸收調(diào)制器與DFB激光器集成，信號(hào)傳輸質(zhì)量高，易實(shí)現(xiàn)高速率長距離的傳輸。FP1310nm/1550nm邊發(fā)射中距離500M-10KMDFB1310nm/1550nm邊發(fā)射長距離40KMDML1310nm/1550nm直接調(diào)制中距離500M-10KMEML1310nm/1550nm外部調(diào)制

、電吸收調(diào)制長距離40KM■

硅光光模塊□

硅光光模塊的構(gòu)造——激光器激光器類型工作波長工作方式應(yīng)用場景VCSEL

850nm

面發(fā)射短距離200M內(nèi)■

硅光光模塊□硅光光模塊的構(gòu)造——激光器-V族元素半導(dǎo)體：具有“直接帶隙”特性。當(dāng)電流通過由ⅡI-V族元素(如砷化鎵GaAs、磷北銦InP)

構(gòu)成的半

導(dǎo)體時(shí)，電子與空穴復(fù)合釋放的能量直接轉(zhuǎn)化為光子，通過光學(xué)諧振腔的反饋放大形成激光。這種直接轉(zhuǎn)換

效率極高，損耗極低，使得I-V族材料成為激光芯片不可替代的選擇。其性能直接決定了激光的波長、功率、穩(wěn)定性等關(guān)鍵參數(shù)。硅半導(dǎo)體：是一種

間接帶隙”半導(dǎo)體。電子在躍遷過程中動(dòng)量發(fā)生變化，能量主要轉(zhuǎn)化為晶格振動(dòng)(聲子)而非光子

，以熱能形式耗散。形象地說，硅材料中的電子“拐了個(gè)彎“才到達(dá)目的地，途中丟失了發(fā)光的門票”。因此硅本身無法高效發(fā)光。簡單來說，硅材料因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)限制，無法實(shí)現(xiàn)高效率的片上光源，不適合做激光器。硅光光模塊仍需要“外掛”基于II-V族元素半導(dǎo)體的激光器?！?/p>

硅光光模塊□

硅光光模塊的構(gòu)造——激光器洼(Si)單元素半導(dǎo)體材料鍺(Ge)砷化鎵(GaAs)III-V族化合物半導(dǎo)體材料磷化銦(nP)消費(fèi)電子、通信、先進(jìn)制程芯片等空間衛(wèi)星.

太陽能電池面板光通信、顯示器、射頻模組光通信儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低電子遷移率、空間遷移率高光電性能好、耐熱k抗輻射導(dǎo)熱性好、光電轉(zhuǎn)換效率高耐高溫、

高壓，大功率充電器、高鐵同上

電動(dòng)汽車氮化鎵

(GaN)寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅

(SiC)代際類別代表材料優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域第一代半導(dǎo)體第二代半導(dǎo)體第三代半導(dǎo)體■

硅光光模塊□

硅光光模塊的構(gòu)造——激光器外掛激光器的幾種方案·倒裝焊集成(Flip-Chip,Bonding)

:首先在IⅡ-V族晶圓上制備激光器芯片并測試，然后使用高精度拾取設(shè)備將激光器芯片翻轉(zhuǎn)后對(duì)準(zhǔn)硅光子芯片上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過焊球?qū)崿F(xiàn)電連接和機(jī)械固定。這種技術(shù)靈活性強(qiáng)，但逐個(gè)芯片組裝的方式限制了生產(chǎn)效率和成本降低空間,·

晶圓鍵合(WaferBonding):在晶圓級(jí)直接將IⅡ-