硅光時代臨近，芯片技術持續提升

硅光子技術是基於硅材料，利用現有CMOS工藝進行光器件開發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，利用激光作爲信息傳導介質，提升芯片間的連接速度。隨着流量的持續爆發，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，隨着物聯網、大數據等應用的快速發展，全球數據流量呈快速增長態勢，對傳輸的需求也逐漸提升。目前，傳統光模塊主要利用III-V族半導體芯片、電路芯片、光學組件等器件封裝而成，本質上屬於“電互聯”範疇。隨着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，對於傳統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採用PAM4等技術。隨着高速光模塊在數據中心的大量運用，傳統III-V族半導體的光芯片將面臨並行傳輸、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，成爲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、調製器、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勢：

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

(2)成本下降潛力大。在光器件和光模塊中，光芯片的成本佔比較高。傳統的GaAs/InP襯底因晶圓材料生長受限，生產成本較高。近年來，隨着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製造，芯片成本得以大幅降低。

(3)波導傳輸性能優異。硅的禁帶寬度爲1.12eV，對應的光波長爲1.1μm。因此，硅對於1.1—1.6μm的通信波段(典型波長1.31μm/1.55μm)是透明的，具有優異的波導傳輸特性。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。

硅光技術持續發展，技術上不斷取得突破

從發展歷程看，硅光集成技術將遵循由光子集成→光電集成的發展過程，待技術成熟後指向芯片內部光互聯。目前，通信領域的硅光模塊屬於光子集成範疇，從製造工藝看可分爲兩類：單片集成與混合集成。

單片集成主要利用傳統的CMOS工藝，在硅晶圓上集成多個光器件。不過，硅的發光效率較低，無法作爲光源，成爲單片集成的瓶頸。一個折中的方法是：無源光器件在硅襯底上陣列化，光源採用III-V族半導體，混合集成技術應運而生。混合集成需要將III-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、技術最爲完善的廠商。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。大量的研發費用投入爲2016年的硅光模塊商用奠定了堅實的基礎。對於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的硅光模塊對於傳統三五族半導體光模塊依舊形成了不小的衝擊。