硅光子技术：开启未来高速光通讯的大门

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

随着数据中心的扩展、人工智能的发展以及5G和6G通讯技术的兴起，全球对高速数据传输的需求日益增加。传统的电子组件在速度和能效上已接近极限，因此「硅光子技术」(Silicon Photonics) 成为业界关注的焦点。硅光子利用硅材料来制造光学组件，使其能与现有的半导体工艺兼容，提供高效、低功耗且可大规模生产的光学解决方案。

 

硅光子应用领域涵盖了数据中心、电信、LiDAR、自动驾驶、医学影像、量子计算和高性能计算等领域。这些应用均与中央硅光子芯片相连，象征着其在不同技术中的核心作用。

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2. 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。

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3.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4. 2.5D封装系统中基本光学元件，包括雷射光源、调制器、解调器、微环谐振器和光波导。

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：

马赫-曾德尔调制器 (MZM, Mach-Zehnder Modulator)

• 主要由两条波导，一条通电压后折射率改变，使得光波相位改变，当两束光结合后，透过产生建设性干涉与破坏性干涉造成光通过与吸收效果，进而调制光讯号。
• 优势：高线性度、大带宽，适合高速传输。
• 挑战：占用较大面积，功耗较高。

微环/微碟共振调制器 (MRM/MDM, Microring/Microdisk Modulators)

 

• 利用微型环状共振腔来调制光讯号，尺寸小且功效高。利用RF讯号调制控制波导的光进入Ring中吸收与通过产生讯号调制。
• 优势：低功耗、可大规模整合。
• 挑战：对工艺变异与温度变化较敏感。

环形共振马赫-曾德尔调制器 (RAMZM, Ring-Assisted MZM)

• 结合环共振器与MZM的优势，提升调制效能。微环共振腔可在较小电场变化下产生较大的相位变化，因此 RA-MZM 相比传统 MZI 可大幅降低驱动电压，从而降低功耗。
• 优势：提升调制深度、降低插入损耗。
• 挑战：工艺与设计更为复杂。

 

电吸收调制器 (EAM, Electro-Absorption Modulator)

• 透过量子受限史塔克效应（QCSE, Quantum Confined Stark Effect），在电场作用下改变材料的吸收特性来调制光强度。
• 优势：体积小、功耗低、适合高速传输。
• 挑战：光学损耗较大，需要优化材料特性。

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：

• 等离子色散效应：透过调整自由载流子浓度来改变材料的折射率与吸收率。
• Pockels效应：利用外加电场改变非中心对称材料的折射率。
• Franz-Keldysh效应：当外部电场改变半导体的能带结构时，会延伸其吸收边界，使得能量低于能隙的光子也能被吸收。
• 量子受限Stark效应（QCSE）：透过量子阱结构来强化电场对能带结构的影响。
• 慢光效应：透过减少光在光子结构内的群速度来增强光与物质的相互作用，有效延长交互时间，而不增加器件的长度。
• 能带间跃迁：透过改变电子的能态来影响光的吸收与折射。
• 相变效应：材料在晶态与非晶态间转换时，其折射率发生剧变。

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。

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。

四、硅光子的应用领域

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。
   

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。
   

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。

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。

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。