▉ 硅光光模块的架构和原理
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。
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
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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。
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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。
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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光通信
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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
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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。
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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。
文章转载自微信公众号：鲜枣课堂