硅光子技术：开启未来高速光通讯的大门
郭浩中 教授团队
阳明交通大学 光电工程学系
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一、前言 |
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图一、硅光子应用领域 |
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二、硅光子概要 |
为什么要用硅来做光通讯传输而不用其他材料呢？
图二列出不同材料用于光通讯传输来与硅比较，以III-IV族材料InP为例，优点在于可直接整合光源而不用额外做外部光源耦合与封装，但缺点为此材料目前制程为4 吋以下工艺，合格率低成本高；若采用玻璃制作，优点为成本低、材料取得容易，缺点为工艺合格率不稳定、工艺技术尚待开发中；最后是高分子材料Polymer，优点为成本低工艺快速，缺点为可靠度差、质量管控不易，容易产生形变高频传输下有影响。
 图二、光通讯波导传输材料比较 |
硅光子技术是指利用硅作为基础材料来制造光学组件，实现光讯号的传输、调制、检测和处理。与传统电子讯号不同，光讯号可以以更高的速度传输数据，同时降低功耗，这使得硅光子在高效能运算和高速网络中扮演关键角色。
硅光子技术的核心优势包括：
- 高速传输：光讯号的带宽远大于电子讯号，可达数百 GHz 甚至更高。
- 低能耗：光讯号传输时的能量损耗较低，相较于电子传输可降低发热与功耗。
- 高整合性：硅光子技术能与现有的 CMOS 工艺兼容，实现电子与光子组件的单芯片整合。
- 可扩展性：可透过现有半导体工艺大规模制造，降低生产成本。
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三、硅光子的关键技术 |
硅光子系统的核心组件包括主动组件（如激光、调变器、探测器）和被动组件（如波导、耦合器、分束器），其中波导组件则负责光信号的传输与操控。核心技术说明如下：
- 主动组件:
- 激光光源: 通常是波长为O-band与C-band的高功率(>40mW) Distributed Feedback Laser，为侧向出光光源。
- 光侦测器: Ge掺杂光侦测器，通常在接收端Rx，接收输出端Tx的光讯号后转成光电流后经过TIA等电芯片处理成讯号。
- 光调制器:透过RF通电控制使得调制器产生变化让光产生开关效果，当速度提高时产生高频数字讯号。
- 被动组件:
- Mux/Demux: 通常为中长距离传输，做分波多任务与混光用途，主要用于多模的不同波长光的处理。
- Coupling I/O: 耦光，将外部光源导入硅光组件，有分为Edge coupling、Grating coupling、及V-groove coupling。
- Optical filter: 光滤波器，可用于医疗检测用途。
- Interferometer/Switch: 做光的相位调制，调整光方向。
- Splitter/Combiner:主要用于单模光信号分成多路输出或多路光整并，光功率分配，方向调整。
- Polarization Diversity: 偏振控制，TE（横向电场）与 TM（横向磁场）模式的传播特性不同，可能导致某些器件仅适用于特定偏振态，如 MZI 调变器与光耦合器主要支持 TE 模式，而 TM 模式则可能无法有效传输。
- 波导: 光于硅光芯片中主要走的路径，简称光路，相当于IC中的电路功能。
 图三、硅光子部件组成分为主动结构、被动结构与波导结构 (Intel) |
2.5D封装是一种介于传统2D封装（平面电路板上的芯片）与3D封装（多层芯片堆栈）之间的技术。它主要通过硅中介层（Interposer），将多个芯片（如处理器、内存等）放置在同一平面上，并通过硅穿孔（TSV, Through-Silicon Via）提升效能。结合硅光子组件制作光电整合模块将部分高速电讯号改用光讯号传输减少损耗，并达到高速传输。
 图四、2.5D封装系统中基本光学组件，包括激光光源、调制器、解调器、微环谐振器和光波导。 |
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1. 光调制技术 |
光调制是硅光子技术中的核心功能之一，它决定了如何有效地将电子讯号转换为光讯号。常见的光调制技术包括：
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图五、传统马赫-曾德尔调制器，两段波导透过通电调制产生相位不同的光输出讯号 |
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图六、微环/微碟共振调制器与侧面结构图 |
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图七、环形共振马赫-曾德尔调制器
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图八、电吸收调制器示意图透过石墨烯整合进一步提升性能 |
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2. 硅光子学中的光学调变机制 |
光学调变器透过多种物理机制来改变光的特性，以实现高速数据传输。以下是几种主要的调变机制：
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图九、硅光子学中的光学调变机制与相关理论架构 |
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3. 硅光子探测器 |
光电探测器 (PD, Photodetector) 负责将光讯号转换回电子讯号，是硅光子技术中不可或缺的组件。常见的技术包括：
- 锗/硅 (Ge/Si) 光电探测器：利用锗的光吸收特性，与硅芯片整合，以实现高效能探测。
- 石墨烯光电探测器：利用石墨烯的高载流子迁移率与宽带吸收特性，达到超高速探测效果。
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4. 硅光子波导与光学连接 |
- 波导技术：硅光子波导可导引光讯号至不同组件，提升整体系统效能。
- 光学互连：硅光子可应用于数据中心、超级计算机，减少传输延迟与功耗。
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四、硅光子的应用领域 |
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1. 高速光通讯 |
硅光子技术最主要的应用是高速光通讯，例如：
- 数据中心互连：利用硅光子技术提升服务器间的数据传输速度。
- 光纤到户 (FTTH)：透过硅光子模块提升光纤网络的效能。
- 卫星与太空通讯：硅光子技术可用于光学激光通讯，提升远距传输能力。
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2. 高效能运算 (HPC) |
- 人工智能与机器学习：硅光子技术可加速数据传输，提高 AI 运算效能。
- 量子运算：硅光子技术被用于开发量子光学运算平台。
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3. 生医与感测技术 |
- 光学生物传感器：硅光子生物传感器可用于疾病诊断，如 COVID-19 病毒检测。
- 环境监测：利用光学传感器侦测空气与水质污染。
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五、硅光子的未来发展 |
- 提升调制速度与带宽
- 研究新材料，如氮化硅、铌酸锂 (LiNbO₃)，提升光调制效能。
- 降低功耗与热效应影响
- 采用石墨烯、光子晶体等新技术，减少功耗与温度变异。
- 光子与电子的深度整合
- 发展硅光子芯片，与现有电子组件更紧密结合，提高整体运算效能。
- 新兴应用拓展
- 进一步推动硅光子技术在生医、智能感测、量子通讯等领域的应用。
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六、结论 |
硅光子技术正快速发展，推动光通讯、运算与感测技术的革新。透过不断提升调制效率、降低功耗与强化整合度，硅光子将成为未来数字基础设施的关键技术之一。未来，随着工艺技术与材料科学的进步，硅光子技术将进一步拓展应用范围，改变我们的通讯与计算方式。随着数据量呈指数级增长，现代光通信网络对高速光调制器的需求日益增加，下表概括了硅光子技术中不同类型调制器的性能、优势与挑战，有助于根据应用需求选择最合适的调制技术。
表一、不同类型硅光调制器能力总表
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参数 |
马赫-曾德尔调制器 (MZM) |
环形调制器 (Ring Modulator) |
环辅助马赫- 曾德尔调制器 (RAMZM) |
电吸收调制器 (EAM) |
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带宽 (GHz) |
Max >110 GHz Standard: 30–110 GHz |
Max >77 GHz Standard: 30–77 GHz |
Max: 58.5 GHz Standard: 8.5–58.5 GHz |
Max: 89 GHz Standard: 26.8–89 GHz |
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电压-长度积 (Vπ·L) |
Min. : 0.003 V·cm Standard: 0.003–1.6 V·cm |
Min. : 0.52 V·cm Standard: 0.52–0.8 V·cm |
Min. : 0.025 V·cm Standard: 0.025–1.73 V·cm |
无明确适用数据 |
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消光比 (ER, dB) |
Max: >50 dB Standard: 3.15–50 dB |
Max: 25 dB Standard: 3.5–25 dB |
Max: 30 dB Standard: 8–30 dB |
Max: 14.15 dB Standard: 3–14.15 dB |
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插入损耗 (IL, dB) |
约 1.7 dB 至 18 dB， 取决于器件长度和材料 |
小与2 0.7 dB 至约 14 dB，通常较低 |
2 dB 至 10.5 dB，依设计复杂度而定 |
1.8 dB 至 6.2 dB，受材料吸收影响 |
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设备尺寸 |
长度约 0.12 mm 至 3 mm，占用较大面积 |
半径约 3.7 µm 至 15 µm，极为紧凑 |
面积约 80×60 µm² 至较大结构，包含环形与干涉仪 |
维度约 40×0.3 µm²， 结构简单且紧凑 |
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数据速率 (Gb/s) |
Max: 560 Gb/s Standard: 80–560 Gb/s |
Max: 330 Gb/s Standard: 128–330 Gb/s |
Max: 320 Gb/s Standard: 12–320 Gb/s |
Max: >112 Gb/s， Standard: 32–112 Gb/s |
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优势 |
高线性度、大带宽，适用于长距离传输；混合集成可提升性能 |
紧凑尺寸、高速、低功耗，适用于高密度集成应用 |
更佳消光比与带宽，插入损耗与带宽之间取得平衡 |
高调制效率、低功耗、与CMOS 相容；石墨烯整合可扩展频谱范围 |
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挑战 |
硅 MZM 带宽受限， 混合材料设备制造复杂 /span> |
速度、功耗与热稳定性之间的权衡，对制造误差敏感 |
设计与制造工艺更具挑战性，因需同时整合环形与干涉仪 |
石墨烯设备的接触电阻挑战；需要平衡速度与能效 |
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常见材料 |
硅、铌酸锂 (LiNbO₃)、 硅-有机混合材料 |
SOI(硅绝缘体)、硅氮化物 (SiN)、 混合材料 |
InP (磷化铟) 薄膜、 SOI 内建微环结构 |
锗 (Ge)、硅锗 (SiGe) 量子阱、石墨烯-硅混合结构 |
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典型应用 |
远距离通信、数据中心、高容量网络 |
芯片内部互连、数据中心、紧凑型调制应用 |
高性能射频光子学、需要高消光比与带宽的应用 |
数据中心、电信、光纤无线通信、高速光检测 |
