硅光芯片包括哪些功能？

目前光模块中硅光芯片主要整合了调制、探测、波导、耦合等功能，同时将多路调 制集成单颗芯片中。

1.调制

电光调制器是改变光信号强度、频率或相位的关键元件，完成从电信号到光信号的 转换功能。电光调制器是操纵光来传输信息的设备，包括改变光的性质（如强度、相位 或频率）等，在信息流量传输中扮演关键角色。 硅光是典型的外调制类型，且目前主流采用光源和调制器分立的方案。电光调制器 按照调制方式可以分为直接调制（内调制）和外调制，传统的 VCSEL 和 DFB/FP 等均 属于直接调制，而 EML、铌酸锂调制器均属于外调制。其中，EML 是采用了 EA（电吸 收）的调制原理，在 DFB 光源的基础上集成了 EAM（电吸收调制器），DFB 和 EAM 均可采用 InP 的材料，因此可以和激光源集成在一个光芯片中。而硅调制器目前与光源 仍主要为分立形式。

分类来看：1）硅基载流子色散型电光调制器为当前主流。硅基载流子色散型电光 调制器以等离子色散效应为调制机制，注入或清除载流子以调制载流子浓度，调节折射 率，从而改变光的相位等信息。目前，基于反向 PN 结电学结构的离子耗散型调制器， 可以满足几十 GHz 甚至上百 GHz 的调制需求，目前已成为高速硅基调制器的主流；2） MZM 商业化程度较高，MRM 体积和功耗占优。马赫曾德尔调制器（MZM）和微环调 制器（MRM）是两种广泛使用的主要调制器，MZM 主要通过干涉原理操纵光波，提供 高精度，适用高速通信系统；MRM 利用谐振现象控制光传播，具有更小的体积和功耗。

目前，硅基调制器已可支持单波 200Gb 以上速率的调制和传输。调制器主要指标 包括调制效率、调制速率、插入损耗等。目前，硅基调制器的 3 dB 带宽可以达到 67GHz 以上，可以支持单波 200Gb 以上速率的调制和传输。未来高效率、大带宽、低损耗的 硅基调制器是实现大容量、低功耗和大动态范围光子集成回路的关键，但需要平衡三者 之间的折中关系。进一步提高硅光调制器带宽，可借助于一些特殊的光学结构（如 Bragg 光栅型的慢光调制器），也可以借助于薄膜铌酸锂和钛酸钡等材料进行异质集成。

2.探测

探测器将接收到的光信号转化为电信号。当光照射到硅或其他材料制成的光电二极 管时，光子被吸收并产生电子-空穴对，进而形成可测量的电流，完成光电转换过程。 Ge-Si 光探测器是现在的主流成熟方案。由于硅材料对波长大于 1.1μm 的光是透明 的，并非有效的光吸收材料，所以需要通过外延生长锗、III-V 族键合、表面态吸收、等 离子吸收等手段在硅上制备符合通信波段的光电探测器。锗（Ge）材料在 1310nm 和 1550nm 这两个波长的吸收系数都比较大，常用的接收端探测器一般都是采用这类材料 制备。目前主流代工厂均能提供成熟的高质量 Ge 生长工艺。Ge-Si 光探测器由于具有 带宽大、结构紧凑、CMOS 工艺兼容等特性，更适合大规模集成，是现在的主流方案。

3.波导

光波导用于将光源产生的光束，沿着特定路径导向到需要的位臵，并在芯片内部传 输信息。其核心原理是将光限制在由低折射率材料包围的高折射率区域（波导）内。常 用的光波导有条型波导、脊型波导，其中条型波导结构简单紧凑，极限弯曲半径较小， 主要用于一般的无源光器件；脊型波导具有较大的横向尺寸，能够以较低的耦合损耗与 单模光纤进行端面耦合，被广泛使用在有源光器件中。

4.耦合

光耦合器则主要用于实现芯片与外部器件、芯片之间的互连。常用的光耦合器包括 端面耦合器和光栅耦合器，硅上光栅是目前最主流的方案。其中端面耦合器是通过在芯 片端面优化设计渐变耦合结构，具有耦合光偏振不敏感和耦合带宽大的优点。光栅耦合 器是利用特定的光栅结构以一定垂直角度实现光波到芯片的耦合输入/输出。 此外，还可集成分/合束器、（解）复用器件等。 异质集成技术是硅光芯片发展的重要方向。硅基光电子集成芯片的性能受限于硅材 料本身的光电性能，仍存在无法高密度集成光源、集成低损耗高速光电调制器等问题。 因此，利用不同种材料发挥其各自光电特性优势的硅基光电异质集成技术近年来发展迅 速。硅基光电异质集成技术不仅拥有硅材料可大规模 CMOS 制造的特点，同时充分发挥 不同材料的优异光电特性，可实现传统硅光技术无法媲美的器件指标，实现真正意义上 的硅基光电子单片集成系统。

单片集成相比混合集成优势明显，具有大规模生产潜力，是硅光技术长期发展趋势。 硅光集成工艺可分为混合集成和单片集成两种方案，混合集成是指光学元件（激光器、 调制器、探测器）等采用不同衬底材料集成到硅片上。单片集成是经过相同制作工艺， 相同材料将不同元器件集成在同一衬底上的一体化技术，实现起来有较大技术难度，但 具有结构紧凑、尺寸小、功耗低、可靠性强等优势，是未来的发展方向。此外，单片集 成结构可以最高效率地利用现有的 CMOS 工艺平台，实现低成本的大规模量产。当前的 硅光器件依然处于演进的初级阶段，集成技术正在从混合集成向单片集成演进中。