硅光基础知识培训-

硅光基础知识2025年11月18日

R1.0版■

硅光的基本概念□

硅光的定义将多种光器件集成在一个硅基衬底上，就是硅基光电子，也叫硅光(slicon

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(光子集成电路)

”。硅光=CMOS技术

(超大规模逻辑、超高精度制造)

+光子技术

(超高速率、超低功耗)。它把原本众多的分离器件

(光、电元件)

集成到一个独立微芯片中，实现高集成度、低劝耗、低成本'■

硅光的基本概念□

硅光产品的分级严格意义来看，硅光技术包含了三个层级：·

硅光器件：基础硬件，包括激光器、调制器、探测器、平面波导、光栅耦合器等。·

硅光芯片：集成各类硅光器件。·硅光模块：硅光技术的产品形式，

将光源、硅光芯片和模块以及外部驱动电路等进行集成的一体化模块。硅光器件

硅光芯片硅光模块片外光源光调制器光发送模块光偏振器光收发一体模块光收发集成芯片光转发模块光探测器光接收集成芯片探测器阵列芯片光耦合器■

硅光的基本概念□

硅光产品的分级发射端接收端光发送集成芯片调制器阵列芯片波分复用器光接收模块解复用器■

硅光的基本概念□硅光的形态类别单片集成：·指将光学组件

(包括光源、光调制器、波导、

耦合器等)

直接集成到同一块硅芯片上，从而形成一个紧凑的光学电路。·优势：可以减小尺寸，提高集成度，降低制造成本。混合集成：·

指将硅芯片与其它材料的光学组件结合在一起，即将电子器件

(硅锗、CMOS、射频等)

、光子器件

(激光探测器、光开关、调制解调器等)

、光波导回路集成在一个硅芯片上。其中，硅芯片主要负责电子部分的处理，而其它材料的光学元件则负责光的生成和调制。·优势：可以利用硅芯片的电子器件和其它材料的优异光学特性。■

硅光的基本概念□硅光的技术优势高集成度：硅基材料具有高折射率和高光学限制能力，可以显著减少光波导宽度和弯曲半径，提升集成密度。这有利于缩减芯片尺寸，便于小型化。高速率：硅的禁带宽度为1

.

12eV,对应的光波长为1

.1μm

,硅对于1

.1-1

.6μm的通信波段(典型波长

1

.31μm/1

.55μm)

是近乎无损透明，具有优异的波导传输特性。低成本：硅是世界上储量第二的材料，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，硅光芯片的生产制造也基于

CMOS等集成电路工艺线，可以实现规模化量产，在芯片成本有较大的下降潜力。抗干扰：光信号不受电磁噪声影响，可靠性显著增强。低功耗：光传输无电阻损耗，能效比电信号传输提升10倍。传输原理利用光子传输信息依赖电子流动传输速率超高速

(可达Tb/s量级),带宽潜力巨大受限于高频信号衰减和电磁干扰功耗光传输自身能耗极低电阻发热导致能耗很高延迟延迟极低延迟相对较高干扰对电磁干扰免疫易受电磁干扰影响集成密度高，可利用先进封装技术实现高密度光电集成受限于二维平面布局和线宽微缩的物理极限特性维度硅光技术传统电子互连■

硅光的基本概念□硅光vs传统电子互连2010年-现在产业化阶段2004-

2010年技术突破阶段1990-

2004年产业起步阶段■

硅光的基本概念□

硅光的发展历程1969-

1990年原理探索阶段■

硅光的基本概念□

硅光的发展历程1969年，贝尔实验室的S.E.Miller首次提出了集成光学的概念，受条件限制并未实现商业化。1985年，RichaΓd

SoΓef发现了晶体硅中的等离子色散效应，为硅基电光调制提供了理论基础,1991年，美国成立“光电子产业振兴会”,

引导资本和各方力量进入光电子领域。>2004年，Intel研发出首个基于MOS电容的硅基调制器，带宽突破1GHz。2005年，Intel利用喇曼效应研制出了世界上第一台连续光全硅激光器,2006年，加州大学与Intey联合开发电驱动I-V族混合集成激光器。2010年

，Intel开发出首个50Gb/s超短距硅基集戒光收发芯片。硅光开始进入产业化阶段。2010年，Luxtera推出首款商用硅光模块，在数据中心实现40Gbps速率传输，标志着硅光技术进入商用阶段。

>2013年，LuxteΓa推出首款商用100G硅光模块。>2016年，Cisco以6.8亿美元收购硅光企业Acacja

,引发行业震动。■

硅光光模块□硅光光模块的原理硅光光模块，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。硅光芯片

硅光器件光源调制器

光源

无源器件波导电路耦合探测器调制器

探测器硅光模块光源调制器滤波器aMOS电路光发射耦合光接收採测器硅光光模块的内部构造(图片来源：Intel)滤

波器CMOS波导光

接口波分解复

用

器

波分复用

器探测器跨

阻

放

大器驱动器数

字信

号

处理惮■

硅光光模块□

硅光光模块的构造

图片来源：《400GFR4硅光收发模块的研究》

(宋泽国等)硅光光模块的功能架构，和传统光模块非常类似：接收单元控制单元发射单元电接硅光调制器光接收电信号电信号光发射激光器激光器芯片(LD

Chip)光发射组件(TOSA)

电接口金手指电路板(

PCBA)底座光纤接口光探测器芯片

(

PD

Chip)■

硅光光模块□

硅光光模块的器件硅光芯片中的光器件可分为有源和无源两大类：·有源器件包括：激光器、调制器和光电探测器等。·

无源器件包括：波导、光栅及边缘耦合器等。光接收组件

(

ROSA)■

硅光光模块□

硅光光模块的器件光模块的TOSA和ROSA:·光发射组件(TOSA:TransmitterOpticalSub-Assembly):将金手指输入的电信号，经由驱动器IC来驱动二极管激光器

(LD)

转换成光信号，传送到光纤输出。·光接收组件(ROSA:Receiver

OpticalSub-Assembly):

将光纤输入的光信号，经由光探测器

(PD)与转阻放大器

(TIA)

转换成电信号，传送到金手指输出。功能产生光信号。接收光信号。提供光传输的路径。搭配激光光源输入的情况下，将电信号再转成光。将电流信号放大，同时把电流信号转换成电压。提供光调制器所需的电讯号。支持多波长并行传输，提升带宽。Wg,

Wave

guideOptical

modulatoΓTlA

,

transimpedanceamp)iieΓ

Driver

ICOplical

Multiple×eΓ

/

DemultiplexeΓ■

硅光光模块□

硅光光模块的器件光模块内部组件：元件名称光发射器光接收器光波导光调制器转阻放大器驱动C英文名词LD

LaserDiode

,PD

Photodetector(解)

复用器,CAUI

ROSAsl0

×

l0G光信号4×

25GλLAN-WDMOnSMFGearbox

4x25G

λ

OpticalICs激光器T℃S次S

Mux/Demux电芯片

光发射组件复用/解复用器■

硅光光模块□

传统光模块与硅光光模块的架构对比传统光模块来源：imec电信号Host硅光光模块光接收组件4×25G■

硅光光模块□硅光光模块的构造——激光器基本原理：以半导体材料为增益介质，将注入电流的电能激发，通过光学谐振放大选模，从而输出激光，实现电光转换。>

激光器光芯片可分为：·边发射激光器芯片(EEL):EEL在芯片两侧镀光学膜形成谐振腔，光子经谐振腔选模放大后，将沿平行于衬底表面的方向形成激光；·面发射激光器芯片(VCSEL):VCSEL在芯片上下两面镀光学膜形成谐振腔，由于谐振腔与衬底垂直，光子经选模放大后

将垂直于芯片表面形成激光,■

硅光光模块□硅光光模块的构造——激光器EEL又细分为FP、DFB和EML:·FP(法布里珀罗激光器):诞生较早，主要用于低速率短距离传输,·

DFB(分布式反馈激光器)

:在FP激光器的基础上采用光栅滤光器件实现单纵模输出，主要用于高速中长距离传输。·

FP、DFB为独立器件，也被称为DML(直接调制激光器芯片)。DML通过调制注入电流来实现信号调制，注入电流的大小会改变激光器有源区的折射率，造成波长漂移从而产生色散，限制了传输距离。同时DM儿带宽有限，调制电流大时激光器容易饱和，难以实现较高的消光比。·

EML

(电吸收调制激光器)

:缓解了色散问题

，由EAM电吸收调制器与DFB激光器集成，信号传输质量高，易实现高速率长距离的传输。FP1310nm/1550nm边发射中距离500M-10KMDFB1310nm/1550nm边发射长距离40KMDML1310nm/1550nm直接调制中距离500M-10KMEML1310nm/1550nm外部调制

、电吸收调制长距离40KM■

硅光光模块□

硅光光模块的构造——激光器激光器类型工作波长工作方式应用场景VCSEL

850nm

面发射短距离200M内■

硅光光模块□硅光光模块的构造——激光器-V族元素半导体：具有“直接带隙”特性。当电流通过由ⅡI-V族元素(如砷化镓GaAs、磷北铟InP)

构成的半

导体时，电子与空穴复合释放的能量直接转化为光子，通过光学谐振腔的反馈放大形成激光。这种直接转换

效率极高，损耗极低，使得I-V族材料成为激光芯片不可替代的选择。其性能直接决定了激光的波长、功率、稳定性等关键参数。硅半导体：是一种

间接带隙”半导体。电子在跃迁过程中动量发生变化，能量主要转化为晶格振动(声子)而非光子

，以热能形式耗散。形象地说，硅材料中的电子“拐了个弯“才到达目的地，途中丢失了发光的门票”。因此硅本身无法高效发光。简单来说，硅材料因为结构限制，无法实现高效率的片上光源，不适合做激光器。硅光光模块仍需要“外挂”基于II-V族元素半导体的激光器。■

硅光光模块□

硅光光模块的构造——激光器洼(Si)单元素半导体材料锗(Ge)砷化镓(GaAs)III-V族化合物半导体材料磷化铟(nP)消费电子、通信、先进制程芯片等空间卫星.

太阳能电池面板光通信、显示器、射频模组光通信储量丰富，价格低电子迁移率、空间迁移率高光电性能好、耐热k抗辐射导热性好、光电转换效率高耐高温、

高压，大功率充电器、高铁同上

电动汽车氮化镓

(GaN)宽禁带半导体碳化硅

(SiC)代际类别代表材料优点应用领域第一代半导体第二代半导体第三代半导体■

硅光光模块□

硅光光模块的构造——激光器外挂激光器的几种方案·倒装焊集成(Flip-Chip,Bonding)

:首先在IⅡ-V族晶圆上制备激光器芯片并测试，然后使用高精度拾取设备将激光器芯片翻转后对准硅光子芯片上的波导结构，通过焊球实现电连接和机械固定。这种技术灵活性强，但逐个芯片组装的方式限制了生产效率和成本降低空间,·

晶圆键合(WaferBonding):在晶圆级直接将IⅡ-