硅光子技術是基于硅材料，利用現有CMOS工藝進行光器件開發(fā)與集成的新一代通信技術。硅光子技術的核心理念是“以光代電”，將光學器件與電子元件整合到一個獨立的微芯片中，利用激光作為信息傳導介質，提升芯片間的連接速度。隨著流量的持續(xù)爆發(fā)，芯片層面的“光進銅退”將是大勢所趨，硅光子技術有望實現規(guī)模商用化。

硅光時代臨近，芯片集成度有望大幅提升

近年來，隨著物聯網、大數據等應用的快速發(fā)展，全球數據流量呈快速增長態(tài)勢，對傳輸的需求也逐漸提升。目前，傳統(tǒng)光模塊主要利用III－V族半導體芯片、電路芯片、光學組件等器件封裝而成，本質上屬于“電互聯”范疇。隨著晶體管加工尺寸逐漸縮小，電互聯將逐漸面臨傳輸瓶頸。目前，對于傳統(tǒng)的三五族半導體光芯片，25Gbps已接近傳輸速率的瓶頸，進一步提升速率需要采用PAM4等技術。隨著高速光模塊在數據中心的大量運用，傳統(tǒng)III－V族半導體的光芯片將面臨并行傳輸、三五族磊晶成本高昂等問題。在此背景下，硅光子技術應運而生，成為III－V族半導體之外的一大選擇。

在硅光子技術中，芯片的概念由原先的激光器芯片延伸至集成芯片。從結構上看，硅光芯片包括光源、調制器、波導、探測器等有源芯片及源芯片。硅光芯片將多個光器件集成在同一硅基襯底上，一改以往器件分立的局面，芯片集中度大幅提升。硅光子技術主要有以下三大優(yōu)勢：

（1）集成度高。硅光子技術以硅作為集成芯片的襯底。硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工藝制作光器件。與傳統(tǒng)方案相比，硅光子技術具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。

（2）成本下降潛力大。在光器件和光模塊中，光芯片的成本占比較高。傳統(tǒng)的GaAs／InP襯底因晶圓材料生長受限，生產成本較高。近年來，隨著傳輸速率的進一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進一步提升。與三五族半導體相比，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

（3）波導傳輸性能優(yōu)異。硅的禁帶寬度為1．12eV，對應的光波長為1．1μm。因此，硅對于1．1—1．6μm的通信波段（典型波長1．31μm／1．55μm）是透明的，具有優(yōu)異的波導傳輸特性。此外，硅的折射率高達3．42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導可以具有較小的波導彎曲半徑。

硅光技術持續(xù)發(fā)展，技術上不斷取得突破

從發(fā)展歷程看，硅光集成技術將遵循由光子集成→光電集成的發(fā)展過程，待技術成熟后指向芯片內部光互聯。目前，通信領域的硅光模塊屬于光子集成范疇，從制造工藝看可分為兩類：單片集成與混合集成。

單片集成主要利用傳統(tǒng)的CMOS工藝，在硅晶圓上集成多個光器件。不過，硅的發(fā)光效率較低，無法作為光源，成為單片集成的瓶頸。一個折中的方法是：無源光器件在硅襯底上陣列化，光源采用III－V族半導體，混合集成技術應運而生?；旌霞尚枰獙II－V族半導體激光器鍵合在硅襯底上。鍵合技術包括利用DSV－BCB紫外膠鍵合，以及運用低溫氧分子等離子鍵合等。

在硅光集成領域，Intel是耕耘最早、技術最為完善的廠商。其中，2004年至2010年是Intel的技術突破期，2010年至2016年是商用準備期。大量的研發(fā)費用投入為2016年的硅光模塊商用奠定了堅實的基礎。對于Intel而言，未來計算機芯片的內部光互聯是其長遠目標，在通信領域的硅光模塊商用可謂初次試水。即便如此，Intel的硅光模塊對于傳統(tǒng)三五族半導體光模塊依舊形成了不小的沖擊。

目前，已量產的硅光模塊，基于硅襯底的混合集成是主要方式。主要器件包括：在硅襯底表面集成激光器（III－V族半導體，以InP為主）、調制器（鈮酸鋰LiNbO3，具有優(yōu)異的電光效應）、光探測器（Si中摻Ge）、硅波導（Si對于1．31μm／1．55μm通信波段透明）、波分復用及解復用器、耦合器等。

硅光子技術取得了高速發(fā)展，技術持續(xù)突破。不過，硅光子技術仍面臨以下兩大問題：

1、芯片良率低，成本優(yōu)勢不明顯：目前，傳統(tǒng)三五族半導體芯片的良率在90％以上，而硅光芯片需要將III－V族半導體鍵合在硅基襯底上。由于硅光集成的工藝尚未成熟，在激光耦合等步驟上的良率較低，導致硅光模塊成本難以進一步提升。

2、硅波導與光纖的耦合效率低，性能優(yōu)勢不明顯。硅基光波導的尺寸在0．4—0．5μm量級，遠小于單模光纖尺寸（纖芯直徑約8μm—10μm）。尺寸上的差別將導致模場的失配，需要利用硅基波導光柵進行耦合，在耦合過程中將產生損耗。