硅光，到底是什么？

硅光，是光通信領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)概念，包括英偉達(dá)、英特爾、思科等在內(nèi)的眾多科技巨頭，都在力推硅光技術(shù)。行業(yè)也普遍認(rèn)為，硅光將是光通信的未來(lái)。

那么，到底什么是硅光？為什么要發(fā)展硅光？硅光又是如何工作的呢？

什么是硅光？

在介紹硅光之前，先來(lái)看一個(gè)傳統(tǒng)的光通信基礎(chǔ)架構(gòu)模型：

這個(gè)模型應(yīng)該簡(jiǎn)單易懂。兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，都有各自的光模塊，光模塊是一個(gè)“光電轉(zhuǎn)換器”，可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。光模塊和光模塊之間是光纖，傳輸光信號(hào)。

光信號(hào)到達(dá)設(shè)備后，通過(guò)光模塊轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)設(shè)備內(nèi)部的電通道，傳輸?shù)浇粨Q芯片，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

SerDes是這個(gè)電通道的關(guān)鍵部分，它是英文SERializer（串行器）/DESerializer（解串器）的簡(jiǎn)稱(chēng)，可以將它理解為一個(gè)“串行并行轉(zhuǎn)換器+通道”，如下圖所示：

眾所周知，光通信的速率高、能耗低、成本低、更抗干擾，能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于采用銅介質(zhì)的電通信。

如果想要實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信系統(tǒng)的能力提升，就應(yīng)該把所有的數(shù)據(jù)傳輸通道，都改為光通道。

這就有兩個(gè)執(zhí)行思路：

一是光模塊盡可能靠近交換芯片，縮短電通道的距離：

事實(shí)上，SerDes確實(shí)一直都是通信瓶頸。以前通信設(shè)備的帶寬不高，SerDes勉強(qiáng)夠用。現(xiàn)在，AI浪潮洶涌澎湃，算力集群網(wǎng)絡(luò)接口動(dòng)輒要求400G、800G甚至1.6T的帶寬。這對(duì)電通道來(lái)說(shuō)，是巨大的挑戰(zhàn)。

事實(shí)上，電通道已經(jīng)力不從心。電通信的損耗大，SerDes通道的距離稍微長(zhǎng)一點(diǎn)，信號(hào)就大幅衰減了，速率驟降。

二是，更進(jìn)一步，既然想讓光模塊盡可能靠近交換芯片，那么，是否可以將光模塊和交換芯片做成“一個(gè)芯片”呢？

這就是將網(wǎng)絡(luò)交換芯片和光引擎（光模塊）進(jìn)行“共同封裝”的技術(shù)，就是現(xiàn)在光通信領(lǐng)域非常火的CPO（Co-packaged optics，共封裝光學(xué)）技術(shù)。

CPO技術(shù)的背后，這種“將多種光器件集成在一個(gè)硅基襯底上”的技術(shù)思想，就是硅基光電子，也叫——“硅光（silicon photonics）”。

更簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)中的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)相結(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”。

硅光光模塊的架構(gòu)和原理

接下來(lái)，通過(guò)硅光光模塊和傳統(tǒng)光模塊的對(duì)比，來(lái)看看硅光的技術(shù)細(xì)節(jié)。

光模塊的主要作用是發(fā)光和收光。傳統(tǒng)光模塊包含了多個(gè)組件，包括激光器（光源）、調(diào)制器、探測(cè)器等有源器件，以及透鏡、對(duì)準(zhǔn)組件、光纖端面等無(wú)源器件。

在制造傳統(tǒng)光模塊時(shí)，需要先單獨(dú)制造這些器件，然后組裝起來(lái)，變成一個(gè)完整的光模塊。這個(gè)過(guò)程，可以稱(chēng)之為“分立器件封裝”。

傳統(tǒng)光模塊里既有電芯片，也有光芯片。

有的電芯片負(fù)責(zé)對(duì)光芯片提供配套支撐，如LD（激光驅(qū)動(dòng)器）、TIA（跨阻放大器）、CDR（時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路），也有負(fù)責(zé)電信號(hào)的功率調(diào)節(jié)，如MA（主放大器）。另外，還有復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片。

光芯片主要負(fù)責(zé)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，例如激光器芯片和探測(cè)器芯片。

電芯片，主要是基于硅基材料。光芯片，主要是基于III-V族半導(dǎo)體材料，即InP（磷化銦）/GaAs（砷化鎵）等。

III-V族化合物InP（磷化銦）、GaAs（砷化鎵）屬于第二代半導(dǎo)體，具有高頻、高低溫性能好、抗輻射能力強(qiáng)、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以很適合作為光芯片的襯底材料。

激光器有很多種類(lèi)型，不同的類(lèi)型，使用的半導(dǎo)體材料不一樣。可以參考下表：

再來(lái)看看硅光光模塊。

硅光光模塊，采用CMOS制造工藝，直接在硅基（Si）材料上制造調(diào)制器、探測(cè)器以及無(wú)源光學(xué)器件，集成度明顯高于傳統(tǒng)光模塊。

硅光光模塊的內(nèi)部構(gòu)造（來(lái)源：Intel）

放大來(lái)看：

來(lái)源：Intel

硅光光模塊和傳統(tǒng)光模塊在功能上，其實(shí)類(lèi)似。都是如下圖所示的架構(gòu)：

來(lái)源：《400G FR4硅光收發(fā)模塊的研究》（宋澤國(guó)等）

無(wú)非是硅光光模塊，把所有的器件都進(jìn)行了集成，變得更加緊湊：

400G硅光光模塊架構(gòu)（來(lái)源：Intel）

來(lái)源：imec

下圖就是一個(gè)硅光光模塊的封裝構(gòu)造示意圖：

接下來(lái)，來(lái)看一下各個(gè)部分的具體實(shí)現(xiàn)。

激光器

光模塊，發(fā)光是第一步。而發(fā)光，主要靠激光器。

有意思的是，激光器是硅光最大的短板。

硅是間接帶隙半導(dǎo)體，本身就不適合發(fā)光（電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放光子的效率較低）。所以，在制作硅光光模塊的時(shí)候，通常不會(huì)直接在硅芯片上制造激光器，而是將傳統(tǒng)光器件里InP、GaAs等III-V族半導(dǎo)體材料做成激光器，然后“外掛”到硅基芯片上。外掛的方法，包括異質(zhì)集成和外延生長(zhǎng)（單片集成）等。

目前業(yè)界傾向于采用CW（ContinuousWave，連續(xù)波）激光器芯片作為外置光源。這種激光器擁有穩(wěn)定的工作狀態(tài)，可發(fā)出連續(xù)激光，具有相干性好、可靠性高、波長(zhǎng)可調(diào)諧、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。

調(diào)制器

有了光，還需要進(jìn)行調(diào)制，讓它可以表達(dá)更多的“0和1”。調(diào)制之后，光信號(hào)帶寬得以提升，才能夠支持更高的速率。

在硅基電光調(diào)制器中，應(yīng)用最廣的調(diào)制機(jī)制是等離子色散效應(yīng)：通過(guò)施加電壓，改變硅材料中的載流子濃度，從而改變折射率和吸收系數(shù)，進(jìn)而控制光信號(hào)的強(qiáng)度或相位。

硅光器件的示意圖

常見(jiàn)的基于等離子色散效應(yīng)的調(diào)制器方案包括馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）和微環(huán)諧振腔調(diào)制器（Micro-ring Resonator，MRR）。

馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器和微環(huán)調(diào)制器

馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器和微環(huán)調(diào)制器

微環(huán)諧振器是一個(gè)由波導(dǎo)曲項(xiàng)制成的閉環(huán)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其諧振波長(zhǎng)與制作材料、結(jié)構(gòu)特性、是否注入電荷或改變溫度有關(guān)。目前，微環(huán)諧振器憑借尺寸緊湊（僅幾十微米）的優(yōu)勢(shì)成為高速調(diào)制的優(yōu)選。

值得一提的是，硅基調(diào)制器在帶寬、驅(qū)動(dòng)電壓等關(guān)鍵性能指標(biāo)上，仍不及傳統(tǒng)調(diào)制器。在超高速率（如1.6T及以上）傳輸場(chǎng)景中，硅基調(diào)制器的信號(hào)穩(wěn)定性需進(jìn)一步提升。

波導(dǎo)

波導(dǎo)（waveguide），是引導(dǎo)光波在其中傳播的介質(zhì)裝置，可以理解為光傳輸?shù)摹案咚俟贰薄９饫w，就是一種波導(dǎo)。

在硅光光模塊的芯片上，需要在器件之間實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳遞。這個(gè)肯定不能用光纖飛線。所以，會(huì)在硅材料上，“挖”出一些通道。

具體來(lái)說(shuō)，就是基于刻蝕等工藝，利用硅與二氧化硅的折射率差異（硅3.45 vs 二氧化硅1.45），構(gòu)建微米級(jí)的傳輸通道（光波導(dǎo)），讓光信號(hào)以全內(nèi)反射的方式，在通道里傳播。

硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

硅光光模塊里的波導(dǎo)，傳輸損耗極低（小于0.1dB/cm），而且占用體積非常小。硅基材料具有高折射率、高光學(xué)限制能力的天然優(yōu)勢(shì)，可將光波導(dǎo)寬度和彎曲半徑分別縮減至約0.4微米和2微米。

不同材料的波導(dǎo)彎曲半徑對(duì)比

探測(cè)器

光探測(cè)器就是接收光信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

硅光光模塊通常采用鍺（Ge）材料與硅波導(dǎo)集成，利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高效率探測(cè)，響應(yīng)速度可達(dá)皮秒級(jí)。

復(fù)用器與解復(fù)用器

WDM波分復(fù)用，需要將多個(gè)波合成一個(gè)波，然后傳送出去。解復(fù)用，就是反過(guò)來(lái)。

有了復(fù)用和解復(fù)用，才能支持多波長(zhǎng)并行傳輸，提升數(shù)十倍的通信帶寬。

在硅光光模塊里，常見(jiàn)的（解）復(fù)用器的類(lèi)型有：陣列波導(dǎo)光柵（AWG）、級(jí)聯(lián)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）型濾波器、微環(huán)諧振腔（MRR）型濾波器、階梯衍射光柵（EDG）和波導(dǎo)光柵等。

光信號(hào)的耦合

將內(nèi)部波導(dǎo)與光纖接起來(lái)，就是耦合。

耦合會(huì)引入插損（插入損耗，Insertion Loss），需要將插損控制在1dB以下。

傳統(tǒng)的光模塊采用自由空間的設(shè)計(jì)方式，對(duì)于封裝耦合的精度要求較低，通常采用人工或半自動(dòng)耦合的方式。

硅光光模塊的集成度高，耦合對(duì)準(zhǔn)的難度很大，微小偏差就會(huì)導(dǎo)致較大的插損。因此，必須采用高精度的自動(dòng)耦合封裝設(shè)備，確保封裝精度、良率和效率。

這塊也算是硅光的一個(gè)痛點(diǎn)，當(dāng)前的耦合方案在效率與成本方面仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

硅光光模塊的優(yōu)點(diǎn)

相比傳統(tǒng)光模塊，硅光光模塊的核心優(yōu)勢(shì)在于其高集成度、低成本潛力、更低的功耗，以及可以復(fù)用的產(chǎn)業(yè)鏈。

集成度方面：硅光光模塊將波導(dǎo)、調(diào)制器、探測(cè)器等器件單片集成在單一硅芯片上，組件數(shù)量和體積顯著減少，體積縮小約30%。這可以提高設(shè)備的端口密度，有利于更加密集、規(guī)模更龐大的組網(wǎng)，有利于AI算力集群這樣的高密度部署場(chǎng)景。

成本方面：傳統(tǒng)光模塊依賴(lài)昂貴的III-V族材料（InP、GaAs）襯底。硅光主要采用成本較低的硅基材料（硅襯底的價(jià)格大約是InP襯底的二十分之一）。成本差距大。

功耗方面：傳統(tǒng)光模塊采用分立器件，器件之間的連接損耗較大，通常需要TEC（半導(dǎo)體制冷器）進(jìn)行溫度控制，功耗較高（例如800G模塊功耗可能超過(guò)18W）。

硅光光模塊實(shí)現(xiàn)了高密度集成，減少了連接損耗，且對(duì)溫度敏感性較低，通常無(wú)需TEC，功耗顯著降低（約降低40%，800G模塊功耗可控制在14W左右）。

對(duì)于現(xiàn)在數(shù)量規(guī)模龐大的智算中心來(lái)說(shuō)，低功耗這個(gè)優(yōu)點(diǎn)非常重要，可以省電、省錢(qián)，也有利于雙碳戰(zhàn)略。

需要注意的是，硅光也不是完全沒(méi)有熱管理的問(wèn)題。因?yàn)榧啥忍撸韫夤饽K也容易產(chǎn)生熱串?dāng)_，影響光信號(hào)。這對(duì)工藝和設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

產(chǎn)業(yè)鏈方面：硅光模塊可使用目前較為成熟的CMOS集成電路產(chǎn)業(yè)。硅光工藝流程中的設(shè)計(jì)方法、工具、流程、工藝平臺(tái)等方面，都參考和借鑒了已有的硅半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)。

硅光技術(shù)對(duì)先進(jìn)制程也沒(méi)有那么依賴(lài)。電芯片現(xiàn)在都在追求個(gè)位數(shù)納米制程，而硅光芯片通常使用百納米級(jí)工藝就能滿(mǎn)足需求。

這使得硅光產(chǎn)業(yè)鏈能夠迅速起步，有利于大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可以大幅降低成本。而且，硅光人才培養(yǎng)的難度也小了很多。

有數(shù)據(jù)顯示，硅光的封裝成本占自身總成本的90%，還有很大的成本下降空間。

帶有倒裝InP激光二極管的硅光子晶圓。

來(lái)源：imec

需要注意，雖然硅光產(chǎn)業(yè)鏈可以復(fù)用，但目前也存在產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化不足的問(wèn)題。各廠商的封裝接口與驅(qū)動(dòng)協(xié)議尚未統(tǒng)一，對(duì)成本有一定的影響，也阻礙了規(guī)模量產(chǎn)。

硅光的應(yīng)用場(chǎng)景

硅光目前有四個(gè)比較主流的應(yīng)用方向，分別是光通信、激光雷達(dá)、光計(jì)算和生物傳感。

光通信

我們前面討論的，基本上都是光通信。這是硅光最主要、落地最快的應(yīng)用領(lǐng)域。背后的原因，還是因?yàn)锳I的爆發(fā)。

在AI算力集群的帶動(dòng)下，光模塊已經(jīng)進(jìn)入800G放量時(shí)代，并逐漸向1.6T發(fā)展。

面對(duì)這個(gè)級(jí)別的連接速率，傳統(tǒng)可插拔光模塊方案在性能和功耗方面都無(wú)法很好地滿(mǎn)足需求。硅光以及LPO、CPO等技術(shù)方案，呼聲極高。

CPO交換機(jī)（銳捷）

業(yè)界估計(jì)，硅光在800G模塊占比35%-40%，1.6T模塊中占比80%。對(duì)于超高速場(chǎng)景，硅光將是主流方案。

根據(jù)LightCounting的預(yù)測(cè)，2025年硅光模塊市場(chǎng)規(guī)模將超60億美元，年增長(zhǎng)率超40%。國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）預(yù)測(cè)，2030年全球硅光市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到78.6億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率25.7%。

激光雷達(dá)

硅光技術(shù)非常適合制造低成本、小尺寸、高穩(wěn)定性的芯片級(jí)固態(tài)激光雷達(dá) （LiDAR），用于自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

現(xiàn)在很多車(chē)企都在推自動(dòng)駕駛、輔助駕駛，車(chē)上會(huì)用到很多激光雷達(dá)，這帶動(dòng)了對(duì)硅光的需求。

業(yè)界采用基于硅光的二維光學(xué)相控陣（OPA）技術(shù)，可以使固態(tài)LiDAR體積縮小至硬幣大小，成本降至百美元級(jí)。

用于固態(tài)激光雷達(dá)的硅光子測(cè)試芯片。

來(lái)源：imec

光計(jì)算

計(jì)算和通信有緊密的聯(lián)系。我們前面一直在說(shuō)要把端到端的通信鏈路都全光化。但實(shí)際上，“端（終端、云端、算力端）”本身，也應(yīng)該“由電轉(zhuǎn)光”。

在光計(jì)算方面，硅光技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。光計(jì)算具有天然的并行處理能力和超低延遲特性，特別適合矩陣運(yùn)算等AI核心算法。

最近這幾年，研究人員已成功演示了基于硅光芯片的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，其能效比傳統(tǒng)電子芯片高出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。

目前，全光計(jì)算仍處于研究階段。但可以預(yù)見(jiàn)，光電混合計(jì)算架構(gòu)將有廣闊的發(fā)展前景。

生物傳感

生物傳感是硅光技術(shù)的一個(gè)新興應(yīng)用方向。

硅光芯片可以制作高靈敏度的生物傳感器，通過(guò)檢測(cè)樣品折射率的微小變化來(lái)實(shí)現(xiàn)分子識(shí)別。這種傳感器具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，有望推動(dòng)便攜式醫(yī)療診斷設(shè)備的發(fā)展。

例如芯片級(jí)光譜儀、快速血液檢測(cè)系統(tǒng)等，都可以借助硅光來(lái)研發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、便攜式、低成本檢測(cè)。

此外，硅光技術(shù)還可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)多種化學(xué)物質(zhì)的快速檢測(cè)。

結(jié)語(yǔ)

目前，硅光產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展的階段。一方面，科技巨頭（如英特爾、英偉達(dá)、思科、IBM等）在積極進(jìn)行布局，投入大量資源進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)線建設(shè)。另一方面，相關(guān)的企業(yè)并購(gòu)與產(chǎn)業(yè)鏈整合也在加速，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。

國(guó)內(nèi)在硅光這塊起步比較晚，但追趕速度很快。比較有代表性的企業(yè)包括：中際旭創(chuàng)、熹聯(lián)光芯、華工科技、新易盛、光迅科技、博創(chuàng)科技、華為、亨通光電等。凡是行業(yè)核心企業(yè)，基本上都在硅光上有所布局。

總而言之，光電融合是大勢(shì)所趨。隨著時(shí)間的推移，硅光目前所面臨的挑戰(zhàn)，終將被解決。在通信、計(jì)算和傳感領(lǐng)域，硅光具有非常廣闊的應(yīng)用前景，也很可能會(huì)掀起新一輪的信息技術(shù)革命浪潮。