硅光技术开启AI时代大门新的“黄金钥匙”

AI技术风头正盛，引发数据传输井喷式增长。面对庞大的信息缺口，谁是破局的关键？打破数据传输上限，后摩尔时代初现曙光。硅光子技术很好的回答了这一问题，它是开启AI时代大门新的“黄金钥匙”。

随着传统分立可插拔模块方案升级迎来瓶颈，“光摩尔定律”的延续将依赖新的技术方案商用，其中硅光子集成技术或为成本效率提升、解决带宽升级瓶颈的最优选择。这一技术涵盖了硅光器件、硅光芯片和硅光模块三大产品类别。作为一种平台型技术，硅光技术以其高速率、高集成度、低成本、低功耗和小型化等优点日益显现，并已在光通信、光传感、光计算、智能驾驶、消费电子等多个领域得到广泛应用。特别是硅光模块，相较于传统模块具有明显优势，预计未来将迎来快速增长。

01 硅光技术原理及特点

硅光技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，利用基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备，该技术将CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势进行深度融合，凭借于此，硅光技术克服电子数据传输的局限性，使其成为推进通信和计算技术的基石。

当前市场广泛讨论的硅光技术，默认指的硅光技术的“最终集成模式”，即硅光模块。硅光模块是硅光技术的集大成者产品形式，将光源、硅光芯片和模块如光发送器件和光接收模块、甚至外部驱动电路等都集中在一起的一体化模块。

图1是Juniper公司展示的一款基于硅光技术的光模块，由于大部分的光路和电路已经通过硅光技术集成在硅基底上，所以封装过程得到大幅简化。在成本和功能上都具有绝对优势。

02 硅光子技术优势

硅光子技术是实现光子和微电子集成的理想平台。在当前“电算光传”的信息社会下，微电子/光电子其技术瓶颈不断凸显，硅基光电子具有和成熟的CMOS微电子工艺兼容的优势，有望成为实现光电子和微电子集成的最佳方案。

从需求发展来看，光电子和微电子集成源动力来自于微电子/光电子各自的发展需求，微电子方面，深亚微米下电互连面临严重的延时和功耗瓶颈，需要引入光电子利用光互连解决电互连的问题；光电子方面，面对信息流量迅速增加下的提速降本需求，需要借助成熟的微电子加工工艺平台，实现大规模、高集成度、高成品率、低成本的批量化生产。

从技术特点来看，硅光子技术结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，以及基于硅材料的本身特性，硅光子技术主要具有高集成度、高速率、低成本等优点：

（1）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，可以很好地兼容目前的光通信技术标准，同时利用光通路取代芯片间的数据电路，在实现大容量光互连的同时也保持着低能耗和低散热，高效地解决网络拥堵和延迟等问题；

（2）高集成度：硅基材料具有高折射率和高光学限制能力，可将光波导弯曲半径缩减至5μm以下，基于成熟的CMOS工艺制作光器件，可实现硅光芯片更高的集成度及更多的嵌入式功能，其集成密度相比于传统的硅基二氧化硅（PLC）和磷化铟（InP）光芯片有望提高百倍以上，同时光芯片尺寸缩减也随之带来有低成本、低功耗、小型化等独特优势；

（3）低成本：硅材料作为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和BiCMOS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。

03 硅光发展现状

（一）硅光子学成为超越摩尔的新路径

硅光技术利用CMOS等集成电路制造工艺在硅基或硅衬底材料上开发或集成各类光子、电子、光电子器件，融合CMOS技术超大规模逻辑、超高精度制造特性和光子技术超高速率、超低功耗优势，有望成为集成光电子和微电子的最佳方案。其诞生伊始以光互联代替电互联为目标，硅光模块在光通信领域的落地应用，开启了硅光技术产业化之路。未来，硅光技术将在激光雷达、光计算、光传感、光存储等领域拓展应用。

为把握AI大算力时代新趋势，光通信、半导体、IT设备等领域科技公司纷纷瞄准硅光赛道，发力硅光技术研发。2024年4月，台积电在2024年北美技术研讨会上概述了其3D光学引擎路线图，制定了12.8Tbps光学连接计划。其正与博通、英伟达等联合开发硅光产品，未来有望将硅光技术导入CPU、GPU制程中，将电子传输线路更改为光传输，为“超越摩尔”探索新路径。

（二）数据中心是硅光的应用领域之一

在数据中心网络领域，硅光模块成为破解800G以上高速率光模块成本、功耗上升难题的优选方案。据国家统计局发布数据，截至2024年5月底，中国智能算力占算力总规模比重超过30%。智能算力持续增长带动了数据中心网络架构从三层架构转向两层叶脊架构，两层叶脊架构可接入更多服务器、交换机，从而需要更多400G、800G高速光模块进行数据传输。以英伟达H100GPU为例，考虑网络不同层级应用需求，GPU与800G光模块的数量比例约为1:3。硅光模块通过大规模集成，减少流程和工序，降低器件总成本。产业界普遍认为，400G是传统光模块和硅光模块成本的平衡点，硅光技术在800G及以上光模块中应用性价比更优。随着基于硅光技术的LPO、CPO等封装工艺不断突破接口封装等技术瓶颈，未来在1.6T、3.2T、6.4T等高速率模块中，硅光成本、技术优势更加凸显。

（三）电信网络领域硅光应用在相干光模块。

在电信网络领域，硅光技术主要应用在相干光模块中。全光网络高速、稳定、低延迟的网络服务满足未来越来越高的网络需求，成为通信网络的发展趋势。在全光网络中，相干光通信凭借着传输距离远、传输容量大、信噪比低等优势，将进一步扩大应用范围。目前，传输距离超过1000km的骨干网、100-1000km的城域网已逐步应用相干光模块。硅光技术早期应用即是在相干光模块中。2014年，Acacia即发布了首款采用硅光子集成电路的相干收发器。未来，得益于硅光工艺的不断提升，低成本、低功耗、高性能等优势将与相干光通信应用拓展相辅相成。此外，在全光网络中需引入可重构全光分插复用器系统（Reconfigurable Optical Add/drop Multiplexer，ROADM）等全光交换技术，波长选择开关（WSS）等组件选择硅光方案，将进一步打开硅光模块市场空间。

04 硅光技术多领域应用

随着硅光子集成度不断提升，集成数量不断增加，应用领域也不断拓展。硅基光电子优势明显，除了在光通信领域的作用外，在其他商业领域如：光计算、激光雷达、消费电子和医疗健康等领域的价值也逐渐显现，一个接一个应用得以落地。所以，硅光产业将在21世纪迎来爆发式增长。

市场研究公司Yole Développement估计，硅光芯片市场在未来几年可能会出现爆炸性增长，从2020年的8700万美元增长至2026年的11亿美元，并预测，从2021年开始的五年内，复合年增长率为49%。Yole的预测硅光平台将会出现多种新应用，且认为增长最快的将是医疗健康和光计算领域的应用。

（1）光计算

光计算是采用光作为信息处理的基本载体，基于光学单元构建光学系统，通过必要的光学操作，从而实现信息处理或数据运算的新型计算体系。随着全球算力规模的不断扩大以及算力升级面临的低碳问题，光计算相较于传统电子计算机具备天然的并行计算能力、低功耗、高速低时延、抗干扰能力强等优点，在特定场景中，有望替代传统电子计算机，是解决摩尔定律困境以及冯•诺依曼架构瓶颈问题具备潜力的途径之一。国际上有Lightmatter和Lightelligence，开发以光云计算为基础的光学神经网络加速器并推出样机，有望开始销售使用这种芯片的光学加速板。另一家Luminous的公司将脉冲和光学这两种节能方法结合起来的技术其前景也值得期待。

（2）激光雷达

硅光固态激光雷达技术路线是未来激光雷达发展的优选方向。从产业发展来看，激光雷达要实现规模化量产上车需要满足高性能和低成本两方面，目前多数方案都是依靠各类分立器件的集成来实现雷达系统，缺点是成本高、尺寸大、功耗高、可靠性低，在大规模上车上存在挑战。通过硅光子技术实现芯片化集成，可以降低系统成本、实现规模化应用，具备高性能、低成本、小尺寸、低功耗等优点。

（3）消费电子和医疗健康

硅光在消费电子和医疗健康等领域的应用也被寄予厚望。光可快速、超灵敏地检测多种关键生物标志物，以及基于硅光芯片低成本可批量制造，故可作为DNA、葡萄糖、分子和细胞分析传感器等应用。苹果公司与美国Rockley Photonics公司合作开发“穿戴式诊断”的硅光子模块，可能会开发具有保健功能的电子类产品如智能手表等。Bialoom也在进行硅光子生物传感器技术研究，想制造出高性能、具有经济效益的生物芯片检测感染存在。图4是搭载基于硅光技术无创血糖检测功能的AppleWatch。

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