硅光芯片包括哪些功能？

目前光模塊中硅光芯片主要整合了調制、探測、波導、耦合等功能，同時將多路調 制集成單顆芯片中。

1.調制

電光調制器是改變光信號強度、頻率或相位的關鍵元件，完成從電信號到光信號的 轉換功能。電光調制器是操縱光來傳輸信息的設備，包括改變光的性質（如強度、相位 或頻率）等，在信息流量傳輸中扮演關鍵角色。 硅光是典型的外調制類型，且目前主流采用光源和調制器分立的方案。電光調制器 按照調制方式可以分為直接調制（內調制）和外調制，傳統的 VCSEL 和 DFB/FP 等均 屬于直接調制，而 EML、鈮酸鋰調制器均屬于外調制。其中，EML 是采用了 EA（電吸 收）的調制原理，在 DFB 光源的基礎上集成了 EAM（電吸收調制器），DFB 和 EAM 均可采用 InP 的材料，因此可以和激光源集成在一個光芯片中。而硅調制器目前與光源 仍主要為分立形式。

分類來看：1）硅基載流子色散型電光調制器為當前主流。硅基載流子色散型電光 調制器以等離子色散效應為調制機制，注入或清除載流子以調制載流子濃度，調節折射 率，從而改變光的相位等信息。目前，基于反向 PN 結電學結構的離子耗散型調制器， 可以滿足幾十 GHz 甚至上百 GHz 的調制需求，目前已成為高速硅基調制器的主流；2） MZM 商業化程度較高，MRM 體積和功耗占優。馬赫曾德爾調制器（MZM）和微環調 制器（MRM）是兩種廣泛使用的主要調制器，MZM 主要通過干涉原理操縱光波，提供 高精度，適用高速通信系統；MRM 利用諧振現象控制光傳播，具有更小的體積和功耗。

目前，硅基調制器已可支持單波 200Gb 以上速率的調制和傳輸。調制器主要指標 包括調制效率、調制速率、插入損耗等。目前，硅基調制器的 3 dB 帶寬可以達到 67GHz 以上，可以支持單波 200Gb 以上速率的調制和傳輸。未來高效率、大帶寬、低損耗的 硅基調制器是實現大容量、低功耗和大動態范圍光子集成回路的關鍵，但需要平衡三者 之間的折中關系。進一步提高硅光調制器帶寬，可借助于一些特殊的光學結構（如 Bragg 光柵型的慢光調制器），也可以借助于薄膜鈮酸鋰和鈦酸鋇等材料進行異質集成。

2.探測

探測器將接收到的光信號轉化為電信號。當光照射到硅或其他材料制成的光電二極 管時，光子被吸收并產生電子-空穴對，進而形成可測量的電流，完成光電轉換過程。 Ge-Si 光探測器是現在的主流成熟方案。由于硅材料對波長大于 1.1μm 的光是透明 的，并非有效的光吸收材料，所以需要通過外延生長鍺、III-V 族鍵合、表面態吸收、等 離子吸收等手段在硅上制備符合通信波段的光電探測器。鍺（Ge）材料在 1310nm 和 1550nm 這兩個波長的吸收系數都比較大，常用的接收端探測器一般都是采用這類材料 制備。目前主流代工廠均能提供成熟的高質量 Ge 生長工藝。Ge-Si 光探測器由于具有 帶寬大、結構緊湊、CMOS 工藝兼容等特性，更適合大規模集成，是現在的主流方案。

3.波導

光波導用于將光源產生的光束，沿著特定路徑導向到需要的位臵，并在芯片內部傳 輸信息。其核心原理是將光限制在由低折射率材料包圍的高折射率區域（波導）內。常 用的光波導有條型波導、脊型波導，其中條型波導結構簡單緊湊，極限彎曲半徑較小， 主要用于一般的無源光器件；脊型波導具有較大的橫向尺寸，能夠以較低的耦合損耗與 單模光纖進行端面耦合，被廣泛使用在有源光器件中。

4.耦合

光耦合器則主要用于實現芯片與外部器件、芯片之間的互連。常用的光耦合器包括 端面耦合器和光柵耦合器，硅上光柵是目前最主流的方案。其中端面耦合器是通過在芯 片端面優化設計漸變耦合結構，具有耦合光偏振不敏感和耦合帶寬大的優點。光柵耦合 器是利用特定的光柵結構以一定垂直角度實現光波到芯片的耦合輸入/輸出。 此外，還可集成分/合束器、（解）復用器件等。 異質集成技術是硅光芯片發展的重要方向。硅基光電子集成芯片的性能受限于硅材 料本身的光電性能，仍存在無法高密度集成光源、集成低損耗高速光電調制器等問題。 因此，利用不同種材料發揮其各自光電特性優勢的硅基光電異質集成技術近年來發展迅 速。硅基光電異質集成技術不僅擁有硅材料可大規模 CMOS 制造的特點，同時充分發揮 不同材料的優異光電特性，可實現傳統硅光技術無法媲美的器件指標，實現真正意義上 的硅基光電子單片集成系統。

單片集成相比混合集成優勢明顯，具有大規模生產潛力，是硅光技術長期發展趨勢。 硅光集成工藝可分為混合集成和單片集成兩種方案，混合集成是指光學元件（激光器、 調制器、探測器）等采用不同襯底材料集成到硅片上。單片集成是經過相同制作工藝， 相同材料將不同元器件集成在同一襯底上的一體化技術，實現起來有較大技術難度，但 具有結構緊湊、尺寸小、功耗低、可靠性強等優勢，是未來的發展方向。此外，單片集 成結構可以最高效率地利用現有的 CMOS 工藝平臺，實現低成本的大規模量產。當前的 硅光器件依然處于演進的初級階段，集成技術正在從混合集成向單片集成演進中。